DE102011121314A1 - Verfahren zur Erzeugung eines gasförmigen Sauerstoff-Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

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Abstract

Das Verfahren dient zur Erzeugung eines gasförmigen Sauerstoff-Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System (50, 51), das eine Hochdrucksäule (50) und eine Niederdrucksäule (51) aufweist. Die gesamte Einsatzluft wird in einem Hauptluftverdichter auf einen ersten Druck (p1) verdichtet, der mindestens 4 bar höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (50) ist. Mindestens ein Teil (2, 20, 40) der verdichteten Einsatzluft (1) wird in einem Hauptwärmetauscher-System (3) in indirektem Wärmeaustausch gegen mindestens einen Rückstrom (54, 58, 60, 62, 72) aus dem Destillationssäulen-System (50, 51) abgekühlt und in das Destillationssäulen-System (50, 51) eingeleitet. Ein erster Luftstrom (2, 4, 10, 12), der durch einen ersten Teil der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft (1) gebildet wird, wird in einem Booster-Verdichter (5) auf einen zweiten Druck (p2) nachverdichtet, der höher als der erste Druck (p1) ist. Der nachverdichtete erste Luftstrom (6) wird unter dem zweiten Druck (p1) dem Hauptwärmetauscher-System (3) zugeführt und dort auf eine erste Zwischentemperatur (T1) abgekühlt. Der abgekühlte erste Luftstrom (10) wird in einer ersten Turbine (11) arbeitsleistend entspannt. Mindestens ein Teil des arbeitsleistend entspannten ersten Luftstroms (12) wird in das Destillationssäulen-System (50, 51) eingeleitet. Ein zweiter Luftstrom (20), der durch einen zweiten Teil der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft (1) gebildet wird, wird dem Hauptwärmetauscher-System (3) zugeführt und dort auf eine zweite Zwischentemperatur (T2) abgekühlt. Der abgekühlte zweite Luftstrom (21) wird in einer zweiten Turbine (22) arbeitsleistend entspannt. Mindestens ein Teil des arbeitsleistend entspannten Zweiten Luftstroms (24) wird in das Destillationssäulen-System (50, 51) eingeleitet. Ein dritter Luftstrom (2, 4, 30, 32), der durch einen dritten Teil der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft (1) gebildet wird, wird in dem Booster-Verdichter (5) auf den Zweiten Druck (p2) nachverdichtet. Der nachverdichtete dritte Luftstrom (6) wird unter dem zweiten Druck (p2) dem Hauptwärmetauscher-System (3) zugeführt, im Hauptwärmetauscher-System (3) abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt und anschließend in das Destillationssäulen-System eingeleitet (7). Ein vierter Luftstrom (40), der durch einen vierten Teil der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft (1) gebildet wird, wird unter dem ersten Druck (p1) dem Hauptwärmetauscher-System (3) zugeführt, im Hauptwärmetauscher-System (3) abgekühlt und verflüssigt und anschließend in das Destillationssäulen-System eingeleitet (42). Ein flüssiger Sauerstoff-Produktstrom (52) wird aus dem Destillationssäulen-System (51) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (53), unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher-System (3) verdampft oder pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiger Sauerstoff-Druckproduktstrom (55) abgezogen. Entweder treibt die erste Turbine (11) den Booster-Verdichter (5) und die zweite Turbine (22) einen Generator (23) an, oder die zweite Turbine treibt den Booster-Verdichter und die erste Turbine einen Generator an.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 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.
  • Das Destillationssäulen-System der Erfindung kann als Zwei-Säulen-System (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehr-Säulen-System. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung hochreiner Produkte und/oder anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung und/oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung
  • Bei dem Prozess wird ein flüssig auf Druck gebrachter Sauerstoff-Produktstrom gegen einen Wärmeträger verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen. Diese Methode wird auch als Innenverdichtung bezeichnet. Sie dient zur Gewinnung von Drucksauerstoff. Für den Fall eines überkritischen Drucks findet kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne statt, der Produktstrom wird dann ”pseudo-verdampft”.
  • Gegen den (pseudo-)verdampfenden Produktstrom wird ein unter hohem Druck stehender Wärmeträger verflüssigt (beziehungsweise pseudo-verflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht). Als Wärmeträger wird häufig ein Teil der Luft eingesetzt, im vorliegenden Fall der ”dritte Luftstrom” und der ”vierte Luftstrom”, die beide aus der verdichteten Einsatzluft abgezweigt werden.
  • 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 253132 (= 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 81 ), 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 DE 10302389 A1 , DE 10334559 A1 , DE 10334560 A1 , DE 10332863 A1 , EP 1544559 A1 , EP 1585926 A1 , DE 10 2005 029 274 A1 EP 1666824 A1 , EP 1672301 A1 , DE 10 2005 028 012 A1 , WO 2007033838 A1 , WO 2007104449 A1 , EP 1845324 A1 , DE 10 2006 032 731 A1 , EP 1892490 A1 , DE 10 2007 014 643 A1 , A1, EP 2015012 A2 , EP 2015013 A2 , EP 2026024 A1 , WO 2009095188 A2 oder DE 10 2008 016 355 A1 .
  • Das ”Hauptwärmetauscher-System” dient zur Abkühlung von Einsatzluft in indirektem Wärmeaustausch mit Rückströmen aus dem Destillationssäulen-System. Es kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken.
  • Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus US5329776 bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das wirtschaftlich besonders günstig zu betreiben ist, indem es eine erhöhte Produktsausbeute, eine höhere Produktreinheit, geringere Betriebskosten und/oder geringere Investitionskosten aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Grundsätzlich kann im Booster-Verdichter auch nur die Drosselluft (dritter Luftstrom) oder auch die gesamte Turbinenluft (insbesondere erster, zweiter und dritter Luftstrom gemeinsam) auf einen höheren Druck als den Austrittsdruck des Hauptluftverdichters (”erster Druck”) nachverdichtet werden. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, dass die Kombination der folgenden Maßnahmen zu einem besonders günstigen Mengenverhältnis zwischen Turbinenstrom (erster oder zweiter Luftstrom, je nachdem, welche Turbine den Booster-Verdichter antreibt) und Boosterstrom (dritter Luftstrom) von etwa 1:1,1 führt:
    • – Nachverdichtung nur des ersten und des dritten Luftstroms
    • – Keine Nachverdichtung des zweiten und des vierten Luftstroms
    • – Entspannung des ersten Turbinenstroms (des ersten Luftstroms) vom zweiten Druck aus
    • – Entspannung des zweiten Turbinenstroms (des zweiten Luftstroms) vom ersten Druck aus
  • Das günstige Mengenverhältnis an der Turbinen-Booster-Kombination verbessert die Baubarkeit der entsprechenden Maschine sorgt für einen besonders hohen Wirkungsgrad des Booster-Verdichters.
  • Bei den Druckangaben in den Patentansprüchen werden die natürlichen Druckverluste nicht einbezogen. Drücke werden hier als ”gleich” angesehen, wenn der Druckunterschied zwischen den entsprechenden Stellen nicht größer als die natürlichen Leitungsverluste sind, die durch Druckverluste in Rohrleitungen, Wärmetauschern, Kühlern, Adsorbern etc. verursacht werden. Analog dazu befinden sich zwei Ströme auch dann auf ”gleicher Temperatur”, wenn sich ihre Temperaturen um einen Wert unterscheidet, der einem Temperaturunterschied durch natürliche Schwankungen oder durch übliche Isolationsverluste entlang einer Leitung entspricht.
  • Je eine der Turbinen ist mechanisch direkt mit dem Booster-Verdichter beziehungsweise mit einem Generator für elektrische Energie gekoppelt. Unter einer ”direkten mechanischen Kopplung” wird hier eine direkte Verbindung zwischen Entspannungsmaschine und Booster-Verdichter beziehungsweise Generator über eine gemeinsame Welle verstanden, insbesondere nicht über ein Getriebe. Die gekoppelten Maschinen weisen also die gleiche Drehzahl auf. Besonders günstig ist es, wenn die erste Turbine mit dem Booster-Verdichter gekoppelt und die zweite Turbine als Generator-Turbine ausgebildet ist.
  • Der ”erste Druck” (Austrittsdruck des Hauptluftverdichters) beträgt bei der Erfindung beispielsweise 6 bis 30 bar, vorzugsweise 10 bis 25 bar, der ”zweite Druck” (Austrittsdruck des Booster-Verdichters) beispielsweise 8 bis 50 bar, vorzugsweise 12 bis 40 bar.
  • Vorzugsweise ist die zweite Zwischentemperatur (T2) mindestens 2 K niedriger als die erste Zwischentemperatur (T1). Zum Beispiel liegt die erste Zwischentemperatur (Eintrittstemperatur der ersten Turbine) zwischen 115 und 135 K und die zweite Zwischentemperatur (Eintrittstemperatur der zweiten Turbine) zwischen 110 und 130 K.
  • Zusätzlich zum Sauerstoff-Druckproduktstrom kann auch Stickstoff als gasförmiges Druckprodukt gewonnen werden, indem ein flüssiger Stickstoff-Produktstrom aus dem Destillationssäulen-System entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher-System verdampft oder pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiger Stickstoff-Druckproduktstrom abgezogen wird.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es günstig, wenn der Booster-Verdichter als Kaltverdichter ausgebildet ist, also seine Eintrittstemperatur unterhalb von 210 K, insbesondere unterhalb von 170 K, beispielsweise unterhalb von 160 K liegt. Sie ist aber häufig höher als die erste Zwischentemperatur (Eintrittstemperatur der ersten Turbine). Beispielsweise beträgt die Eintrittstemperatur des Booster-Verdichters 125 bis 160 K.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Das Destillationssäulen-System des Ausführungsbeispiels weist in einer ersten Variante eine Hochdrucksäule 50 und eine Niederdrucksäule 51 als einzige Destillationssäulen auf, sowie einen nicht dargestellten Hauptkondensator, über den Hochdrucksäulen-Kopf und Niederdrucksäulen-Sumpf in wärmetauschender Verbindung stehen. Die Betriebsdrücke (jeweils am Kopf) betragen 5,4 bar in der Hochdrucksäule und 1,3 bar in der Niederdrucksäule.
  • Atmosphärische Luft wird in einem nicht dargestellten Hauptluftverdichter auf einen ersten Druck p1 von 12 bar verdichtet. Die auf den ersten Druck verdichtete Einsatzluft (1) wird (nach Vorkühlung und Reinigung, die ebenfalls nicht dargestellt sind) in vier Luftströme aufgeteilt, den ersten Luftstrom 10, den zweiten Luftstrom 20, den dritten Luftstrom 30 und den vierten Luftstrom 40. Vorzugsweise bilden diese vier Teilströme (bis auf mögliche kleinere Anteile wie zum Beispiel Instrumentenluft) die gesamte Einsatzluft und es gibt keine weiteren Luftteilströme, die in die in den Zerlegungsteil eingeführt werden.
  • Der erste Luftstrom wird über Leitung 2 dem warmen Ende des Hauptwärmetauscher-Systems 3 zugeleitet und zunächst auf eine Zwischentemperatur von 136 K abgekühlt. Unter dieser Zwischentemperatur wird er über Leitung 4 einem Booster-Verdichter 5 zugeleitet, der als Kaltverdichter ausgebildet ist, und darin auf einen zweiten Druck p2 von 17 bar nachverdichtet. Der nachverdichtete erste Teilstrom wird über Leitung 6 unter einer Temperatur von 156 K wieder dem Hauptwärmetauscher-System 3 zugeführt. Daraus wird der erste Teilstrom 10 unter einer ”ersten Zwischentemperatur” von 119 K wieder entnommen und der arbeitsleistenden Entspannung in einer ersten Turbine 11 zugeführt, die den Booster-Verdichter 5 über eine gemeinsame Welle antreibt. Der arbeitsleistend entspannte erste Teilstrom 12 wird schließlich unter einem Druck von 5,5 bar der Hochdrucksäule 50 zugeleitet.
  • Der zweite Luftstrom wird in dem Hauptwärmetauscher-System 3 auf eine ”zweite Zwischentemperatur” von 115 K abgekühlt. Der abgekühlte zweite Teilstrom 21 wird der arbeitsleistenden Entspannung in einer zweiten Turbine 22 zugeführt, die einen elektrischen Generator 23 antreibt. Der arbeitsleistend entspannte zweite Teilstrom 24 wird schließlich unter einem Druck von 5,5 bar über Leitung 7 der Hochdrucksäule 50 zugeleitet.
  • Der dritte Luftstrom 30 wird gemeinsam mit dem ersten durch die Leitungen 2, 4 und 6 und den Booster-Verdichter 5 geführt, durchströmt anschließend aber des Hauptwärmetauscher-System 3 bis zum kalten Ende. Dabei wird er verflüssigt. Nach Drosselung 31 auf den Hochdrucksäulendruck wird der gedrosselte dritte Luftstrom 32 über Leitung 7 in die Hochdrucksäule 50 eingespeist.
  • Der vierte Luftstrom 40 durchströmt das Hauptwärmetauscher-System 3 vom warmen bis zum kalten Ende unter dem ersten Druck p1. Nach Drosselung 41 auf den Hochdrucksäulendruck wird der gedrosselte vierte Luftstrom 42 über Leitung 7 in die Hochdrucksäule 50 eingespeist.
  • Ein flüssiger Sauerstoff-Produktstrom 52 wird aus der Niederdrucksäule 51 entnommen und in einer Sauerstoff-Pumpe 53 in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck von 28 bar gebracht. Der Hochdruck-Sauerstoff 54 wird im Hauptwärmetauscher-System 3 verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung 55 als gasförmiger Sauerstoff-Druckproduktstrom (GOX-IC) abgezogen.
  • Ein flüssiger Stickstoff-Produktstrom 56 wird aus der Hochdrucksäule 50 oder dem Hauptkondensator entnommen und in einer Stickstoff-Pumpe 57 in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck von 28 bar gebracht. Unter diesem erhöhten Druck wird er im Hauptwärmetauscher-System 3 verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung 59 als gasförmiger Stickstoff-Druckproduktstrom (GAN-IC) abgezogen.
  • Ein weiterer Stickstoff-Produktstrom 60 und eine Unrein-Stickstoffstrom 62 werden gasförmig aus der Niederdrucksäule 51 entnommen und im Hauptwärmetauscher-System 3 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über Leitung 61 als Niederdruck-Stickstoffprodukt (GAN) beziehungsweise über Leitung 63 als Regeneriergas verwendet.
  • In einer zweiten Variante weist das Destillationssäulen-System des Ausführungsbeispiels außerdem eine Argongewinnung auf, insbesondere mit einer Rohargonsäule und einer Reinargonsäule (beide in der Zeichnung nicht dargestellt). Flüssiges Reinargon 70 wird aus der Reinargonsäule entnommen und in einer Argon-Pumpe 71 in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck von 31 bar gebracht. Das Hochdruck-Argon 72 wird im Hauptwärmetauscher-System 3 verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung 73 als gasförmiger Argon-Druckproduktstrom (GAR-IC) abgezogen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (4)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines gasförmigen Sauerstoff-Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System (50, 51), das eine Hochdrucksäule (50) und eine Niederdrucksäule (51) aufweist, bei dem – die gesamte Einsatzluft in einem Hauptluftverdichter auf einen ersten Druck (p1) verdichtet wird, der mindestens 4 bar höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (50) ist, – mindestens ein Teil (2, 20, 40) der verdichteten Einsatzluft (1) in einem Hauptwärmetauscher-System (3) in indirektem Wärmeaustausch gegen mindestens einen Rückstrom (54, 58, 60, 62, 72) aus dem Destillationssäulen-System (50, 51) abgekühlt und in das Destillationssäulen-System (50, 51) eingeleitet wird, – ein erster Luftstrom (2, 4, 10, 12), der durch einen ersten Teil der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft (1) gebildet wird, in einem Booster-Verdichter (5) auf einen zweiten Druck (p2) nachverdichtet wird, der höher als der erste Druck (p1) ist, – der nachverdichtete erste Luftstrom (6) unter dem zweiten Druck (p1) dem Hauptwärmetauscher-System (3) zugeführt und dort auf eine erste Zwischentemperatur (T1) abgekühlt wird, – der abgekühlte erste Luftstrom (10) in einer ersten Turbine (11) arbeitsleistend entspannt wird, – mindestens ein Teil des arbeitsleistend entspannten ersten Luftstroms (12) in das Destillationssäulen-System (50, 51) eingeleitet wird, – ein zweiter Luftstrom (20), der durch einen zweiten Teil der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft (1) gebildet wird, dem Hauptwärmetauscher-System (3) zugeführt und dort auf eine zweite Zwischentemperatur (T2) abgekühlt wird, – der abgekühlte zweite Luftstrom (21) in einer zweiten Turbine (22) arbeitsleistend entspannt wird, – mindestens ein Teil des arbeitsleistend entspannten zweiten Luftstroms (24) in das Destillationssäulen-System (50, 51) eingeleitet wird, – ein dritter Luftstrom (2, 4, 30, 32), der durch einen dritten Teil der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft (1) gebildet wird, in dem Booster-Verdichter (5) auf den zweiten Druck (p2) nachverdichtet wird, – der nachverdichtete dritte Luftstrom (6) unter dem zweiten Druck (p2) dem Hauptwärmetauscher-System (3) zugeführt, im Hauptwärmetauscher-System (3) abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt und anschließend in das Destillationssäulen-System eingeleitet (7) wird, – ein vierter Luftstrom (40), der durch einen vierten Teil der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft (1) gebildet wird, unter dem ersten Druck (p1) dem Hauptwärmetauscher-System (3) zugeführt, im Hauptwärmetauscher-System (3) abgekühlt und verflüssigt und anschließend in das Destillationssäulen-System eingeleitet (42) wird, – ein flüssiger Sauerstoff-Produktstrom (52) aus dem Destillationssäulen-System (51) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (53), unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher-System (3) verdampft oder pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiger Sauerstoff-Druckproduktstrom (55) abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – entweder die erste Turbine (11) den Booster-Verdichter (5) und die zweite Turbine (22) einen Generator (23) antreibt – oder die zweite Turbine den Booster-Verdichter und die erste Turbine einen Generator antreibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zwischentemperatur (T2) mindestens 2 K niedriger als die erste Zwischentemperatur (T1) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Stickstoff-Produktstrom (56) aus dem Destillationssäulen-System entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (57), unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher-System (3) verdampft oder pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiger Stickstoff-Druckproduktstrom (59) abgezogen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Booster-Verdichter (5) als Kaltverdichter ausgebildet ist.
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