DE2933973A1

DE2933973A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von sauerstoff niedriger reinheit durch niedertemperaturrektifikation

Info

Publication number: DE2933973A1
Application number: DE19792933973
Authority: DE
Inventors: Walter Joseph Olszewski; John Harold Ziemer
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1978-08-23
Filing date: 1979-08-22
Publication date: 1980-02-28
Also published as: DE2933973C2; FR2434351B1; DE2953796C1; IN153048B; GB2028991A; ZA794302B; JPS5745993B2; CA1100863A; GB2028991B; JPS5563372A; FR2434351A1; US4224045A; DE2953795C1

Description

r. fj -

L-10891-G

UNION CARBIDE CORPORATION 270, Park Avenue, New York, N.Y. 10017, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit durch Niedertemperaturrektifikation

Die Erfindung befaßt sich mit der Niedertemperaturfraktionierung von Luft zwecks Bildung von Sauerstoff niedriger Reinheit und einem stickstoffreichen Strom. Unter dem Begriff ""Sauerstoff niedriger Reinheit" soll vorliegend ein Produkt mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 99,5 %verstanden werden.

Es i.Srt cfavGiT auszugehen, depß sehr großeMengen an Sauerstoff niedriger Reinheit von Prozessen.--benötigt werden, die derzeit rum umwandeln von Kohle in flüssige oder gasförmige Produkte entwickelt werden- Eine weitere Anwendung von Sauerstoff niedriger Reinheit ist ein Verfahren zum timwan-

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dein von Abfallstoffen in nutzbare gasförmige Produkte gemäß der US-PS 3 729 298. Infolgedessen ist ein Verfahren erwünscht, das in der Lage ist, Sauerstoff niedriger Reinheit in großen Mengen mit geringen Kosten herzustellen.

Eine bekannte Vorrichtung zur Niedertemperaturfraktionierung verwendet eine unter höherem Druck arbeitende Rektifikationskolonne (im folgenden kurz Hochdruckrektifikationsstufe genannt) deren oberes Ende in Wärmeaustausch mit dem unteren Ende einer unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationskolonne (im folgenden kurz als Niederdruckrektifikationsstufe bezeichnet) steht. Kalte, verdichtete Luft wird in der Hochdruckkolonne in eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit und eine stickstoffreiche Flüssigkeit zerlegt. Diese Flüssigkeiten werden in die Niederdruckkolonne überführt, um dort in stickstoffreiche und sauerstoffreiche Produkte zerlegt zu werden. Beispiele für eine solche Doppelkolonnen-Destillationsanlage sind in Ruheman's "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1945 erläutert.

Große Energiemengen sind notwendig, um die Einsatzluft für einen solchen Prozeß zu verdichten. Bei dem gegenwärtigen Anstieg der Energiekosten ist daher eine Energieeinsparung wichtig. Aus der US-PS 3 731 495 ist eine Vorrichtung zum Vermindern der für die Doppelkolonnen-Destillationsanlage

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benötigten Energie bekannt, bei der eine mit Stickstoff abgeschreckte Arbeitsturbine verwendet wird. Ein Teil der verdichteten Einsatzluft wird mit Brennstoff gemischt und verbrannt. Das heiße Verbrennungsgemisch wird dann mit stickstoffreichem Abgas von der Niederdruckkolonne abgeschreckt; das resultierende Gasgemisch wird in einer Arbeitsturbine entspannt. Die Entspannung liefert Energie für das Verdichten der der Anlage zugehenden Einsatzluft. Ein Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß der Druck des Gasgemischs, das in der Arbeitsturbine entspannt wird, nicht höher als derjenige des mit den Verbrennungsgasen gemischten Stickstoffabgases sein kann. Infolgedessen wäre es bei dem bekannten Verfahren nicht möglich, sowohl die Niederdruckkolonne als auch die Turbine mit ihren betreffenden optimalen Drücken arbeiten zu lassen, es sei denn, beide hätten den gleichen optimalen Druck. Es zeigte sich Jedoch, daß handelsüblich verfügbare Arbeitsturbinen in der Regel günstigste Einlaßdrücke haben, die über dem optimalen Arbeitsdruck der Niederdruckrektifikationskolonne einer typischen Luft-. Zerlegungsanlage liegen. Dies gilt selbst für die meisten ; der höheren als normalen Drücke, die bei der Niederdruckrektifikationskolonne der bekannten Einrichtung angewendet werden. Infolgedessen ist es bei der bekannten Anlage nicht möglich, für einen optimalen Betrieb sowohl der Destillationsanlage als auch der Arbeitsturbine zu sorgen.

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Eine weitere Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage, bei der eine Arbeitsturbine vorgesehen ist, ist aus der US-PS 2 520 862 bekannt. Bei dieser Anlage wird stickstoffreiches Abgas aus der Hochdruckkolonne mit einem Teil der verdichteten Einsatzluft gemischt. Dann wird Brennstoff in das Gemisch eingespritzt. Das Gemisch wird verbrannt und in einer Arbeitsturbine entspannt, wodurch Energie erzeugt wird, um die Einsatzluft für die Anlage zu verdichten. Auch in diesem Fall darf der Druck des in der Arbeitsturbine entspannten Gasgemischs nicht größer als der Druck des mit dem Verbrennungsgemisch vermischten Stickstoffs sein. Infolgedessen ist es bei dieser Anlage gleichfalls nicht möglich, den Druck des der Turbine zugeführten Gases und den Druck der Hochdruckkolonne unabhängig voneinander einzustellen, um einen optimalen Betrieb sowohl der Arbeitsturbine als auch der Destillationsanlage zu erreichen. Ein weiterer Kachteil der zuletzt genannten bekannten Anlage besteht darin, daß der von der Hochdruckrektifikationskolonne abgezogene Stickstoffstrom nicht für die Speisung der t^iederdruckrektifikatlanskolonne zur Verfügung, steht,, so daß für diese Kolonne Rücklauf entsprechend der tofenge des von der nochd*¹ trek stufe abgezogenen Stickstoffs fehlt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels eines Tieftemperaturverfahrens Sauerstoff niedriger Beinheit aus Luft unter Verwendung einer Deppeikalannen-Destiiloitiansanlage

und einer mit Stickstoff abgeschreckten Arbeitsturbine derart zu erzeugen, daß entweder die Destillationsanlage oder die Arbeitsturbine um mindestens 138 kPa dichter an dem jeweiligen optimalen Druck arbeiten können.

Mit der Erfindung soll es möglich sein, sowohl die Destillationsanlage als auch die Arbeitsturbine im wesentlichen mit dem jeweiligen optimalen Druck zu betreiben. Der Energiebedarf für die Sauerstofferzeugung soll vermindert werden .

Ein Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit durch Niedertemperaturrektifikation von Luft ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß

(a) Einsatzluft auf mindestens 585 kPa Verdichtet wird,

(b) die verdichtete Luft in einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufgeteilt wird,

(c) der erste Teil als Oxidationsmittel für einen Verbrennurtetsstrom mit Brennstoff gemischt wird, der Verbrennungssfrom in einer Brennzone auf einem Ztfrtddruck von mindestens 550 kPa zum Erhitzen des Verbrenmmgsstrortis gezündet wird,

der erhitzte Verbrennungsstrom in einer Arbeitsturbine unter Erzeugung von äußerer Arbeit entspannt wird, mindestens ein Teil der öußeren: Arbeit als Energie des Verdichten der Einsatziuft zurückgewonnen wird.

(g) der zweite Teil der verdichteten Luft gekühlt wird,

(h) die gekühlte Luft in eine Hochdruckrektifikationsstufe eingeleitet wird, deren oberes Ende in Wärmeaustausch mit dem unteren Ende einer Niederdruckrektifikationsstufe steht,

(i) die gekühlte Luft in der Hochdruckrektifikationsstufe in eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit und eine stickstoffreiche Flüssigkeit zerlegt wird,

(j) mindestens ein Teil der Flüssigkeit aus dem Verfahrensschritt (i) in die Niederdruckrektifikationsstufe zwecks Zerlegung in Sauerstoffgas niedriger Reinheit und in stickstoffreiches Gas übergeleitet wird,

(k) die Niederdruckrektifikationsstufe bei einem Druck betrieben wird/ der mindestens 135 kPä unter dem Zünddruck des Verfahrensschrittes (d) liegt,

(1) aus der Niederdruckrektifikationsstufe ein Prod^ktstrom aus Sauerstoff niedriger Reinheit und mindestens ein stickstofFreicher Gasstrom ausgetragen werden,

(m) mindestens ein Teil des im Verfanrensscnritt (1) ausgetragenen, stickstoffreichen Gases auf einen Druck verdichtet wird, der mindestens gleich dem Zünddruck des Verfahrensschrittes (d) ist, und

Cn-) der verdichtete, stickstoffreiche Strom stromaufwärts von der Arbeitsturbine in den Verbrennungsstrom eingeleitet wird.

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Eine Vorrichtung zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit durch Niedertemperaturrektifikation ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch

(a) einen Kompressor zum Verdichten von Einsatzluft auf einen Druck von mindestens 585 kPa,

(b) eine Verbrennungseinrichtung mit einer Brennkammer, einer Leitungsanordnung zum Überführen eines ersten Teils der verdichteten Einsatzluft von dem Kompressor (a) zu der Brennkammer, einer Einrichtung zum Einspeisen von Brennstoff in die Brennkammer und einer Leitungsanordnung zum Überleiten von Verbrennungsgas von der Brennkammer zu

(c) einer Turbine zum Entspannen des Verbrennungsgases auf einen niedrigeren Druck unter Erzeugung von äußerer Arbeit,

(d) eine Einrichtung zum Übertragen von äußerer Arbeit von der Turbine (cj zu dem Kompressor (a),

(e) eine Einrichtung zum Kühlen eines zweiten Teils der verdichteten Einsatzlufi,

(f) eine Doppelrektifikationskolojine mit einer mindestens bei einem Druck' von etwa 585 kPa arbeitenden Hochdruckstufe, einer Niederdruckstufe, einem Wärmetauscher, der das obere Ende der rlochdruckstuf e und das untere Ende der Niederdruckstufe verbindet, und einer gesonderten Leitungsanordnung zum Überführen von mit Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit und stickstoffreicher Flüssig-

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keit von der Hochdruckstufe zu der Niederdruckstufe,

(g) eine Leitungsanordnung zum Überleiten des gekühlten zweiten Teils der verdichteten Einsatzluft zu der Hochdruckstufe zwecks Rektifikation in dieser Stufe,

(h) einen Kompressor zum Verdichten von stickstoffreichem Gas auf einen Druck von mindestens 585 kPa,

(i) eine Leitungsanordnung zum Überführen von stickstoffreichem Gas von der Niederdruckrektifikationsstufe zum Kompressor (K),

(j) eine Leitungsanordnung zum Überleiten von stickstoffreichem Gas vom Kompressor (h) zur Verbrennungseinrichtung (b), und

(k) eine Leitungsanordnung zum Austragen von Sauerstoff niedriger Reinheit aus der Niederdruckrektifikationsstufe.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß der scKeinbar ineffektive Schritt, die Drücke des stickstoffreichen Gases vor dem Einbringen in den Verbrennungsstrom zwecks Entspannung in der Arbeitsttfrbine weiter zu erhö'Ken, den Gesamtenergiewirkungsgrad des Prozesses wesentlich; steigert. Wan würde erwarten, daß ein Verdichten des stickstoffreicKen Stroms, nur um ihn wieder zu en-tspcrnnen, einen resultierertden Verlust- des Energiewirkungsgrades verursacKen würde, weil der VerdicKtungspr&zeß> der mit einem Energiewirkungsgrad von weniger als 105 %^ dyrchgef ifKrt werden muß_t als eine un_-

nütze, Energie verzehrende Zwischenstufe erscheinen würde. Es wurde jedoch gefunden, daß der schlechte Wirkungsgrad bei der Durchführung der zusätzlichen Stickstoffkompressionsstufe durch die Wirkungsgradsteigerung mehr als kompensiert wird, die sich daraus ergibt, daß entweder die Arbeitsturbine oder die Luftzerlegungsanlage in besserer Annäherung an den jeweils günstigsten Druck betrieben werden können. Durch Verdichten des stickstoffreichen Gasstroms auf einen Druck, der dem optimalen Einlaßdruck der Arbeitsturbine nahekommt, kann auch das gesamte Verbrennungssystem auf diesem Druck arbeiten; der in der Arbeitsturbine entspannte Gasstrom kann sich auf dem günstigsten Einsatzdruck der Turbine befinden.

unter dem Begriff "kühlen" soll vorliegend ein Abkühlen eines Stroms auf einen Wert nahe seinem Taupunkt verstanden werden. Ein bevorzugtes Vorgehen beim Kühlen der der Doppelkolonnen-Destillationsanlage zygeföhrten Luft besteht darin, daß für einen Wärmeaustausch mit kalten Produkten der Destillatioßsartlage in einem bekannten- Reversierwärmetauscher gesorgt wird. Durch das Kühlen werderv auch hochsiedende Vertmreiriig-tingiett_t beispielsweise Wasser tmd Kohlendioxid aus der Einsrenfcziuft beseitigt.

ÜTvter dem Begriff ""Wirkungsgrad" einer Arbeitsturbirte soll vorliegend das Verhältnis zwischen, der an der Turbinrenwelle abgegebenen Arbeit trnd der Ober derv Brennstoff zugeführten

Wärme verstanden werden.

Der Begriff "optimaler oder günstigster Einlaßdruck" bezeichnet vorliegend den Einlaßdruck, bei dem eine Arbeitsturbine für eine gegebene Gruppe von Einlaßbedingungen,, mit Ausnahme des Druckes, ihren maximalen Wirkungsgrad erreicht.

Unter dem Begriff "optimaler oder günstigster Arbeitsdruck" wird vorliegend der Arbeitsdruck einer Rektifikationsstufe
verstanden, bei dem der Energiebedarf der Luftzerlegungsanlage für einen gegebenen Sauerstoffproduktstrom-Abgabedruck ein Minimum erreicht.

Mit "Produktstrom¹¹ wird vorliegend ein in der Luftzerlegungskolonne abgetrennter und ovs der Luftzerlegungsanlage abgeführter Strom verstanden, der nicht mit dem ersten Teil der verdichteten Luft gemischt und in der Arbeitsturbine entspannt wird.

Alle prozentualen Zusammensetzungen sind vorliegend in
Molprozenten angegeben.

Der bevorzugte Sauerstoffgehalt des Sauerstoffprodukts niedriger Reinheit liegt über 90 % und vorzugsweise zwischen
95 und 99,5 %.

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Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Fließbild einer

vollständigen Anlage zur Erzeugung von Sauerstoff niedriger Reinheit entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein schematisches Fließbild einer

Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die der Luftzerlegungsanlage zugeführte Einsatzluft weiter verdichtet wird, nachdem der erste Teil für den Verbrennungsstrom abgetrennt ist,

Fig. 3 ein schematisches Fließbild einer

Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Luftzerlegungsanlage ein zusätzlicher Einsaizluftstrom zugeführt wird,

Fig. 4 eine typische Wirkungsgradkurve für

Arbeitsturbinen,

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Fig· 5 den Energiebedarf für typische

Doppelkolonnen-Luftzerlegungsanlagen, ■

Fig. 6 ein schematisches Fließbild einer

Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der erste Teil der verdichteten Einsatzluft vor dem Eintritt in die Brennzone weiter verdichtet wird, und

Fig. 7 ein schematisches Fließbild einer

Ausführungsform der Erfindung, bei ' welcher die Einsatzluft für die Luftzerlegungsanlage arbeitsleistend entspannt wird, nachdem der erste Teil für den \feEbrennimgsstrom abgetrennt ist.

Die fn Figr» 1 verartscfraöliehte AiFsführungjsfortn u^rttfofft. eine innerhalb einer gestrichelter? Linie dargestellte Loftzerlegtingsoniage A t>nd^: eine Kroffsrfclage a^Serhoib der gestrichelterir Linie. Die Anarcinung arbeitet wie f&Igt. Einsatz la ft gelangt aber eine Leitung: f in einen ersten Kompressor 2; sie wird auf einen Drircfe vom mindestens 5S5 kFa und vorzugsweise einem Brück zwischen- &9Q &nrf Y7Z5 kWa verdlehHte-fc. Bie den

Kompressor 2 über eine Leitung 3 verlassende, verdichtete Einsatzluft wird in einen ersten Teil in einer Leitung 5 und einen zweiten Teil in einer Leitung 4 aufgeteilt. Die Verarbeitung des zweiten Teils, welcher der Luftzerlegungsanlage zugeht, wird später erörtert. Der erste Teil der verdichteten Einsatzluft wird zur Bildung eines Verbrennungsstroms benutzt. Unter dem Begriff "Verbrennungsstrom" soll vorliegend das Gas verstanden werden, das von der Stelle, wo der erste Teil der verdichteten Einsatzluft von dem zweiten Teil abgetrennt wird, zu dem Einlaß der Arbeitsturbine strömt. In Fig. 1- umfaßt der "Verbrennungsstrom" die über die Leitung 5, eine Brennkammer 7 (wo die Verbrennung stattfindet) und eine Leitung S fließenden Gase. Wenn Brennstoff dem ersten Teil der verdichteten Einsatzluft stromaufwärts von der Brennkammer zugesetzt wird, wird er gemäß der vorliegenden Definition zu einem Teil des "Verbrennungsstroms". Brennstoff wird in den ersten Teil des verdichteten Einsatzluftstroms, d.h. den Verbrennungsstrom, iiber eine Leitung 6 eingespeist. Bei diesem Brennstoff kann es sich um jetfes beliebige sauber brennende* verbrennbar©, fIießTö/hige Material handeln, beispielsweise um Ql oder exit Gasgemisch^ das einen verlrennbaren Bestandteil,., wie Methan oder Kohlenmonoxid,, enthält. Über die Leitung 5 wird ausreichend Luft zugeführt, um eine vollständige Oxidation^ des Brennstoffs zu gewährleisten^ typischerweise wird ein stöcbiametrischer Lt*ftüberscftuß von ZO bis 30 % für diesen Zweck vorgesehen. E>er Verbrennung/s strom gelangt dann zu der

Brennzone 7, wo das Gemisch gezündet wird, um die Temperatur des Verbrennungsstroms anzuheben. Die Zündung findet bei einem Zünddruck von mindestens 550 kPa statt. Die Leitung 8 führt dann den heißen Verbrennungsstrom in eine Arbeitsturbine 9, wo der heiße Verbrennungsstrom unter Erzeugung von äußerer Arbeit entspannt wird. Das entspannte Gas verläßt die Arbeitsturbine über eine Leitung 10.

Verdichtetes Stickstoffabgas, d.h. stickstoffreiches Gas, das nicht als ein Produktstrom zurückgewonnen wird, wird mit dem Verbrennungsstrom vor dessen Entspannung in der Turbine 9 gemischt. Die Erzeugung dieses Stickstoffs, dessen Verdichten und die Art der Zumi-schung zu dem Verbrennungsstrom werden später beschrieben.

Von der Arbeitsturbine 9 abgegebene Energie wird benutzt, um den Kompressor 2 anzutreiben, der mit der Turbine 9 über eine Welle 1I unmittelbar verbunden sein kann» Statt dessen kann Energie auf den Kompressor 2 über ein Getriebe übertrager^ werden. Die Turbine 9 kann auch einen elektrischen Generator antreiben, der elektrische Energie an einen elektrischen Antriebsmotor für den Kompressor 2 liefert. Jede beliebige Art von Energieübertragung von der Turbine 9 auf den Kompressor 2 ist möglich. Die von der Arbeitsturbirie 9 abgegebene Energie kann auch herangezogen werden, um einen Stickstoffabgaskompresspr 39 über eine beliebige Energieübertragungseinrichtung

anzutreiben, wie sie vorstehend für die Übertragung von Energie zum Kompressor 2 diskutiert ist.

Weitere Energie kann von den Gasen zurückgewonnen werden, welche die Arbeitsturbine 9 über die Leitung 10 verlassen. Beispiele dafür, wie weitere Energie aus solchen Gasen gewonnen werden kann, sind in der US-PS 3 731 495 erläutert. Dort ist auch eine Anordnung beschrieben, bei der die Brennkammer, die Turbine und der Kompressor als eine Einheit aufgebaut sind. Diese Ausführungsform ist für die vorliegenden Zwecke gleichfalls geeignet.

Der zweite Teil der verdichteten Einsatzluft strömt über die Leitung 4 in einen Wärmetauscher 12^ wo die Luft durch abgehenden, die Luftzerlegungsanlage verlassenden Stickstoff teilweise gekühlt werden kann. Diese Luft läßt sich in einem nicht gezeigten, wassergekühlten Wärmetauscher weiter herunterkühlen. Die teilgekühlte Luft tritt dann in die Luftzerlegungsanlage über eine Leitung 13 ein- Dort wird die Luft durch abgehende Produkte in einem Reversierwärjnetauscher 14 gekühlt. ,..-._

Dies stellt eine bevorzugte Verfahrensweise zur Abkühlung und gleichzeitigen Beseitigung von Verunreinigungen aus der Einsatzluft für die Luftzerlegungsanlage dar. Der Einsatz-

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strom wird gekühlt, während hochsiedende Verunreinigungen, beispielsweise Wasser und Kohlendioxid/ desublimiert und auf den Wänden des Reversierwärmetauschers abgeschieden werden. Bevor der feste Niederschlag den Wärmetauscher verstopft, wird der Einsatzgasstrom mittels einer nicht dargestellten Ventil- und Leitungsanordnung auf einen zweiten Durchlaß umgeschaltet. Ein kalter Strom, dessen Verunreinigung nichts ausmacht, beispielsweise der Stickstoffabgasstrom, wird durch den Durchlaß des Reversierwärmetauschers hindurchgeschickt, der die festen Niederschläge aus Wasser und Kohlendioxid aufweist. Dadurch werden diese Verunreinigungen verdampft und aus dem Wärmetauscher ausgetrieben. Bevor der mit dem Einsatzgasstrom beschickte zweite Durchlaß verstopft, wird die Einsatzluft auf den gereinigten Durchlaß umgeschaltet; der abgehende Strom wird benutzt, um Verunreinigungen aus dem zweiten Durchlaß zu beseitigen. Es versteht sich, daß beliebige Mittel zum Reinigen und Kühler* der Einsotzströme vorgesehen werden können, beispielsweise Regenerativwärmetauscher, Gelfallen, Molekularsiebe, externe Kälteerzeugungsanlagen, ader Kombinationen derselben:.

Die gekühlte Einsatzlüft strömt dann- iiber einer Leitung 15 zu einer unter höberena Druck arbeitenden Rektifikationsstufe 16 {im folgenden ktnz als HocktfruckrektiFikatiönsstttfe bezeichnet wa sie gegert kältere Flüssigkeit rektifiziert wird_f am- eine mit Saaerstoff angereicherte Flüssigkeit am- unteren Ende T7

uhd ein stickstoffreiches Gas am oberen Ende 18 zu erzeugen. Das obere Ende 18 der Rektifikationsstufe 16 steht über Leitungen 21 und 22 sowie einen Wärmetauscher 23, eine Kondensator-Verdampfer-Stufe bekannter Art, in Wärmeaustausch mit dem unteren Ende 20 einer unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe 19 (im folgenden kurz Niederdruckrektifikationsstufe genannt). Stickstoffreiches Gas strömt über die Leitung 21 zum Wärmetauscher 23, wo es gegen kälteren Sauerstoff niedriger Reinheit kondensiert wird, dessen Bildung im folgenden erläutert ist. Der kondensierte stickstoffreiche Strom läuft dann über die Leitung 22 zu der Kolonne 16 zurück, wodurch die zum Rektifizieren der Einsatzluft dienende kältere Flüssigkeit gebildet wird. Ein Teil des kondensierten, stickstoffreichen Stroms gelangt über eine Leitung 24 zu der Niederdruckrektifikationskolonne 19. Vor dem Eintritt in die Kolonne 19 wird der Strom, in einem Ventil 24Ä auf einen niedrigeren Druck entspannt. Der stickstoffreiche Strom in der Leitung 24 kann mittels eines abgehenden Stroms im Wärmetauscher 25 gekühlt werden.

Bie mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit, die sich im unteren Ende M der Stoffe 16 bildet, wird in die Niederdrucks-ttrfe 19 tib&r eine Leitung tf> eingeführt, nachdem sie mittels einres Ventils 2&& auf einerv niedrigeren Druck entspannt ist. Diese mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit kann durehv eirtert abgefcencfert S-fremr in einem Wörmetao^sefeer 32 gjeküfcit werden.

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Die Niederdruckrektifikationsstufe wird mit einem Druck betrieben, der mindestens 135 kPa und vorzugsweise mindestens 205 kPa niedriger als der Zünddruck liegt. Die der Niederdruckrektifikationsstufe 1? zugeführten Einsatzströme werden unter Erzeugung von flüssigem Sauerstoff niedriger Reinheit am unteren Ende 20 sowie von stickstoffreichem Gas am oberen Ende 27 rektifiziert. Der Sauerstoff niedriger Reinheit wird gegenüber einem wärmeren, stickstoffreichen Strom im Wärmetauscher 23 zum Sieden gebracht, um durch die Kolonne 19 hindurch nach oben zu strömen. Ein Teil des Sauerstoffdampfs niedriger Reinheit wird über ein« Leitung 28 ausgetragen und benutzt, um ankommende Einsatzluft im Wärmetauscher 14 zu kühlen; dieser Teil verläßt die Anlage über eine Leitung 29 als ein Produktstrom. Ein Produktstrom aus stickstoffreichem Gas kann vom oberen Ende 27 der Stufe 19 über eine Leitung 30 ausgetragen werden. Dieser stickstoffreiche Produktstrom, der gleichfalls ausgenutzt werden kann, um ankommende Ströme im Wärmetauscher 14 zu kühlen, wird aus der Anlage über eine Leitung 31 abgeführt. Falls erwünscht, kann ein Produktstromaus stickstoffreichem Gas von der Leitung 21 über eine Leitung 3ΌΑ abgezweigt, zum KaJhlen von einströmender Luft im Wärmetauscher -14 benutzt und aus der Anlage über eine Leitung 31A ausgetragen werden. Es versteht sich, daß die Anlage auch so betrieben werden kann, daß keine stickstoffreichen Produktströme erzeugt werden; d.h., das gesamte stickstoffreiche Gas kann mit dem ersten Teil der Einsatz-

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luft gemischt und in der Arbeitsturbine 9 entspannt werden.

Ein Strom aus stickstoffreichem Abgas wird vom oberen Ende der Niederdruckrektifikationskolonne 19 über eine Leitung 25A abgeführt. Dieser Strom kann verwendet werden, um den der Kolonne 19 zugehenden stickstoffreichen Strom im Wärmetauscher 25 zu kühlen. Dieser Strom kann auch zum Kühlen der der Kolonne 16 zugehenden, mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit im Wärmetauscher 32 herangezogen werden. Der stickstoffreiche Abgasstrom gelangt zum Wärmetauscher 32 über eine Leitung 33. Eine Leitung 34 bringt das stickstoffreiche Abgas dann zwecks Kühlung der einströmenden Einsatzluft zum Wärmetauscher 14.

Ein Teil der ankommenden Einsatzluft kann von der Leitung 15 über eine Leitung 35 abgezweigt und im Wärmetauscher 14 teilweise wieder aufgewärmt werden. Diese Luft wird dann in der Turbine T arbeitsleistend entspännt, um zusätzliche Kälte zu erzeugen; sie gelangt dann über eine Leitung 36 zur Niederdrucksiufe 19, wo sie rektifiziert wird.

Die Einzelheiten der Luftzerlegungsanlage A, die in Fig. 1 innerhalb der gestrichelten Linie dargestellt ist, bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung. Die Luftzerlegungsanlage nach Fig. 1 stellt zwar eine bevorzugte Ausführungsform dar; es können jedoch auch andere Ausführungsformen der Doppelkolonnen-

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Luftzerlegungsanlage vorgesehen werden.

Das den Wärmetauscher 14 in einer Leitung 37 verlassende Stick stoffabgas gelangt in einen Kompressor 39, wo es auf einen Druck von mindestens 585 kPa und vorzugsweise einen Druck zwischen 690 und 1725 kPa verdichtet wird. Diese Verdichtung von Stickstoffabgas stellt den wichtigsten Teil der Erfindung dar und erlaubt es, den Verbrennungsdruck und den Turbineneinlaßdruck um mindestens 138 kPa höher als denjenigen der Niederdruckrektifikationskolonne zu legen, so daß die Turbine 9 bei einem Druck betrieben werden kann, der ihrem optimalen Druck um T38 kPa näher liegt. Vorzugsweise sind die Betriebsbedingun gen so gewählt, daß entweder der Turbineneinlaßdruck oder der Arbeitsdruck der Hochdruckstufe den günstigsten Wert haben. Andere Ausführungsbeispiele erlauben es, wie weiter unten erläutert, beide Drücke zu optimieren.

Das den Kompressor 39 verlassende Stickstoffabgas kann benutzt werden, um einströmende Luft im Wärmetauscher 12 zu kühlen, be vor sie über eine Leitung 40 in den Verbrennung strom gelangt-Das verdachtete Sficfcstaffafegas kann in den VerbjrennungsStreit? stromaufwärts von der Brennkammer 7 eintreten^ w^ie dies in Fig. I durch die Leitung 40 dorgestellt ist. Alternativ kann das verdichtete Stickstoffobgas ii* derv Verfrrennüngss-trom auch stromabwärts vorder Brennkammer eingeleitet werden^ d^h. dem die Verbrennung stattgefunden hat - Diese abgewandelte

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führungsform ist in Fig. ] durch die gestrichelte Leitung 4OA dargestellt. Eine Abschreckkammer 40B kann stromabwärts von der Brennkammer 7 vorgesehen sein. Die Abschreckkammer 40B bildet einen Raum, innerhalb dessen sich der verdichtete Stickstoff mit den die Brennkammer verlassenden Gasen mischen und diese Gase kühlen kann.

Ob das verdichtete Stickstoffabgas stromaufwärts oder stromabwärts von der Brennkammer 7 in den Verbrennungsstrom eintritt, steht im Belieben des Anlagenkonstrukteurs. Wenn das Stickstoffabgas stromaufwärts von der Brennkammer 7 über die Leitung 40 eingeleitet wird, macht es der auf die Verbrennung ausgeübte Verdünnungseffekt weniger wahrscheinlich, daß die maximal zulässige Temperatur der Wände der Kammer 7 überschritten wird. Andererseits hat diese Verdünnung des Sauerstoffs und des Brennstoffs vor der Verbrennung zur Folge, daß der VerbrennungsVorgang weniger wirkungsvoll abläuft. Das Einführen des Stickstoffabgases stromabwärts von der Brennkammer 7 über die Leitung 4OA sorgt für einen wirkungsvolleren Verbrennungsprozeß. Dabei ist jedoch die Wahrscheinlichkeit höher, daß in der Brennkammer übermäßig hohe Temperatüren erzeugt werden. Es versteht sich, daß das verdichtete Stickstof fabgas auch aufgeteilt werden kann, wobei ein Teil in den Verbrennungsstrom über die Leitung 40 und der restliche Teil stromabwärts von der Kammer 7 über die Leitung 40A eintritt.

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Der Verbrennungsstrom, dem der verdichtete Stickstoff zugesetzt wurde, gelangt dann über die Leitung 8 zur Turbine 9, um dort arbeitsleistend entspannt zu werden.

Vorzugsweise hat der erste Teil der verdichteten Einsatzluft, der dem Verbrennungssystem zugeht, eine größere Durchflußmenge als der zweite Teil der Einsatzluft, der in der Luftzerlegungsanlage verarbeitet wird. Vorzugsweise wird ferner im wesentlichen die gesamte in der Turbine 9 erzeugte Energie benutzt, um die Kompressoren 2 und 39 anzutreiben. Falls es jedoch erwünscht ist, die Anlage heranzuziehen, um zusätzliche Energie für eine Anwendung außerhalb der Luftzerlegungsanlage zu erzeugen, kann die Arbeitsturbine 9 größer gebaut werden, als dies notwendig ist, um nur die Einsatzluft und Stickstoffabgas zu verdichten. Ein größerer Luftstrom kann der Verbrennungseinrichtung zugeführt werden; überschüssige Energie an der Ausgangswelle der Turbine 9 kann benutzt werden, um beispielsweise einen elektrischen Generator oder einen anderen Energieverbraucher (nicht gezeigt) anzutreiben.

Fig. 2 zeigt zwei bevorzugte zusätzliche Merkmale,, die bei einer Anlage der vorliegenden Art vorgesehen sein können", und zwar: (1) einen Booster-Kompressor 200 zum weiteren Verdichten der der Luftzerlegungsanlage zugeführten Luft und (2) einen Wärmetauscher 203 zur Rückgewinnung von fühlbarer Wärme aus dem arbeitsleistend entspannten Verbrennungsstrom. Diese zusätzlichen Merk-

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male können bei der Anlage einzeln oder, wie in Fig. 2 veranschaulicht, in Kombination vorgesehen werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Anlage arbeitet wie folgt, wobei Teile, deren Funktionen die gleichen wie in Fig. 1 sind, mit dem gleichen ein- oder zweistelligen Bezugszeichen versehen sind, während in Fig. 2, nicht aber in Fig. 1 veranschaulichte Teile ein dreistelliges Bezugszeichen beginnend mit 200 haben.

Einsatzluft tritt über die Leitung 1 ein und wird mittels des Kompressors 2 verdichtet. Die verdichtete Luft in der Leitung 3 wird in einen ersten Teil in der Leitung 5 und einen zweiten Teil in der Leitung 4 aufgeteilt. Der erste Teil wird mit Brennstoff aus der Leitung 6 und mit verdichtetem Stickstoffabgas aus der Leitung 40 gemischt. Der Verbrennungsstrom wird im Wärmetauscher 203 durch entspannte Verbrennungsgase von der Turbine 9 erhitzt. Der erhitzte Verbrennungsstrom wird dann in der Brennkammer 7 gezündet und in der Arbeitsturbine 9 arbeitsleistend entspannt. Die aus der Arbeitsturbine 9 austretenden Heißgase strömen dann über die Leitung 10 zum Wärmetauscher 203, wo sie die nichtverbrannten Gase aufheizen.

Der zweite Teil der Einsatzluft kann durch abgehende Produktströme im Wärmetauscher 12 gekühlt werden, worauf die Einsatzluft in einem nicht dargestellten, wassergekühlten Wärmetau-

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scher gekühlt werden kann.

Diese Einsatzluft strömt dann über eine Leitung 201 in den Booster-Kompressor 200, wo sie auf den Betriebsdruck der Hochdruckrektifikationsstufe von vorzugsweise mindestens 1035 kPa weiter verdichtet wird. Ein nicht gezeigter, wassergekühlter Wärmetauscher kühlt die den Kompressor 200 verlassende Luft, die dann über eine Leitung 202 in die Luftzerlegungsanlage eintritt. Von der Arbeitsturbine 9 abgegebene Energie kann benutzt werden, um den Booster-Kompressor 200 in der gleichen Weise wie den Kompressor 2 anzutreiben.

Produktströme aus stickstoffreichem Gas und Sauerstoff niedriger Reinheit werden in der Luftzerlegungsanlage in der gleichen Weise, wie in Fig. 1 dargestellt, erzeugt. Diese Ströme verlassen die Anlage über die Leitungen 29, 31 und 31A. Stickstoffabgas tritt aus der Luftzerlegungsanlage über die Leitung 37 aus und wird im Kompressor 39 auf einen Druck verdichtet, der etwas höher als derjenige der Brennkammer 7 ist. Dieses Stickstoffabgas kann herangezogen werden, um im Wärmetauscher 12 einströmende Gase zu kühlen.

Der Booster-Kompressor 200 wird vorzugsweise benutzt, wenn der optimale Betriebsdruck der Hochdruckstufe über dem optimalen Einlaßdruck der Arbeitsturbine liegt. In einem solchen Fall erlaubt es»der zusätzliche Kompressor 200, sowohl den

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Einlaßdruck der Arbeitsturbine als auch den Betriebsdruck der Hochdruckstufe zu optimieren.

Beispielsweise sei angenommen, daß der günstigste Einlaßdruck der Turbine 827 kPa beträgt und der optimale Betriebsdruck der Hochdruckstufe bei 1034 kPa liegt. In einem solchen Fall würde der Kompressor 2 die Einsatzluft auf etwa 827 kPa verdichten, während der Kompressor 200 den Druck der der Hochdruckkolonne zugeführten Luft auf 1034 kPa erhöhen würde.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 nur dadurch, daß zusätzlich ein Hilfsluftkompressor 301 vorgesehen ist. Mit Ausnahme der zusätzlichen Komponenten 300, 301 und 302 arbeitet die Anlage nach Fig. genauso wie die gemäß Fig. 2. Ein zusätzlich Einsatzluftstrom gelangt über die Leitung 300 in den Hilfskompressor 301. Der Kompressor 301 verdichtet den zusätzlichen Einsatzluftstrom auf den gleichen Druck wie denjenigen des Stroms in der Leitung 4, Der zusätzliche Einsatzluftstrom gelangt dann über die Leitung 302 in die Leitung 4. Der verdichtete Luft in der Leitung 4 wird anschließend weiter verarbeitet, wie dies oben erläutert und in Fig. 2 dargestellt ist.

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Zahlreiche derzeit verfügbare Energiesysteme sind so ausgelegt, daß sie mit einer Mengenflußdichte der in der Arbeitsturbine ? entspannten Gase arbeiten, die im wesentlichen gleich derjenigen der im Kompressor 2 verdichteten Gase ist. Der Hilfskompressor 301 gestattet einen solchen Betrieb derartiger Systeme, wenn die Mengenflußdichte der im Hilfskompressor 30V verdichteten Luft gleich derjenigen der Produktströme ist, die aus der Luftzerlegungsanlage über die Leitungen 29, 31 und 31A abgeführt werden. Ein derartiges Arbeiten hat zur Folge, daß die Arbeitsturbine 9 und der Kompressor 2 die gleichen Einlaßmengenflußdichten haben.

Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung des Wirkungsgrades einer typischen Arbeitsturbine. Anhand der Kurve A der Fig.4 ist zu erkennen, daß diese Arbeitsturbine einen optimalen Einlaßdruck von etwa 830 kPa hat. Die Wirkungsgradkurve A kann sich für verschiedene Turbineneintrittstemperaturen und für unterschiedliche Turbinen gegenüber der Darstellung nach Fig. 4 nach links oder rechts verschieben; die Form der Kur— ve entspricht grundsätzlich jedoch immer derjenigen der Kurve A. Das heißt, es gibt stets einen optimalen Einlaßdruck für eine gegebene Turbine, die unter vorgegebenen Bedingungen arbeitet.

Fig. 5 zeigt schematisch den Energieverbrauch aufgetragen über dem Betriebsdruck der Hochdruckstufe einer typischen

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Doppelkolonnen-Luftzerlegungsanlage. Die Kurve B verschiebt sich für unterschiedliche Destillationsanlagen und Betriebsbedingungen; es gibt jedoch stets einen optimalen Betriebsdruck für eine gegebene Luftzerlegungsanlage, die bei einer vorbestimmten Gruppe von Bedingungen arbeitet.

Die Kurve B der Fig. 5 läßt erkennen, daß nur ausgehend von Energieerwägungen der optimale Betriebsdruck der Hochdruckkolonne einer typischen Luftzerlegungsanlage bei etwa 1035 kPa liegt. Weil Stickstoffabgas aus der Niederdruckkolonne ausgetragen wird, die normalerweise mit einem Fünftel bis ein Drittel des Drucks der Hochdruckkolonne betrieben wird, folgt, daß der optimale Abgabedruck des Stickstoffabgases zwischen etwa 205 und 345 kPa liegt. Aus Fig. 4 ist jedoch zu erkennen, daß ein Betrieb der Turbine mit einem Einlaßdruck von 205 bis 345 kPa einen sehr geringen Wirkungsgrad hätte. Dadurch, daß in der vorliegend erläuterten Weise der Stickstoffabgasstrom vor seinem Einleiten in den Verbrennungsstrom verdichtet wird, können entweder die Luftzerlegungsanlage und/oder die Arbeitsturbine dichter bei ihren betreffenden optimalen Drücken arbeiten. Der Energiebedarf der zusätzlichen Verdichtungsstufe wird, obwohl dieSe Stufe in mit Reibung behafteten Maschinen durchgeführt wird, deren Wirkungsgrad kleiner als 100 % ist, dadurch mehr als kompensiert, daß die Luftzerlegungsanlage und/oder die Arbeitsturbine mit einem Druck betrieben werden, der dem jeweiligen optimalen Druck näher kommt. Dies wird

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durch die folgenden Beispiele dargestellt.

BEISPIEL I

Es sei angenommen, daß Sauerstoff niedriger Reinheit mit einem Sauerstoffgehalt von 98 % in einer Menge von 1800 t/d und

3
8500 Nm /h stickstoffreiches Gas mit einer Reinheit von 99,85 %

hergestellt werden sollen.

	TABELLE I-A	Temperatur (⁰K)	Druck (kPa)	Sauerstoffgehalt (Mol JB) _	-
Leitung Nr.	Durchflußmenge (Nm³/h χ 10"³)	320	101	21
1	732,8	670	1034 -	21
3	732,8	670	1034	21
4	293,9	670	1034	21
5	438,9	317 '	241	98,0
29	58,6	—	—
31	0	317	965	0,15
31A	8,5	317	241	2,0
37	226,9	640	1034	2,0
40	226,9	1100	1034	- —
8	665,8 *	650	103
10	665,8 *

* ohne Brennstoff

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Das Sauerstoffprodukt niedriger Reinheit soll mit einem Druck von 241 kPa angeliefert werden. Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist unter den in der Tabelle I-A angegebenen Bedingungen zu betreiben. Die Kompressoren 2 und 3? werden beide durch Energie angetrieben, die in der Arbeitsturbine 9 zurückgewonnen wird. Der Brennstoffbedarf ergibt sich aus der Tabelle I-B. Es folgt, daß die Anlage nach der Erfindung Brennstoff für 10,00 χ ΙΟ⁴ kW erfordert.

TABELLE I-B

Zusammenfassung für Beispiel I der vorliegenden Erfindung

Betriebsdruck der Hochdruckkolonne = 1034 kPa

Betriebsdruck der Niederdruckkolonne = 241 kPa

Erforderlicher Brennstoff entsprechend = 10,00 χ 10 kW

Wird das aus der US-PS 3 731 495 bekannte Verfahren unter entsprechenden Bedingungen zwecks Herstellung des gleichen Produkts durchgeführt, werden die in der tabelleI-C zusammengestellten Werte erhalten.

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.."'* TABELLE I-C -

Zusammenfassung für Beispiel I- der US-PS 3 731 495

Betriebsdruck der Hochdruckkolohne = 1034 kPa Betriebsdruck der Niederdruckkolonne = 241 kPa

" ' ■ A

Erforderlicher Brennstoff entsprechend = 10,67 χ 10 kW

Wie aus der Tabelle I-C folgt, bedingt das Verfahren gemäß der US-PS 3 731 495 bei diesen Drücken eine Brennstoffzufuhr

4 4

entsprechend 10,67 χ 10 kW gegenüber 10,00 χ 10 kW bei dem Verfahren der Vorrichtung nach der Erfindung. Bei diesem Bei-

3 spiel benötigt infolgedessen der bekannte Prozeß 6,7 χ 10 kW oder 6,7 % mehr Brennstoff als der vorliegende Prozeß. Die mit dem vorliegenden Verfahren erreichbare Brennstoffeinsparung läßt sich darauf zurückführen, daß die Arbeitsturbine mit höherem Wirkungsgrad arbeitet.

^: BEISPIEL il

Es sei angenommen, daß Sauerstoff niedriger Reinheit mit einem Sauerstoffgehalt von 98 % in einer Menge von 1800 t/d und 8500 Nm³Zh stickstoffreiches Gas mit einer Reinheit von 99,85% hergestellt werden sollen. Das Sauerstoffprodukt niedriger Reinheit soll mit einem Druck von 621 kPa angeliefert werden.

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Die Vorrichtung nach Fig. 2 ist unter den in der Tabelle H-A angegebenen Bedingungen zu betreiben. Die Kompressoren 2, 39 und 202 werden mittels der in der Arbeitsturbine 9 zurückgewonnenen Energie angetrieben.

	TABELLE H-A	Temperatur	Druck	Sauerstoffgehalt
Leitung	Durchflußmenge	(°K)	(kPa)	(Mol %)
Nr.	(Nm³/h χ 10"³)	320	101	21
1	699,4	625	827	21
3	699,4	625	827	21
4	378,0	320	2068	21
202	378,0	625	827	21
5	321,4	317	621	98
29	58,6	—	—	—
31	0	317	1999	0,15
31A	8,5	317	621	7,1
37	310,9	595	827	7J
40	310,9	1100	827	—
8	632,3	681	110	—
10	632,3

Die Tabelle H-B zeigt eine Zusammenfassung der Ergebnisse bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend Fig. 2 und der Tabelle II-A.

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TABELLE H-B .

Zusammenstellung für Beispiel II des Verfahrens nach der Erfindung

Betriebsdruck der Hochdruckkolonne
Betriebsdruck der Niederdruckkolonne
Erforderlicher Brennstoff entsprechend

= 2068 kPa 621 kPa = 10,58 χ 10⁴kW

Die Tabelle H-C zeigt die Ergebnisse, die erhalten werden, wenn das Verfahren nach der US-PS 3 731 495 herangezogen wird, um die gleichen Produktionsbedingungen wie im Beispiel II zu erfüllen.

TABELLE II-C

Zusammenstellung für Beispiel II der US-PS 3 731 495

2068 kPa 621 kPa = 11,11 χ 10⁴kW

Die Durchführung des Verfahrens nach der US-PS 3 731 495 erfordert die Zufuhr von Brennstoff entsprechend Tl, 1 1 χ 10 kW verglichen mit 10,58 χ 10 kW für das Verfahren nach der Erfindung. Selbst wenn also das bekannte Verfahren so geführt wird,

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" - 40 - ■ -

daß ein Produkt bei einem höheren Druck abgegeben wird, wie dies entsprechend der US-PS 3 731 495 bevorzugt der Fall ist, benötigt das bekannte Verfahren zusätzlich 5,3 χ 10 kV oder etwa 5 % mehr Brennstoff als das Verfahren nach der Erfindung.

Es ist anzunehmen, daß der optimale Betriebsdruck der Hochdruckstufe in der Regel größer als der optimale Einlaßdruck der Arbeitsturbine ist. Wenn es jedoch erwünscht ist, die Arbeitsturbine mit einem Einlaßdruck arbeiten zu lassen, der den Betriebsdruck der Hochdruckstufe übertrifft, kann gleichwohl das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden. Die Fign. 6 und 7 zeigen Beispiele, wie dies praktisch geschehen kann. Diese Fign. sind schematische Darstellungen ohne Wärmeaustauscher oder Einzelheiten der Luftzerlegungsanlage.

Die Anlage nach Fig. 6 arbeitet in der gleichen Weise wie diejenige nach Fig. T, mit der Ausnahme, daß der Kompressor 2 die Einsatzluft auf einen Druck verdichtet, der kleiner als der Einlaßdruck der Turbine 9 ist. Der erste Teil der verdichteten Einsatzluft gelangt über die Leitung 5 zu einem Kompressor 600, der den Druck des ersten Teils des Einsatzgases auf nahezu den Einlaßdruclc der Turbine 9 steigert. Der erste Teil der Einsatzluft tritt dann über eine Leitung 601 in die Verbrennungseinrichtung ein.

Der zweite Teil der Einsatzluft strömt über die Leitung 4 von

dem Kompressor 2 Eu der Luftzerlegungsanlage, ohne im Kompressor 600 weiter verdichtet zu werden. Die übrigen Anlagenteile der Fig. 6 arbeiten in der gleichen Weise wie die entsprechend bezeichneten Anlagenteile der Ausführungsform nach Fig. ]. .

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 wird die gesamte Einsatzluft auf etwa den Einlaßdruck der Turbine 9 verdichtet. Der erste Teil der verdichteten Einsatzluft wird der Verbrennungseinrichtung über die Leitung 5 zugeführt. Der zweite Teil der Einsatzluft wird in einer Turbine 700 arbeitsleistend entspannt und gelangt dann über eine Leitung 701 zu der Luftzerlegungsanlage. Es versteht sich, daß die Entspannung des zweiten Teils der Einsatzluft innerhalb der Luftzerlegungsanlage, beispielsweise stromabwärts von dem Reversierwärmetauscher, erfolgen kann, falls dies erwünscht ist. Die übrigen in Fig. 7 veranschaulichten Anlagenteile arbeiten in der gleichen Weise wie die entsprechend bezeichneten Anlagenteile der Ausführungsform nach Fig. 1.

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Claims

PATENTANWALT DlPL-ING. CEKHA* D SCHWAN

ELFENSTRASSE 32 ■ D-8000 MÜNCHEN S3 2933373

L-I0891-G

Ansprüche

1/ Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit durch Niedertemperaturrektifikation von Luft, dadurch gekennzeichnet, daß
(α) Eihsatzluft auf mindestens 585 kPa verdichtet wird,

(b) die vernichtete Luft in einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufgeteilt wird,

(c) der erste Teil als Oxidationsmittel für einen Verbrennungsstrom mit Brennstoff gemischt wird/

(d) der Verbrennungsstrom in einer Brennzone auf einem Zünddruck von mindestens 550 kPa zum Erhitzen des Verbrennungsstroms gezündet wird,

{e) der erhitzte Verbrennungsstrom in einer Arbeitsturbine unter Erzeugung von äußerer Arbeit entspannt wird,

(f) mindestens ein Teil der äußeren Arbeit als Energie fur das Verdichten der Einsatzluft zurückgewonnen wird,

(g) tier zweite Teil der verdichteten Luft abgekühlt wird, (h) die gekühlte Luft in eine Hochdruckrektifikationsstufe eingeleitet wird, deren oberes Ende in Wärmeaustausch mit dem unteren Ende einer Miederdruck-

'6012039 · KABEL:4leCTK?C

FERNSPRECHER: 089/6012039 · KABEL:TLECTICfCPATENT MÜNCHEN

rektifikationsstufe steht,

(i) die gekühlte Luft in der Hochdruckrektifikationsstufe in eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit und eine stickstoffreiche Flüssigkeit zerlegt wird,

(j) mindestens ein Teil der Flüssigkeiten aus dem Verfahrensschritt (i) in die Niederdruckrektifikationsstufe zwecks Zerlegung in Sauer stoffgas niedriger Reinheit und in stickstoffreiches Gas übergeleitet wird,

(k) die Nie.derdruckrektifikationsstufe bei einem Druck betrieben wird, der mindestens 135 kPa unter dem Zünddruck des Verfahrensschrittes (d) liegt,

(1) aus der Niederdruckrektifikationsstufe ein Produktstrom aus Sauerstoff niedriger Reinheit und mindestens ein stickstoffreicher Gasstrom ausgetragen werden, -". : - " --"_ V _

(m) mindestens ein Teil des im Verfahrensschritt (IJ ausgetragenen stickstoffreichen Gases auf einen Drück verdichtet wird, der mindestens gleich dera Zünddruck des Verfahrensschrittes (d) ist, und

(n) der verdichtete stickstoffreiche Ström stromaufwärts von der Arbeitsturbine in den Verbrennungsstrom eingeleitet wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzluft auf einen Drück zwischen 690 und 1725 kPa verdichtet wird und daß die Niederdruckrektifikationsstufe bei einem Druck betrieben wird, der mindestens

205 kPa niedriger als der Zünddruck des Verfahrensschrittes (d) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge des ersten Teils der verdichteten Luft größer als diejenige des zweiten Teils ist und daß im wesentlichen die gesamte im Verfahrensschritt (e) erzeugte Arbeit verwendet wird, um die Einsatzluft zu verdichten und um das dem Verbrennungsstrom zugeführte stickstoffreiche Gas zu verdichten.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des verdichteten, stickstof freichen Stroms- vor dem Zünden gemäß eiern Verfahrenssehritt (d\ irv den Verbrenn tmgsstromeinge'-

5·. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß; mindestens ear» Teil; des. verdiehieterty stickstoffreichen Srtrewrvs nach dem Zünden gemäß dem Verfahr ens schritt Cd^ fn^ den Verbrennttngs:Stront eingebracht wird..

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsturbine im wesentlichen mit ihrem optimalen Einlaßdruck betrieben wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckrektifikationsstufe im wesentlichen auf ihrem optimalen Arbeitsdruck betrieben wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil der Einsatzluft vor dem Kühlen weiter verdichtet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Einsatzluftstrom auf mindestens 585 kPa verdichtet wird, der zusätzliche Einsartzluftstrom gekühlt wird und der gekühlte zusätzliche Einsatzluftstrom der Höchdruckrektifikgtionsstofe zugeführt wird.

δ-. Verfahreirr nach Ansprach 9_t dadurch gekennzeichnet, daß die Kfengenflußdichte des zusätzlichen Einsatzluftstroms im wesentlichen gleich der Gesamtmengertflußdichte der ProduktströTtne ist.

- - 5 - ■_■.■■.

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11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil der verdichteten Einsatzluft vor dem Einleiten in die Hochdruckrektifikationsstufe entspannt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil der verdichteten Einsatzluft weiter verdichtet; wird.

13. Vorrichtung zum Erzeugen von Sauerstoff ^niedriger Reinheit durch Niedertemperaturrektifikation, gekennzeichnet durch

(a) einen Kompressor zum Verdichten von Einsatzluft auf einen Druck von mindestens 585 kPa,

{b) eine Verbrennungseinrichtung mit einer Brennkammer/ einer Leitungsanordnung zum Überführen eines ersten Teils der verdichteten Einsatzluft von dem Kompressor (a) zu der Brennkammer, einer Einrichtung zum Einspeisen von Brennstoff in die Brennkammer und einer Leitungsanordnung zum Überleiten von Verbrennungsgas von der Brennkammer zy

{c) einer Turbine zum Entspannen des Verbrennungsgases auf einen niedrigeren Druck unter Erzeugung von äußerer Arbeit,

(d) eine Einrichtung zum Übertragen von äußerer Arbeit von der Turbine (c) zu dem Kompressor (α),

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(e) eine Einrichtung zum Kühlen eines zweiten Teils der verdichteten Einsatzluft,

(f) eine Doppelrektifikationskolonne mit einer mindestens bei einem Druck von etwa 585 kPa arbeitenden Hochdruckstufe, einer Niederdruckstufe, einem Wärmetauscher, der das obere Ende der Hochdruckstufe und das untere Ende der Niederdruckstufe verbindet, und einer gesonderten Leitungsanordnung zum Überführen von mit Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit und stickstoffreicher Flüssigkeit von der Hochdruckstufe zu der Niederdruckstufe,

(g) eine Leitungsanordnung zum Überleiten des gekühlten zweiten Teils der verdichteten Einsatzluft zu der Hochdruckstufe zwecks Rektifikation in dieser Stufe,

(h) einen Kompressor zum Verdichten von stickstoffreichem Gas auf einen Druck von mindestens 5B5 kPa,

(i) eine Leitungsanordnung zum Überführen von .-stickstoffreichem Gas von der Niedexdrockrektifikationsstufe zum Kompressor {h)_y

(j) eine Leitungsanordnung zum Überleiten von stickstof f reichem Gas vom Kompressor (h) zur Verbrennungseinrichtung (b) und

(k) eine Leitungsanordnung zum Austragen von Sauerstoff niedriger Reinheit aus der Niederdruckrektifikationsstufe.

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14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Übertragen von äußerer Arbeit von der Turbine (c) zu dem Kompressor (h).

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung (j) mindestens einen Teil des verdichteten stickstoffreichen Gases in die Verbrennungseinrichtung (b) stromaufwärts von der Brennkammer einleitet.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung (j) mindestens einen Teil des verdichteten stickstoffreichen Gases in die Verbrennungseinrichtung (b) stromabwärts von der Brennkammer einleitet.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Ϊ3 bis \6, gekennzeichnet durch einen Zusatzkompres~sor zum weiteren Verdichten des zweiten=. Teils der Einsatzluft.

18. Vorrichtung nach Artspruch 1-7, gekennzeichnet durch einen Hilfskompressor lunt Verdichten- eines zusätzlichen Einsatzlfcfcftstromes auf einen Druck van mindestens 585 kPa und eine Leitungsanordnung zum fetberfuhren des zusätzlichen Einsatzluftstroms zu dem Zusdtzlcompressor,