DE102006012241A1 - Method and apparatus for the cryogenic separation of air - Google Patents

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20), das mindestens eine Trennsäule (21, 22) aufweist. Ein Hauptluftstrom (1, 5) wird in einem Luftverdichter (2) verdichtet und in einer Reinigungsvorrichtung (4) gereinigt. Ein erster und ein zweiter Luftstrom (7, 8) werden aus dem Hauptluftstrom (5) abgezweigt. Der erste Luftstrom (7) wird in zwei seriell verbundenen Nachverdichtern (10, 13) nachverdichtet. Der nachverdichtete erste Luftstrom (15) wird durch indirekten Wärmeaustausch (16) abgekühlt und mindestens teilweise verflüssigt oder pseudoverflüssigt und anschließend in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20) eingeleitet. Der zweite Luftstrom (8) wird durch indirekten Wärmeaustausch (16) abgekühlt und anschließend in zwei Teilströme (24, 27) aufgeteilt, in zwei Entspannungsmaschinen (25, 28) arbeitsleistend entspannt, wobei die beiden Entspannungsmaschinen im Wesentlichen den gleichen Eintrittsdruck aufweisen. Die arbeitsleistend entspannten Teilströme (26, 29) des zweiten Luftstroms werden mindestens zum Teil in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20) eingeleitet (30, 129). Die bei der arbeitsleistenden Entspannung (25, 28) des zweiten Luftstroms erzeugte mechanische Energie wird mindestens teilweise zum Antrieb der beiden seriell verbundenen Nachverdichter (10, 13) genutzt. Ein flüssiger Produktstrom (31) ...The method and the device are used for the low-temperature separation of air with a distillation column system for nitrogen-oxygen separation (20), which has at least one separation column (21, 22). A main air stream (1, 5) is compressed in an air compressor (2) and cleaned in a cleaning device (4). A first and a second air flow (7, 8) are branched off from the main air flow (5). The first air stream (7) is post-compressed in two series-connected post-compressors (10, 13). The post-compressed first air stream (15) is cooled by indirect heat exchange (16) and at least partially liquefied or pseudo-liquefied and then introduced into the distillation column system for nitrogen-oxygen separation (20). The second air stream (8) is cooled by indirect heat exchange (16) and then divided into two partial streams (24, 27), relaxed in two expansion machines (25, 28) while performing work, the two expansion machines having essentially the same inlet pressure. The work-relieved partial streams (26, 29) of the second air stream are at least partially introduced (30, 129) into the distillation column system for nitrogen-oxygen separation (20). The mechanical energy generated during the relaxation of work (25, 28) of the second air stream is at least partially used to drive the two series-connected post-compressors (10, 13). A liquid product stream (31) ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a process for the cryogenic separation of Air according to the generic term of claim 1

Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt.method and devices for cryogenic separation of air are the Example from Hausen / Linde, cryogenic technology, 2nd edition 1985, chapter 4 (pages 281 to 337) known.

Das Destilliersäulen-System der Erfindung kann als Einsäulensystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung ausgebildet sein, als Zweisäulensystem (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehrsäulensystem. Zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung können weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen vorgesehen sein, beispielsweise eine Argon- oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.The Distillation column system The invention can be used as a single pillar system for nitrogen-oxygen separation be formed as a two-pillar system (For example, as a classic Linde double column system), or as Three or more column system. additionally to the columns for nitrogen-oxygen separation can more Devices for obtaining other air components, in particular of Noble gases may be provided, for example an argon or a Krypton-xenon recovery.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren, in dem mindestens ein gasförmiges Druckprodukt gewonnen wird, indem ein flüssiger Produktstrom aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht und unter diesem erhöhten Druck durch indirektem Wärmeaustausch verdampft oder (bei überkritischem Druck) pseudo-verdampft wird. Derartige Innenverdichtungsverfahren sind zum Beispiel bekannt aus DE 830805 , DE 901542 (= US 2712738/US 2784572), DE 952908 , DE 1103363 (= US 3083544 ), DE 1112997 (= US 3214925 ), DE 1124529 , DE 1117616 (= US 3280574 ), DE 1226616 (= US 3216206 ), DE 1229561 (= US 3222878 ), DE 1199293 , DE 1187248 (= US 3371496 ), DE 1235347 , DE 1258882 (= US 3426543 ), DE 1263037 (= US 3401531 ), DE 1501722 (= US 3416323 ), DE 1501723 (= US 3500651 ), DE 2535132 (= US 4279631 ), DE 2646690 , EP 93448 B1 (= US 4555256 ), EP 384483 B1 (= US 5036672 ), EP 505812 B1 (= US 5263328 ), EP 716280 B1 (= US 5644934 ), EP 842385 B1 (= US 5953937 ), EP 758733 B1 (= US 5845517 ), EP 895045 B1 (= US 6038885 ), DE 19803437 A1 , EP 949471 B1 (= US 6185960 B1 ), EP 955509 A1 (= US 6196022 B1 ), EP 1031804 A1 (= US 6314755 ), DE 19909744 A1 , EP 1067345 A1 (= US 6336345 ), EP 1074805 A1 (= US 6332337 ), DE 19954593 A1 , EP 1134525 A1 (= US 6477860 ), DE 10013073 A1 , EP 1139046 A1 , EP 1146301 A1 , EP 1150082 A1 , EP 1213552 A1 , DE 10115258 A1 , EP 1284404 A1 (= US 2003051504 A1 ), EP 1308680 A1 (= US 6612129 B2 ), DE 10213212 A1 , DE 10213211 A1 , EP 1357342 A1 oder DE 10238282 A1 . Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus WO 2004/099690 bekannt.More particularly, the invention relates to a process in which at least one gaseous pressure product is recovered by withdrawing a liquid product stream from the nitrogen-oxygen separation distillation column system, bringing it to an elevated pressure in the liquid state, and evaporating it under this increased pressure by indirect heat exchange or (at supercritical pressure) is pseudo-evaporated. Such internal compression methods are known, for example DE 830805 . DE 901542 (= US 2712738 / US 2784572), DE 952908 . DE 1103363 (= US 3,083,544 ) DE 1112997 (= US 3214925 ) DE 1124529 . DE 1117616 (= US 3280574 ) DE 1226616 (= US 3216206 ) DE 1229561 (= US 3222878 ) DE 1199293 . DE 1187248 (= US 3371496 ) DE 1235347 . DE 1258882 (= US 3426543 ) DE 1263037 (= US 3401531 ) DE 1501722 (= US 3,416,323 ) DE 1501723 (= US 3,500,651 ) DE 2535132 (= US 4279631 ) DE 2646690 . EP 93448 B1 (= US 4555256 ) EP 384483 B1 (= US 5036672 ) EP 505812 B1 (= US 5263328 ) EP 716280 B1 (= US 5644934 ) EP 842385 B1 (= US 5953937 ) EP 758733 B1 (= US 5845517 ) EP 895045 B1 (= US 6038885 ) DE 19803437 A1 . EP 949471 B1 (= US 6,189,960 B1 ) EP 955509 A1 (= US 6196022 B1 ) EP 1031804 A1 (= US 6314755 ) DE 19909744 A1 . EP 1067345 A1 (= US 6336345 ) EP 1074805 A1 (= US 6332337 ) DE 19954593 A1 . EP 1134525 A1 (= US 6477860 ) DE 10013073 A1 . EP 1139046 A1 . EP 1146301 A1 . EP 1150082 A1 . EP 1213552 A1 . DE 10115258 A1 . EP 1284404 A1 (= US 2003051504 A1 ) EP 1308680 A1 (= US 6612129 B2 ) DE 10213212 A1 . DE 10213211 A1 . EP 1357342 A1 or DE 10238282 A1 , A method of the aforementioned type is known from WO 2004/099690.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung wirtschaftlich besonders günstig zu gestalten.Of the Invention is based on the object, such a method and a corresponding device economically particularly favorable shape.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass beide Nachverdichter mit einer Eintrittstemperatur betrieben werden, die höher als 250 K, insbesondere höher als 270 K ist.These Task is solved by that both booster operated at an inlet temperature be higher as 250 K, especially higher than 270K.

Beide Nachverdichter werden also im Warmen betrieben. Hierdurch kann man wohl erprobte Technik einsetzen, zum Beispiel zwei identische Turbinen-Booster-Kombinationen. Außerdem wird das Wärmetauscher-Volumen relativ gering und damit werden Investitionskosten gespart.Both After-compressors are therefore operated in the warm. This one can well-proven technology, for example, two identical turbine-booster combinations. In addition, will the heat exchanger volume relatively low and thus investment costs are saved.

Die Entspannungsmaschinen sind vorzugsweise als Turbinen ausgebildet. Sie weisen "im Wesentlichen denselben Einstrittsdruck" auf, das heißt ihre Eintrittsdrücke unterscheiden sich allenfalls durch verschiedene Druckverluste in Leitungen, Wärmetauscherpassagen oder Ähnlichem. Die Eintrittstemperaturen der beiden Entspannungsmaschinen sind gleich oder verschieden und liegen auf einem oder zwei Zwischenniveaus zwischen dem warmen und dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers.The Relaxation machines are preferably designed as turbines. They essentially point same inlet pressure ", that is theirs admission pressures differ at best by different pressure losses in Lines, heat exchanger passages or similar. The inlet temperatures of the two expansion machines are the same or different and are at one or two intermediate levels between the warm and the cold end of the main heat exchanger.

Die Erfindung ist auf Verfahren mit genau zwei Luftströmen und der Unterteilung des zweiten Luftstroms in genau zwei Teilströme anwendbar. Alternativ können bei der Erfindung auch ein oder mehrere zusätzliche Luftströme und/oder ein oder mehrere zusätzliche Teilströme eingesetzt werden. Beispielsweise ist es möglich, drei oder mehr Entspannungsmaschinen einzusetzen. Diese können, müssen aber nicht, eintrittsseitig parallel geschaltet sein.The Invention is to method with exactly two air streams and the subdivision of the second air flow in exactly two streams applicable. Alternatively you can in the invention also one or more additional air streams and / or one or more additional ones substreams be used. For example, it is possible to have three or more relaxation machines use. These can, have to but not, be connected in parallel on the inlet side.

Die zwei oder mehr Entspannungsmaschinen der Erfindung können auch austrittsseitig parallel geschaltet sein, das heißt im Wesentlichen den gleichen Austrittsdruck und im Wesentlichen die gleiche Austrittstemperatur aufweisen. Alternativ dazu weisen mindestens zwei der eintrittsseitig parallel geschalteten Entspannungsmaschinen unterschiedliche Drücke auf.The Two or more relaxation machines of the invention may also be connected in parallel on the outlet side, that is essentially the same outlet pressure and substantially the same outlet temperature exhibit. Alternatively, at least two of the entry side parallel relaxation machines on different pressures.

Die Übertragung der mechanische Energie aus der arbeitsleistenden Entspannung wird vorzugsweise durch eine direkte mechanische Kopplung einer ersten der beiden parallel geschalteten Entspannungsmaschinen mit dem ersten der beiden seriell verbundenen Nachverdichter und durch eine direkte mechanische Kopplung der zweiten der beiden Entspannungsmaschinen mit dem zweiten der beiden Nachverdichter bewirkt.The transfer the mechanical energy from the work performing relaxation becomes preferably by a direct mechanical coupling of a first the two parallel relaxation machines with the first of the two serially connected booster and by a direct mechanical Coupling of the second of the two expansion machines with the second causes the two booster.

Besonders günstig ist die Anwendung der Erfindung auf ein Zwei- oder Mehr-Säulen-System, das mindestens eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, wobei der Betriebsdruck der Niederdrucksäule niedriger als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule ist.Particularly advantageous is the application of the invention to a two- or multi-column system having at least one high pressure column and a low pressure column, wherein the operating pressure of Low pressure column is lower than the operating pressure of the high pressure column.

Vorzugsweise wird ein erster der beiden Teilströme stromabwärts seiner arbeitsleistenden Entspannung in die Hochdrucksäule eingeleitet. Der Austrittsdruck der entsprechenden Entspannungsturbine liegt dabei etwa auf dem Niveau des Betriebsdrucks der Hochdrucksäule.Preferably becomes a first of the two sub-streams downstream of its work Relaxation in the high-pressure column initiated. The outlet pressure of the corresponding expansion turbine is approximately at the level of the operating pressure of the high pressure column.

Der zweite der beiden Teilströme kann dann ebenfalls auf etwa Hochdrucksäulendruck entspannt und beispielsweise gemeinsam mit den ersten in die Hochdrucksäule eingeleitet werden.Of the second of the two partial streams can then also relaxed to about high-pressure column pressure and, for example are introduced together with the first in the high-pressure column.

Alternativ dazu wird der zweite der beiden Teilströme des zweiten Luftstroms mindestens zum Teil in die Niederdrucksäule eingeleitet. Damit ist es möglich, den Austrittsdruck der entsprechenden Entspannungsturbine niedriger zu wählen und durch das erhöhte Druckverhältnis mehr Arbeit bei der Entspannung zu leisten und damit mehr Kälte zu erzeugen.alternative For this purpose, the second of the two partial flows of the second air flow is at least partly in the low pressure column initiated. This makes it possible the outlet pressure of the corresponding expansion turbine lower to choose and by the increased pressure ratio to do more work in terms of relaxation and thereby generate more cold.

Bei einem Drei- oder Mehr-Säulen-System, wenn also das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eine Hochdrucksäule, eine Mitteldrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, die unter verschiedenen Drücken betrieben werden, kann der erste Teilstrom mindestens zum Teil in die Hochdrucksäule und der zweite Teilstrom mindestens zum Teil in die Mitteldrucksäule und/oder die Niederdrucksäule eingeleitet werden.at a three or more pillar system, though So the distillation column system for nitrogen-oxygen separation, a high-pressure column, a medium-pressure column and a low pressure column which can be operated under different pressures can the first partial flow at least partially into the high-pressure column and the second partial flow at least partially into the medium-pressure column and / or the Low-pressure column be initiated.

In vielen Fällen ist es günstig, wenn der erste Luftstrom stromaufwärts des ersten Nachverdichters und der erste Luftstrom stromabwärts des zweiten Nachverdichters in indirekten Wärmeaustausch gebracht werden. Hierbei wird der erste Luftstrom vor dem ersten Nachverdichter angewärmt und nach dem zweiten Nachverdichter wieder abgekühlt. Damit tritt der erste Luftstrom mit einer Temperatur in den Hauptwärmetauscher ein, die niedriger als die Temperatur nach dem zweiten Nachverdichter beziehungsweise nach dessen Nachkühler ist. Typischerweise beträgt diese Temperaturdifferenz 1 bis 10 K, vorzugsweise 2 bis 5 K. Damit können die Produktströme unter niedrigerer Temperatur aus dem Hauptwärmetauscher abgeführt werden, was günstige Auswirkungen für die Vorkühlung der Luft und für das Kühlen des Molekularsiebs für die Luftreinigung hat.In many cases is it cheap when the first airflow upstream of the first booster and the first airflow downstream the second post-compressor are brought into indirect heat exchange. Here, the first air flow is warmed before the first booster and cooled again after the second booster. This is the first step Air flow at a temperature in the main heat exchanger, the lower as the temperature after the second booster or after its aftercooler is. Typically, this is this temperature difference 1 to 10 K, preferably 2 to 5 K. Thus can the product streams be removed from the main heat exchanger at a lower temperature, what favorable effects for the Pre-cooling the air and for the cooling of the molecular sieve for the air purification has.

Alternativ oder zusätzlich werden klassische Zwischen- beziehungsweise Nachkühler eingesetzt, welche die in den Nachverdichtern anfallende Kompression durch indirekten Wärmeaustausch mit einem externen Kühlmittel, beispielsweise mit Kühlwasser, entfernen. Hierbei können ein oder zwei Nachkühler eingesetzt werden, indem nur der erste Nachverdichter, nur der zweite Nachverdichter oder beide Nachverdichter je einen Nachkühler aufweisen. Grundsätzlich ist es auch möglich, auf Nachkühler und den oben beschriebenen indirekten Wärmeaustausch vollständig zu verzichten. In der Regel weist jedoch mindestens der erste Nachverdichter einen Nachkühler (Zwischenkühler) auf.alternative or additionally Are used classic intermediate and aftercooler, which the compression in the booster compressors by indirect heat exchange with an external coolant, for example, with cooling water, remove. Here you can one or two aftercoolers be used by only the first booster, only the second After-compressor or both booster each have an aftercooler. in principle it is also possible on aftercooler and the above-described indirect heat exchange completely without. In general, however, at least the first post-compressor an aftercooler (Intercooler) on.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 9.The Invention also relates a device for cryogenic separation of air according to claim 9th

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:The Invention and further details of the invention are hereinafter Based on schematically illustrated in the drawings embodiments explained in more detail. in this connection demonstrate:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und 1 a first embodiment of the invention and

2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit Kaltverdichter. 2 a second embodiment with a cold compressor.

In dem Ausführungsbeispiel von 1 wird atmosphärische Luft als Hauptluftstrom über Leitung 1 von einem Luftverdichter 2 angesaugt, dort auf einen ersten Druck von 10 bis 30 bar, vorzugsweise etwa 19 bar gebracht, in einer Vorkühlung 3 auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt und einer adsorptiven Luftreinigung 4 zugeführt. Der gereinigte Hauptluftstrom 5 wird bei 6 in einen ersten Luftstrom 7 und einen zweiten Luftstrom 8 verzweigt.In the embodiment of 1 atmospheric air becomes the main airflow over the pipe 1 from an air compressor 2 sucked, there to a first pressure of 10 to 30 bar, preferably brought about 19 bar, in a pre-cooling 3 cooled to about ambient temperature and an adsorptive air cleaning 4 fed. The purified main air flow 5 is at 6 in a first airflow 7 and a second airflow 8th branched.

Der erste Luftstrom wird in einem Booster-Wärmetauscher 9 auf etwa Kühlwassertemperatur angewärmt und in einem ersten Nachverdichter 10 weiter auf einen Zwischendruck von 15 bis 60 bar, vorzugsweise etwa 25 bar verdichtet. Anschließend wird die Verdichtungswärme mindestens teilweise in einem ersten Nachkühler 11 entfernt. Der erste Luftstrom 12 wird dann in einem zweiten Nachverdichter 13 noch weiter auf einen Enddruck von 22 bis 90 bar, vorzugsweise etwa 40 bar komprimiert und anschließend in einem zweiten Nachkühler 14 und dem Booster-Wärmetauscher 9 auf etwas über Kühlwassertemperatur angewärmt. Unter diesem Enddruck tritt der erste Luftstrom 15 in einen Hauptwärmetauscher 16 ein und wird dort abgekühlt und verflüssigt, beziehungsweise (bei überkritischem Druck) pseudo-verflüssigt. Der kalte erste Luftstrom 17 wird auf einen Druck von 4 bis 10 bar, vorzugsweise etwa 6 bar entspannt (in dem Beispiel in einem Drosselventil 18) und unter diesem Druck in mindestens teilweise flüssigem Zustand über Leitung 19 in die Hochdrucksäule 21 eines Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 20 eingeleitet, das außerdem eine Niederdrucksäule 22, einen nicht dargestellten Kondensator-Verdampfer und einen Unterkühlungs-Gegenströmer 23 aufweist.The first air stream is in a booster heat exchanger 9 warmed to about the cooling water temperature and in a first after-compressor 10 further compressed to an intermediate pressure of 15 to 60 bar, preferably about 25 bar. Subsequently, the heat of compression is at least partially in a first aftercooler 11 away. The first airflow 12 is then in a second booster 13 still further compressed to a final pressure of 22 to 90 bar, preferably about 40 bar and then in a second aftercooler 14 and the booster heat exchanger 9 warmed up to something above the cooling water temperature. Under this final pressure occurs the first air flow 15 into a main heat exchanger 16 and is there cooled and liquefied, or (at supercritical pressure) pseudo-liquefied. The cold first airflow 17 is relaxed to a pressure of 4 to 10 bar, preferably about 6 bar (in the example in a throttle valve 18 ) and under this pressure in at least partially liquid state via line 19 in the high pressure column 21 a distillation column system for nitrogen-oxygen separation 20 introduced, which also has a low pressure column 22 , a condenser-evaporator, not shown, and a subcooling countercurrent 23 having.

Nicht nachverdichtet wird der zweite Luftstrom 8. Er wird unter dem ersten Druck in den Hauptwärmetauscher 16 eingeleitet und dort auf eine Zwischentemperatur von 125 bis 200 K, vorzugsweise etwa 140 K abgekühlt. Der zweite Luftstrom wird bei dieser Zwischentemperatur in zwei Teilströme 24, 27 verzweigt und der arbeitsleistenden Entspannung in zwei parallel geschalteten Turbinen 25, 28 unterworfen, die beide auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule 21 entspannen. Die beiden entspannten Teilströme 26, 29 werden wieder vereinigt und über Leitung 30 im Wesentlichen im Gaszustand in die Hochdrucksäule 21 eingeleitet.Not compressed is the second air flow 8th , He is under the first pressure in the Main heat exchanger 16 introduced and cooled there to an intermediate temperature of 125 to 200 K, preferably about 140 K. The second air flow is at this intermediate temperature in two partial streams 24 . 27 Branched and work-performing relaxation in two parallel turbines 25 . 28 subjected, both at about the operating pressure of the high pressure column 21 relax. The two relaxed partial flows 26 . 29 will be reunited and lead over 30 essentially in the gas state in the high pressure column 21 initiated.

Aus der Niederdrucksäule 22 des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 20 wird direkt oder über einen Flüssigtank Sauerstoff 31 als "flüssiger Produktstrom" abgezogen, durch eine Pumpe 32 in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck von 4 bis 70 bar, vorzugsweise etwa 40 bar gebracht. Unter diesem erhöhten Druck wird der flüssige beziehungsweise überkritische Sauerstoff 33 in dem Hauptwärmetauscher 16 durch indirektem Wärmeaustausch mit dem ersten Luftstrom verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Der Sauerstoff wird schließlich als gasförmiger Produktstrom 34 abgegeben. Aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 20 können ein oder mehrere weitere Produkt- oder Restströme 35 über den Hauptwärmetauscher abgezogen werden. Zusätzlich oder alternativ zu der in den Zeichnungen dargestellten Innenverdichtung von Sauerstoff kann auch Stickstoff, beispielsweise aus dem Hauptkondensator oder aus der Hochdrucksäule des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 20 auf analoge Weise innenverdichtet werden.From the low pressure column 22 the distillation column system for nitrogen-oxygen separation 20 is oxygenated directly or through a liquid tank 31 deducted as a "liquid product stream" by a pump 32 brought in the liquid state to an elevated pressure of 4 to 70 bar, preferably about 40 bar. Under this increased pressure, the liquid or supercritical oxygen 33 in the main heat exchanger 16 vaporized or pseudo-evaporated by indirect heat exchange with the first air stream and warmed to about ambient temperature. The oxygen eventually becomes a gaseous product stream 34 issued. From the distillation column system for nitrogen-oxygen separation 20 may contain one or more additional product or residual streams 35 be deducted via the main heat exchanger. In addition or as an alternative to the internal compression of oxygen shown in the drawings, nitrogen may also be present, for example from the main condenser or from the high-pressure column of the distillation column system for nitrogen-oxygen separation 20 be densified in an analogous manner.

In dem Ausführungsbeispiel der 1 sind die erste Turbine 25 und der erste Nachverdichter 10 sowie die zweite Turbine 28 und der zweite Nachverdichter 13 über jeweils eine gemeinsame Welle paarweise mechanisch gekoppelt.In the embodiment of 1 are the first turbine 25 and the first booster 10 as well as the second turbine 28 and the second after-compressor 13 mechanically coupled in pairs via a common shaft.

Der Booster-Wärmetauscher 9 und der Nachkühler 14 sind optional. Sie können einzeln oder insgesamt weggelassen werden.The booster heat exchanger 9 and the aftercooler 14 are optional. They can be omitted individually or altogether.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das zwei Abwandlungen gegenüber dem Verfahren von 1 enthält, die beide unabhängig voneinander anwendbar sind. Gleiche oder vergleichbare Verfahrensschritte tragen dieselben Bezugszeichen wie in 1. 2 shows an embodiment, the two modifications to the method of 1 which are both applicable independently. The same or comparable method steps bear the same reference numerals as in FIG 1 ,

Die erste Abwandlung betrifft den Austrittsdruck der zweiten Turbine 28. Diese entspannt hier auf 1,2 bis 4 bar, vorzugsweise etwa 1,4 bar, also etwa den Betriebsdruck der Niederdrucksäule 22. Der entspannte Unterteilstrom 129 wird anschließend in die Niederdrucksäule eingeblasen. Die Eintrittsdrücke der beiden Turbinen 25, 28 sind aber nach wie vor gleich, die Eintrittstemperaturen können gleich oder verschieden sein.The first modification relates to the outlet pressure of the second turbine 28 , This relaxes here to 1.2 to 4 bar, preferably about 1.4 bar, that is about the operating pressure of the low pressure column 22 , The relaxed sub-stream 129 is then blown into the low pressure column. The inlet pressures of the two turbines 25 . 28 but are still the same, the inlet temperatures may be the same or different.

In einer zweiten Abwandlung ist der zweite Nachverdichter 113 als Kaltverdichter ausgebildet. Der erste Luftstrom 12a, 12b, 12c wird daher bereits unter dem Zwischendruck in den Hauptwärmetauscher 16 eingeführt und bei einer zweiten Zwischentemperatur von 120 bis 180 K, vorzugsweise etwa 48 K wieder aus dem Hauptwärmetauscher 16 entnommen. Diese zweite Zwischentemperatur kann kleiner oder gleich der Eintrittstemperatur der Turbinen 25, 28 sein, vorzugsweise ist sie – entgegen der Darstellung in der Zeichnung – höher. Stromabwärts der Kaltverdichtung 113 wird der zweite Luftstrom 115 bei einer dritten Zwischentemperatur, die höher als die Turbinen-Eintrittstemperatur ist und 140 bis 220 K, vorzugsweise etwa 180 K beträgt wieder in den Hauptwärmetauscher 16 eingeführt.In a second modification, the second post-compressor is 113 designed as a cold compressor. The first airflow 12a . 12b . 12c Therefore, it is already under the intermediate pressure in the main heat exchanger 16 introduced and at a second intermediate temperature of 120 to 180 K, preferably about 48 K again from the main heat exchanger 16 taken. This second intermediate temperature may be less than or equal to the inlet temperature of the turbines 25 . 28 Preferably, it is - contrary to the representation in the drawing - higher. Downstream of the cold compression 113 becomes the second airflow 115 at a third intermediate temperature which is higher than the turbine inlet temperature and 140 to 220 K, preferably about 180 K is again in the main heat exchanger 16 introduced.

Abweichend von dem Ausführungsbeispiel in 2 kann der zweite Luftstrom stromaufwärts des kalten Nachverdichters 113 auch bis zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 16 geführt und dabei mindestens teilweise verflüssigt werden: Er wird dann anschließend leicht abgedrosselt, wieder in das kalte Ende des Hauptwärmetauschers eingeführt, wieder verdampft und schließlich bis zur Eintrittstemperatur des Verdichters 113 angewärmt, wie es beispielsweise in EP 1067345 B1 im Einzelnen erläutert ist.Notwithstanding the embodiment in 2 the second air stream can be upstream of the cold post-compressor 113 even to the cold end of the main heat exchanger 16 It is then slightly throttled, then re-introduced into the cold end of the main heat exchanger, evaporated again and finally up to the inlet temperature of the compressor 113 warmed up, as for example in EP 1067345 B1 is explained in detail.

Claims (9)

Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20), das mindestens eine Trennsäule (21, 22) aufweist, bei dem – ein Hauptluftstrom (1, 5) in einem Luftverdichter (2) verdichtet und in einer Reinigungsvorrichtung (4) gereinigt wird, – ein erster und ein zweiter Luftstrom (7, 8) aus dem Hauptluftstrom (5) abgezweigt werden, – der erste Luftstrom (7) in zwei seriell verbundenen Nachverdichtern (10, 13) nachverdichtet wird, – der nachverdichtete erste Luftstrom (15) durch indirekten Wärmeaustausch (16) abgekühlt und mindestens teilweise verflüssigt oder pseudo-verflüssigt und anschließend in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20) eingeleitet wird, – der zweite Luftstrom (8) durch indirekten Wärmeaustausch (16) abgekühlt und anschließend, in zwei Teilströme (24, 27) aufgeteilt, in zwei Entspannungsmaschinen (25, 28) arbeitsleistend entspannt wird, wobei die beiden Entspannungsmaschinen im Wesentlichen den gleichen Eintrittsdruck aufweisen, – die arbeitsleistend entspannten Teilströme (26, 29) des zweiten Luftstroms mindestens zum Teil in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20) eingeleitet (30, 129) werden, – die bei der arbeitsleistenden Entspannung (25, 28) des zweiten Luftstroms erzeugte mechanische Energie mindestens teilweise zum Antrieb der beiden seriell verbundenen Nachverdichter (10. 13) genutzt wird, – ein flüssiger Produktstrom (31) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (32) und unter diesem erhöhten Druck durch indirekten Wärmeaustausch (16) mit dem ersten Luftstrom (15) verdampft oder pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiger Produktstrom (34) abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass beide Nachverdichter (10, 13) mit einer Eintrittstemperatur betrieben werden, die höher als 250 K, insbesondere höher als 270 K ist.Process for the cryogenic separation of air with a distillation column system for nitrogen-oxygen separation ( 20 ), the at least one separation column ( 21 . 22 ), in which - a main air flow ( 1 . 5 ) in an air compressor ( 2 ) and in a cleaning device ( 4 ), - a first and a second air stream ( 7 . 8th ) from the main air stream ( 5 ), - the first air stream ( 7 ) in two serially connected after-compressors ( 10 . 13 ) is recompressed, - the recompressed first air stream ( 15 ) by indirect heat exchange ( 16 ) and at least partially liquefied or pseudo-liquefied and then transferred to the distillation column system for nitrogen-oxygen separation ( 20 ), - the second air stream ( 8th ) by indirect heat exchange ( 16 ) and then, in two partial streams ( 24 . 27 ), in two relaxation machines ( 25 . 28 ) is relaxed work, wherein the two expansion machines have substantially the same inlet pressure, - the work-performing relaxed partial flows ( 26 . 29 ) of the second air stream at least in part in the distillation column system for nitrogen-oxygen separation ( 20 ) ( 30 . 129 ) become, - the work-related relaxation ( 25 . 28 ) of the second air flow generated at least partially for driving the two serially connected booster ( 10 , 13 ), - a liquid product stream ( 31 ) from the distillation column system for nitrogen-oxygen separation ( 20 ), brought to an elevated pressure in the liquid state ( 32 ) and under this increased pressure by indirect heat exchange ( 16 ) with the first air stream ( 15 ) vaporized or pseudo-vaporized and finally as a gaseous product stream ( 34 ), characterized in that both secondary compressors ( 10 . 13 ) are operated at an inlet temperature which is higher than 250 K, in particular higher than 270 K. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20) eine Hochdrucksäule (21) und eine Niederdrucksäule (22) aufweist.Process according to claim 1, characterized in that the distillation column system for nitrogen-oxygen separation ( 20 ) a high pressure column ( 21 ) and a low pressure column ( 22 ) having. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster (26) der beiden Teilströme des zweiten Luftstroms mindestens zum Teil in die Hochdrucksäule (21) eingeleitet (30) wird.Method according to claim 2, characterized in that a first ( 26 ) of the two partial streams of the second air stream at least partially into the high-pressure column ( 21 ) ( 30 ) becomes. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite (29) der beiden Teilströme des zweiten Luftstroms mindestens zum Teil in die Hochdrucksäule (21) eingeleitet (30) wird.Method according to claim 3, characterized in that the second ( 29 ) of the two partial streams of the second air stream at least partially into the high-pressure column ( 21 ) ( 30 ) becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite der beiden Teilströme des zweiten Luftstroms mindestens zum Teil in die Niederdrucksäule (22) eingeleitet (129) wird.Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that the second of the two partial streams of the second air flow at least partially into the low-pressure column ( 22 ) ( 129 ) becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eine Hochdrucksäule, eine Mitteldrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, wobei der erste Teilstrom mindestens zum Teil in die Hochdrucksäule und der zweite Teilstrom mindestens zum Teil in die Mitteldrucksäule und/oder die Niederdrucksäule eingeleitet wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the distillation column system for nitrogen-oxygen separation, a high-pressure column, a Medium pressure column and a low pressure column wherein the first partial flow at least partially into the high-pressure column and the second partial flow at least partially into the medium-pressure column and / or the low pressure column is initiated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Luftstrom stromaufwärts des ersten Nachverdichters und der erste Luftstrom stromabwärts des zweiten Nachverdichters in indirekten Wärmeaustausch (9) miteinander gebracht werden.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the first air stream upstream of the first post-compressor and the first air stream downstream of the second post-compressor in indirect heat exchange ( 9 ) are brought together. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nur der erste Nachverdichter, nur der zweite Nachverdichter oder beide Nachverdichter je einen Nachkühler (11, 14) aufweisen.Method according to one of Claims 1 to 7, characterized in that only the first after-compressor, only the second after-compressor or both after-compressors each have an after-cooler ( 11 . 14 ) exhibit. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20), das mindestens eine Trennsäule (21, 22) aufweist, mit – einem Luftverdichter (2) zur Verdichtung eines Hauptluftstroms (1) – Reinigungsvorrichtung (4) zur Reinigung des verdichteten Hauptluftstroms – Mitteln zum Abzweigen eines ersten und eines zweiten Luftstroms (7, 8) aus dem Hauptluftstrom (5), – zwei seriell verbundenen Nachverdichtern (10, 13) zum Nachverdichten des ersten Luftstroms (7), – Mitteln (16, 20) zum Abkühlen und Verflüssigen oder beziehungsweise Pseudo-Verflüssigen des nachverdichteten ersten Luftstroms (15) durch indirekten Wärmeaustausch und zu dessen Einleiten in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20), – Mitteln (16) zum Abkühlen des zweiten Luftstrom (8) durch indirekten Wärmeaustausch (16) auf eine Zwischentemperatur – zwei eintrittsseitig parallel geschalteten Entspannungsmaschinen (25, 28) zur arbeitsleistenden Entspannung des abgekühlten zweiten Luftstroms in zwei Teilströmen (24, 27), – Mitteln (26, 29, 30, 129) zum Einleiten der arbeitsleistend entspannten Teilströme (26, 29) des zweiten Luftstroms in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20), – Mitteln zur Übertragung der bei der arbeitsleistenden Entspannung (25, 28) des zweiten Luftstroms erzeugten mechanische Energie auf die beiden seriell verbundenen Nachverdichter (10. 13), – Mittel (31, 32, 33, 16, 34) zum Entnehmen eines flüssigen Produktstroms (31) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20), zur Druckerhöhung des flüssigen Produktstroms im flüssigen Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (32), zum Verdampfen oder Pseudo-Verdampfen unter diesem erhöhten Druck durch indirektem Wärmeaustausch mit dem ersten Luftstrom (15) und zum Abziehen als gasförmiger Produktstrom (34), dadurch gekennzeichnet, dass beide Nachverdichter (10, 13) mit Mitteln zur Zufuhr des ersten Luftstroms unter einer Eintrittstemperatur, die höher als 250 K, insbesondere höher als 270 K ist, verbunden sind.Apparatus for cryogenic separation of air for cryogenic separation of air with a distillation column system for nitrogen-oxygen separation ( 20 ), the at least one separation column ( 21 . 22 ), having - an air compressor ( 2 ) for the compression of a main air flow ( 1 ) - cleaning device ( 4 ) for cleaning the compressed main air flow - means for branching off a first and a second air flow ( 7 . 8th ) from the main air stream ( 5 ), - two serially connected booster compressors ( 10 . 13 ) for recompressing the first air stream ( 7 ), - means ( 16 . 20 ) for cooling and liquefying or pseudo-liquefying the post-compressed first air stream ( 15 ) by indirect heat exchange and its introduction into the distillation column system for nitrogen-oxygen separation ( 20 ), - means ( 16 ) for cooling the second air stream ( 8th ) by indirect heat exchange ( 16 ) to an intermediate temperature - two inlet side parallel relaxation machines ( 25 . 28 ) for work-performing expansion of the cooled second air stream into two partial streams ( 24 . 27 ), - means ( 26 . 29 . 30 . 129 ) for introducing the work-performing relaxed partial flows ( 26 . 29 ) of the second air stream into the distillation column system for nitrogen-oxygen separation ( 20 ), - means of transmission of work-related relaxation ( 25 . 28 ) of the second air flow generated mechanical energy to the two series-connected booster ( 10 , 13 ), - Medium ( 31 . 32 . 33 . 16 . 34 ) for removing a liquid product stream ( 31 ) from the distillation column system for nitrogen-oxygen separation ( 20 ), to increase the pressure of the liquid product stream in the liquid state to an elevated pressure ( 32 ) for vaporizing or pseudo-evaporation under this increased pressure by indirect heat exchange with the first air stream ( 15 ) and for stripping off as a gaseous product stream ( 34 ), characterized in that both secondary compressors ( 10 . 13 ) with means for supplying the first air flow at an inlet temperature which is higher than 250 K, in particular higher than 270 K.
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