DE10115258A1 - Maschinensystem und dessen Anwendung - Google Patents

Maschinensystem und dessen Anwendung

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Abstract

Das Maschinensystem weist eine Entspannungsmaschine (1) zur Verminderung des Drucks eines ersten Prozess-Fluids (3, 5) und eine Pumpe (2) zur Erhöhung des Drucks eines zweiten Prozess-Fluids (9), das in flüssiger Form vorliegt. Die Entspannungsmaschine (1) und die Pumpe (2) sind mechanisch gekoppelt (13, 14, 15). Ein derartiges Maschinensystem kann in einem Verfahren zur Erzeugung von Druckgas oder in einem Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Zerlegung eines Einsatzgemischs eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Maschinensystem mit einer Entspannungsmaschine zur Verminderung des Drucks eines ersten Prozess-Fluids und mit einer Pumpe zur Erhöhung des Drucks eines zweiten Prozess-Fluids, das in flüssiger Form vorliegt. Die Entspannungsmaschine kann grundsätzlich als Gas- oder Flüssigkeits- Entspannungsmaschine ausgebildet sein.
Unter "Gas-Entspannungsmaschine" wird hier eine Entspannungsmaschine verstanden, die zur arbeitsleistenden Entspannung eines Prozess-Fluids ausgebildet ist, das sich am Eintritt der Maschine im gasförmigen oder überkritischen Zustand befindet. Dieses Prozess-Fluid 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 Prozess-Fluids ausgebildet ist, das sich am Eintritt der Maschine im flüssigen oder überkritischen Zustand befindet. Das Prozess-Fluid 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-Entspannungsmaschinen 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.
Maschinensysteme der eingangs genannten Art werden beispielsweise in Anlagen zur Zerlegung von Gasgemischen, insbesondere solchen zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft eingesetzt. Hier wird einerseits Kälte durch arbeitsleistende Entspannung eines Prozess-Stroms erzeugt, der aus einer der Rektifiziersäulen der Anlage stammt oder für eine dieser Säulen bestimmt ist; das erste Prozess-Fluid kann gasförmig, flüssig oder überkritisch in die Entspannungsmaschine eintreten. Andererseits wird beispielsweise ein flüssiger Produktstrom aus der Zerlegung als zweites Prozess-Fluid einer Tieftemperatur-Pumpe zugeführt, dort auf einen hohen Druck gebracht, unter dem hohen Druck verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen.
Jede Entspannungsmaschine muss zur Entfernung der mechanischen Energie gebremst werden. Dies geschieht üblicherweise durch eine dissipative Bremse, einen Generator oder durch mechanische Kopplung an einen Gasverdichter (Booster). Insofern kann man auch bei Verfahren der eingangs genannten Art die mechanische Energie aus der arbeitsleistenden Entspannung als elektrische Energie zurückgewinnen und über dem Umweg über das elektrische Versorgungsnetz und einen Elektromotor zum Antrieb einer Tieftemperatur-Pumpe einsetzen. Dies erfordert allerdings hohen apparativen Aufwand, nämlich neben Generator und Elektromotor auch einen Frequenzumformer und weiteren elektrotechnische Maßnahmen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Maschinensystem der eingangs genannten Art anzugeben, das relativ geringe Investitionskosten aufweist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Entspannungsmaschine und die Pumpe mechanisch gekoppelt sind.
Dabei wird mindestens ein Teil der bei der arbeitsleistenden Entspannung des ersten Prozess-Fluids erzeugten mechanischen Energie direkt zum Antrieb der Pumpe verwendet, wobei die mechanische Energie zum Beispiel über eine gemeinsame Welle oder über ein Getriebe von der Entspannungsmaschine auf die Pumpe übertragen wird.
Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass bei Verfahren mit Pumpen einer flüssigen Produktfraktion eine unmittelbare mechanische Übertragung der Energie zwischen arbeitsleistender Entspannung und Pumpe apparativ besonders günstig ist. Daneben bewirkt die direkte mechanische Kopplung eine Erhöhung des Wirkungsgrades.
Es ist günstig, wenn ein Getriebe zwischen der Entspannungsmaschine und der Pumpe angeordnet ist. Das Getriebe vermittelt zwischen den unterschiedlichen Drehzahlen der beiden Maschinen.
Wenn an der Entspannungsmaschine ein Überschuss an mechanischer Energie erzeugt wird, der bei direkter Kopplung nicht vollständig zur Druckerhöhung in der Flüssigkeit genutzt werden kann, ist es günstig, wenn die Pumpe und/oder die Entspannungsmaschine mittels einer oder zweier Bypass-Leitungen geregelt werden. Die Bypass-Leitung um die Pumpe dient zur Rückleitung von Flüssigkeit vom Austritt der Pumpe über ein Ventil zu ihrem Eintritt; die Bypass-Menge wird vorzugsweise in Abhängigkeit vom Austrittsdruck der Pumpe und/oder vom Durchfluss des Pumpenstroms eingestellt. Damit kann überschüssige Energie abgeregelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann dies durch Vermindern des Turbinendurchsatzes über eine Bypass-Leitung bewerkstelligt werden, indem ein Teil des ersten Prozess-Fluids über ein Ventil vom Eintritt zum Austritt der Entspannungsmaschine geleitet wird. Die Bypass-Leitungen können auch beim An- und Abfahren des Systems eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann überschüssige Energie über einen Generator, zum Beispiel einen Hochfrequenz-Generator, abgezogen und in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Generator ist mechanisch mit der Turbinen-Pumpen- Kombination gekoppelt und wird beispielsweise von derselben Welle wie die Pumpe angetrieben. Wenn die in der Turbine erzeugte mechanische Energie nicht zum Antrieb der Pumpe ausreicht, kann ein Motor mechanisch mit der Turbinen-Pumpen- Kombination gekoppelt sein.
Die Entspannungsmaschine des Maschinensystems ist vorzugsweise als Flüssigkeits- Entspannungsmaschine, insbesondere als Flüssigturbine ausgebildet.
Die Pumpe des Maschinensystems kann insbesondere als Tieftemperatur-Pumpe ausgebildet sein, das heißt das zweite Prozess-Fluid tritt unter einer kryogenen Temperatur von unter 100 K, vorzugsweise 90 K bis 93 K in die Pumpe des Maschinensystems ein.
Bei der Erzeugung von Druckgas ist es üblich, Verdichtungswärme zu entfernen, indem man das verdichtete Gas in einem Direktkontaktkühler in Gegenstrom zu einem Kühlfluid, üblicherweise Wasser, abkühlt. Die Anwendung des oben beschriebenen Maschinensystems in einem derartigen Prozess ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
In dieser Anwendung stellt das aus dem Direktkontaktkühler abgezogene flüssige Kühlfluid das "erste Prozess-Fluid" dar, das in der Entspannungsmaschine des Maschinensystems arbeitsleistend entspannt wird. Das "zweite Prozess-Fluid" wird durch das abgekühlte flüssige Kühlfluid gebildet, das aus dem Verdunstungskühler entnommen wird; es wird in der Pumpe des Maschinensystems flüssig auf Druck gebracht. Solche Kühlkreisläufe zur Abkühlung von verdichtetem Einsatzgas sind mit motorgetriebenen Pumpen allgemein bekannt. Als Kühlfluid wird in der Regel Wasser eingesetzt. Der Direktkontaktkühler zur Abkühlung des verdichteten Einsatzgases muss naturgemäß auf einem hohen Druckniveau betrieben werden, nämlich über dem Enddruck des Druckgases. Das trockene Gas, mit dem der Verdunstungskühler betrieben wird, steht dagegen meist nur unter knapp überatmosphärischem Druck zur Verfügung. Das warme Kühlfluid aus dem Direktkontaktkühler muss daher zunächst auf den niedrigen Druck des Verdunstungskühlers entspannt werden; das kalte Kühlfluid, das vom Verdunstungskühler in den Direktkontaktkühler zurückgeführt wird, muss wieder auf den hohen Druck gebracht werden. Bei den bisher bekannten Kühlkreisläufen wird externe - in der Regel elektrische - Energie für diesen Schritt verbraucht. Im Rahmen der Erfindung wird die Entspannung des Kühlfluids zur Erzeugung mechanischer Energie ausgenutzt und diese durch unmittelbare mechanische Kopplung zum Antrieb der Pumpe genutzt. Falls notwendig kann fehlende Energie mittels eines Motors ergänzt werden, der mechanisch mit der Turbinen-Pumpen-Kombination gekoppelt ist.
Vorzugsweise wird der Einsatzgasstrom durch Luft gebildet. Das Maschinensystem wird damit zum Beispiel in einem Verfahren zur Erzeugung von Druckluft eingesetzt.
Der verdichtete und abgekühlte Einsatzgasstrom kann insbesondere die Einsatzluft für eine Luftzerlegungsanlage, vorzugsweise eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage bilden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine weitere Anwendung des Maschinensystems in einem Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Zerlegung eines Einsatzgemischs in einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Rektifiziersäule aufweist, wobei bei dem Verfahren das Einsatzgemisch in der beziehungsweise eine der Rektifiziersäulen eingeleitet wird, Kälte durch arbeitsleistende Entspannung eines Prozess-Stroms in die Entspannungsmaschine des Maschinensystems erzeugt wird, und dem Rektifiziersystem eine Produktfraktion flüssig entnommen, mittels der Pumpe des Maschinensystems in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, durch indirekten oder direkten Wärmeaustausch mit einem Wärmeträger-Fluid verdampft und als gasförmiges Druckprodukt abgezogen wird.
Die Entspannungsmaschine kann beispielsweise mit einem Teil des Einsatzgasgemischs vor dessen Einspeisung in ein Rektifiziersystem oder mit einem Produkt-, Nebenprodukt-, Zwischenprodukt- oder Restgas-Strom aus einem Rektifiziersystem betrieben werden. Im Beispiel eines Linde-Doppelsäulen-Verfahrens zur Luftzerlegung kann eine Luftturbine eingesetzt werden, die in die Hochdrucksäule oder in die Niederdrucksäule führt, oder aber eine Stickstoffturbine, die aus der Hochdrucksäule oder (bei erhöhtem Betriebsdruck) aus der Niederdrucksäule beschickt wird. Falls die Anlage einen Kreislauf aufweist, kann die Entspannungsmaschine auch mit dem Kreislaufmedium betrieben werden. Bei einem Einsäulen-Luftzerleger wird der Prozess-Strom, der arbeitsleistend entspannt wird, vorzugsweise durch Einsatzluft vor ihrer Einspeisung in die Säule, durch Stickstoff aus der Säule oder durch ein Restgas, beispielsweise von einem Kondensator-Verdampfer, gebildet.
Der Begriff "Verdampfen" schließt hier eine Pseudo-Verdampfung unter überkritischem Druck ein. Der Druck, auf den die flüssige Produktfraktion gebracht wird, kann also bei indirekter "Verdampfung" auch über dem kritischen Druck liegen, ebenso wie der Druck des Wärmeträgers, der bei dem indirekten Wärmeaustausch in der Regel (pseudo-)kondensiert wird.
Eine derartige Verfahrensweise wird bei indirekter Verdampfung auch als "Innenverdichtung" bezeichnet. Sie wird insbesondere in der Tieftemperatur-Zerlegung von Luft zur Gewinnung von gasförmigem Druck-Sauerstoff, seltener zur Gewinnung von Druck-Stickstoff angewendet.
Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt. Innenverdichtungsverfahren sind darüber hinaus in Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 46/1979, 3-7, "Luftzerlegungsanlagen", 4. Arbeitstagung der Linde AG vom 15.-17.10.1980, Artikel A, DE 830 805, DE 901 542; DE 952 908, DE 11 03 363, DE 11 24 529, DE 11 17 616, DE 11 87 248, DE 11 99 293, DE 12 35 347, DE 15 01 723, DE 15 01 722, DE 24 34 238, DE 25 35 132, DE 25 57 453, EP 93448, DE 33 07 181, EP 384483, EP 505812, EP 716280, EP 842385, EP 758733, EP 895045, EP 949471, EP 1006326, EP 1031804, DE 199 09 744, EP 1067345, DE 199 54 593 und DE 100 13 073 gezeigt.
Bei indirekter Verdampfung (oder Pseudo-Verdampfung) der Produkt-Fraktion ist es besonders günstig, wenn das dabei eingesetzte Wärmeträger-Fluid (beispielsweise ein Hochdruck-Luftstrom) nach dem indirekten Wärmeaustausch zur Verdampfung der gepumpten Flüssigkeit der Entspannungsmaschine zugeführt wird, welche die Pumpe antreibt. Das Wärmeträger-Fluid tritt dabei vorzugsweise unter einem überkritischen Druck in eine Flüssigturbine (high density turbine) ein und wird dort auf einen unterkritischen Druck entspannt. Am Austritt der Flüssigturbine befindet sich das Wärmeträger-Fluid beispielsweise vollständig oder fast vollständig im flüssigen Zustand.
In einem Innenverdichtungs-Prozess herrschen aus physikalischen Gründen bestimmte Druck- und Mengenverhältnisse in der zu verdampfenden Produktfraktion und in dem Wärmeträger-Fluid. Bei üblichen Maschinen-Wirkungsgraden wird deshalb bei der Turbinen-Entspannung immer mehr Arbeit geleistet, als zum Pumpen benötigt wird. Deshalb ist es möglich, die Pumpe allein mit der Entspannungsmaschine (vermittelt über ein Getriebe) anzutreiben und gegebenenfalls zusätzlich elektrische Energie mittels eines angekoppelten Generators zu erzeugen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 12 bis 14.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Maschinensystems mit Turbine, Getriebe, Pumpe und Regeleinrichtungen,
Fig. 2 eine zweites Maschinensystem mit Generator,
Fig. 3 eine Anwendung eines derartigen Maschinensystems in einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft und
Fig. 4 eine andere Anwendung in der Vorkühlung verdichteter Luft.
Das Maschinensystem von Fig. 1 weist eine Entspannungsmaschine 1 und eine Pumpe 2 auf. Ein erstes Prozess-Fluid 3 strömt über ein Absperrventil 4 und Leitung 5 der Entspannungsmaschine 1 zu. Das arbeitsleitend entspannte erste Prozess-Fluid wird über Leitung 6, ein weiteres Absperrventil 10 und Leitung 8 aus dem Maschinensystem abgeführt.
Ein zweites Prozess-Fluid 9 wird über ein Absperrventil 10 in flüssigem Zustand in die Pumpe 2 eingeleitet und über ein Rückschlagventil 11 und Leitung 12 unter einem erhöhten Druck weitergeleitet.
Die Entspannungsmaschine 1 und die Pumpe 2 sind über ein Getriebe 13 mit angeschlossenen Wellen 14, 15 mechanisch gekoppelt.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind zwei unabhängige Möglichkeiten zur Abregelung überschüssiger mechanischer Energie aus der Turbinen-Pumpen- Kombination 1/13/2 vorgesehen.
Zum einen wird über einen Durchflussregler (FIC = "flow indication and control") 16 die Menge an zweitem Prozess-Fluid geregelt, die aus dem Maschinensystem abgezogen wird. In Abhängigkeit von der Stellung des Ventils 17 des Durchflussreglers 16 verändert sich der Druck am Austritt der Pumpe 2, der seinerseits über einen Druckregler (PIC = "pressure indication and control") 18 konstant gehalten wird. Der Druckregler wirkt auf ein Bypass-Ventil 19, das in einer Bypass-Leitung 20 angeordnet ist, die vom Austritt zum Eintritt der Pumpe führt.
Zum anderen weist die Entspannungsmaschine 1 ebenfalls einen Druckregler (PIC) 21 auf, der auf ein Bypass-Ventil 22 wirkt. Darüber wird die Menge an erstem Prozess- Fluid eingestellt, die über eine Bypass-Leitung 23 die Entspannungsmaschine 1 umgeht und damit nicht zur Erzeugung mechanischer Energie verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Turbine über verstellbare Leitschaufeln 24 geregelt werden (HIC = "hand indication and control").
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 kann überschüssige Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Dazu ist zusätzlich ein Generator 201 an die Turbinen-Pumpen- Kombination 1/13/2 gekoppelt. In dem Beispiel sitzt er auf einer gemeinsamen Welle 215 mit der Pumpe 2.
Das Maschinensystem nach Fig. 1 oder Fig. 2 kann beispielsweise in einem Zwei- Säulen-Luftzerlegungsverfahren eingesetzt werden. (Ein derartiger Prozess ist in Fig. 3 im Einzelnen dargestellt.) In diesem Anwendungsbeispiel ist die Entspannungsmaschine 1 als Flüssigturbine ausgebildet; die Pumpe 2 stellt eine Tieftemperatur-Pumpe dar. Das zweite Prozess-Fluid 9 wird durch flüssigen Sauerstoff aus der Niederdrucksäule eines Doppelsäulen-Luftzerlegers gebildet und in der Tieftemperatur Pumpe 2 beispielsweise von knapp überatmosphärischem Druck auf den gewählten Produktdruck gebracht. Der Austrittsdruck der Pumpe 2 kann in einem weiten Bereich liegen, beispielsweise zwischen 5 und 100 bar, vorzugsweise zwischen 8 und 30 bar. Der flüssige oder überkritische Hochdruck-Sauerstoff wird über Leitung 12 einem Mittel zum Verdampfen zugeführt, etwa dem Hauptwärmetauscher des Luftzerlegers.
Über Leitung 6 wird Hochdruck-Luft aus dem Hauptwärmetauscher als erstes Prozess- Fluid beziehungsweise als "Prozess-Strom" herangeführt. Die Höhe ihres Druckes richtet sich nach dem Produktdruck des Sauerstoffstroms 12. Die Hochdruck-Luft wird in der Flüssigturbine 1 arbeitsleistend entspannt, beispielsweise auf etwa auf den Betriebsdruck der Hoch- oder Niederdrucksäule des Doppelsäulen-Luftzerlegers.
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.
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.
Die Flüssigturbine 103 und die Pumpe 548 sind Teil eines Maschinensystems gemäß Fig. 1 oder 2.
Fig. 4 zeigt die Anwendung eines Maschinensystems gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 in einem Verfahren zur Erzeugung von Druckluft. Atmosphärische Luft 400 wird als Einsatzgas über ein Filter 402 angesaugt, in einem Luftverdichter 3 auf den benötigten Druck gebracht (beispielsweise 4 bis 20 bar, vorzugsweise 5 bis 6 bar), in einem Nachkühler 408 durch indirekten Wärmeaustausch abgekühlt und in einen Direktkontaktkühler 404 eingeleitet. Vom Kopf des Direktkontaktkühlers 404 wird weiter abgekühlte Druckluft 405 abgezogen.
In dem Direktkontaktkühler wird Wasser 406 als Kühlfluid eingesetzt, das in einem Kühlwasserkreislauf geführt wird. Warmes Kühlwasser wird über Leitung 409 vom Sumpf des Direktkontaktkühlers 404 abgezogen, in einer Flüssigturbine 410 arbeitsleistend auf etwa Atmosphärendruck entspannt und über Leitung 411 auf den Kopf eines Verdunstungskühlers 413 aufgegeben. In den unteren Bereich des Verdunstungskühlers 413 wird ein trockenes Restgas 414, beispielsweise unreiner Stickstoff, eingeblasen. Das aufsteigende Gas bewirkt eine Teilverdunstung des herabfließenden Kühlwassers. Dadurch abgekühltes Wasser wird über Leitung 415 entnommen, in einer Pumpe 416 auf Druck gebracht, um wieder es in den Direktkontaktkühler einführen zu können (406). Über eine Abschlämmleitung 412 wird ein Teil des warmen Kühlwassers abgezogen; umgekehrt wird über Leitung 407, die in den Verdunstungskühler 413 mündet, Wasser von außerhalb des Kühlkreislaufs hinzugefügt.
Die Flüssigturbine 410 und die Pumpe 416 sind über ein Getriebe miteinander verbunden, wie es in Fig. 1 beziehungsweise Fig. 2 im Detail dargestellt ist. In der Regel wird (anstelle des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Getriebes) ein Motor 401 eingesetzt, der auf einer gemeinsamen Welle mit der Pumpe 416 sitzt.
Die Druckluft 405 kann beispielsweise als Einsatzluft für einen Tieftemperatur- Luftzerleger verwendet werden, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Der in Fig. 4 gezeigte Direktkontaktkühler 404 ist dann zwischen dem Luftverdichter 502 und der Reinigungseinrichtung 503 angeordnet (in Fig. 3 nicht dargestellt).
In Fig. 5 ist eine Abwandlung des in Fig. 4 gezeigten Systems dargestellt. Hier wird auf den Nachkühler (408 in Fig. 4) verzichtet. Die Luft strömt direkt unter der Austrittstemperatur des Luftverdichters 3 in den Direktkontaktkühler 404. Frischwasser 507 wird mittels einer Pumpe 508 auf eine Zwischenstelle des Direktkontaktkühlers 404 aufgegeben. Von etwa der gleichen Höhe wird über Leitung 509 angewärmtes Kühlwasser entnommen, das in der Turbine 410 entspannt und auf den Verdunstungskühler 413 aufgegeben wird.
Alternativ zur Leitung 509 kann der Eintritt der Turbine 410 mit dem Eintritt oder dem Austritt der Pumpe 508 verbunden sein (Leitung 409a beziehungsweise 409b).

Claims (14)

1. Maschinensystem mit einer Entspannungsmaschine (1, 103, 410) zur Verminderung des Drucks eines ersten Prozess-Fluids (3, 5, 409, 509, 509a, 509b, 517) und mit einer Pumpe (2, 416, 548) zur Erhöhung des Drucks eines zweiten Prozess-Fluids (9, 415, 547), das in flüssiger Form vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsmaschine (1, 103, 410) und die Pumpe (2, 416, 548) mechanisch gekoppelt (13, 14, 15) sind.
2. Maschinensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Getriebe (13), das zwischen der Entspannungsmaschine (1, 103, 410) und der Pumpe (2, 416, 548) angeordnet ist.
3. Maschinensystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen elektrischen Generator (201) und/oder einen Motor (401), der mit der Entspannungsmaschine (1, 103, 410) und der Pumpe (2, 416, 548) mechanisch gekoppelt (14, 15, 215) ist.
4. Maschinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsmaschine (1, 103, 410) als Flüssigkeits- Entspannungsmaschine, insbesondere als Flüssigturbine ausgebildet ist.
5. Maschinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (2, 416, 548) als Tieftemperatur-Pumpe ausgebildet ist.
6. Maschinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, die eine Bypass-Leitung (23) um die Entspannungsmaschine (1, 103, 410) und/oder eine Bypass-Leitung (20) um die Pumpe (2, 416, 548) aufweist.
7. Anwendung eines Maschinensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Verfahren zur Erzeugung von Druckgas, wobei ein Einsatzgasstrom (400) in einem Gasverdichter (403) verdichtet und in einen Direktkontaktkühler (404) eingeleitet wird, der verdichtete Einsatzgasstrom in dem Direktkontaktkühler in direktem Wärmeaustausch mit einem flüssigen Kühlfluid (406, 407, 507) abgekühlt wird, flüssiges Kühlfluid (409, 509, 509a, 509b) aus dem Direktkontaktkühler abgezogen oder von außen zugeführt, in der Entspannungsmaschine (410) des Maschinensystems entspannt und in einen Verdunstungskühler (413) eingeleitet wird, das entspannte Kühlfluid in dem Verdunstungskühler in direktem Wärmeaustausch mit einem Gas (414) abgekühlt wird, abgekühltes Kühlfluid (415) flüssig aus dem Verdunstungskühler abgezogen, in der Pumpe (416) des Maschinensystems auf Druck gebracht und wieder in den Direktkontaktkühler (404) eingeleitet (406) wird.
8. Anwendung nach Anspruch 7, wobei der Einsatzgasstrom (400) durch Luft gebildet wird.
9. Anwendung nach Anspruch 8, wobei der verdichtete Einsatzgasstrom (405) einer Luftzerlegungsanlage, insbesondere einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage, zugeführt wird.
10. Anwendung eines Maschinensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Zerlegung eines Einsatzgemischs in einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Rektifiziersäule (511, 512) aufweist, wobei bei dem Verfahren das Einsatzgemisch (501) in die beziehungsweise eine der Rektifiziersäulen (511, 512) eingeleitet (510, 519, 523) wird, wobei ein Prozess-Strom (517), der aus der beziehungsweise einer der Rektifiziersäulen stammt oder für die beziehungsweise eine der Rektifiziersäulen (511, 512) bestimmt ist, in der Entspannungsmaschine (103) des Maschinensystems arbeitsleistend entspannt wird, und dem Rektifiziersystem eine Produktfraktion (546, 547) flüssig entnommen, mittels der Pumpe (548) des Maschinensystems in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, durch indirekten oder direkten Wärmeaustausch (508a) mit einem Wärmeträger-Fluid (506) verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (550) abgezogen wird.
11. Anwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträger- Fluid (506, 517) stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs (508a) als Prozess-Strom der arbeitsleistenden Entspannung (103) zugeführt wird.
12. Vorrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung eines Einsatzgemischs mit einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Rektifiziersäule (511, 512) aufweist, und mit einem Maschinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Einsatzleitung (5 01), die mit der beziehungsweise einer der Rektifiziersäulen (511, 512) verbunden ist, mit einer Zuleitung (517) zur Einführung eines Prozess-Stroms, der aus der beziehungsweise einer der Rektifiziersäulen stammt oder für die beziehungsweise eine der Rektifiziersäulen bestimmt ist, in die Entspannungsmaschine (103) des Maschinensystems, mit einer Flüssigleitung (546, 547) zur Zuführung einer flüssigen Produktfraktion aus dem Rektifiziersystem zum Eintritt der Pumpe (548) des Maschinensystems und mit einem Mittel (508a) zur Verdampfung der in der Pumpe (548) auf Druck gebrachten Produktfraktion durch indirekten oder direkten Wärmeaustausch mit einem Wärmeträger-Fluid, wobei dieses Mittel mit einer Druckprodukt-Leitung (550) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Verdampfung als Wärmetauscher (508a) zum indirekten Wärmeaustausch des in der Pumpe (548) auf Druck gebrachten Produkt-Fluids mit dem Wärmeträger-Fluid ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Mittel (517) zur Einleitung des Wärmeträger-Fluids aus dem Wärmetauscher (508a) in die Entspannungsmaschine (103).
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