DE69103347T2 - Tieftemperatur-Lufttrennung mit Nebenverdampfer für beide Produkte. - Google Patents

Tieftemperatur-Lufttrennung mit Nebenverdampfer für beide Produkte.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Tieftemperatur-Luftzerlegung, und genauer betrifft sie Tieftemperatur-Luftzerlegung zur Erzeugung von Sauerstoff und Stickstoff.
    • Stand der Technik
  • Tieftemperatur-Luftzerlegung zwecks Erzeugung von Sauerstoff und Stickstoff ist ein wohl bekanntes industrielles Verfahren. Flüssigkeit und Dampf werden in einem Kontakt im Gegenstrom durch eine oder mehrere Säulen geleitet, und der Unterschied der Dampfdrücke zwischen Sauerstoff und Stickstoff bewirkt, daß sich Stickstoff in dem Dampf und Sauerstoff in der Flüssigkeit konzentriert. Je niedriger der Druck in der Trennsäule ist, desto leichter erfolgt die Trennung in Stickstoff und Sauerstoff aufgrund der Unterschiede der Dampfdrücke. Demgemäß wird die endgültige Trennung in Produktsauerstoff und Produktstickstoff im allgemeinen bei einem relativ niedrigen Druck ausgeführt, üblicherweise nur einige wenige kPa (Pfund pro Quadratinch (psi)) über dem Atmosphärendruck.
  • Oft werden der Produktsauerstoff und der Produktstickstoff bei einem erhöhten Druck gewünscht. In solchen Fällen wird das Produkt in einem Kompressor auf den gewünschten Druck verdichtet. Dieser Kompressor ist hinsichtlich der Energiekosten sowie der Investitionskosten für die Produktverdichter kostspielig.
  • Ein Verfahren zur Tieftemperatur-Luftzerlegung zum Erzeugen von Sauerstoff und Stickstoff bei dem:
  • (A) Einsatzluft in eine Hochdrucksäule eingeleitet und die Einsatzluft in der Hochdrucksäule in mit Stickstoff angereicherten Dampf und mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit getrennt wird;
  • (B) mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit von der Hochdrucksäule in eine Niederdrucksäule übergeleitet wird;
  • (C) mit Stickstoff angereicherter Dampf kondensiert wird, um mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit zu erzeugen, und mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit in die Niederdrucksäule übergeleitet wird;
  • (D) die in die Niederdrucksäule übergeleiteten Fluide in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffreiche Flüssigkeit getrennt werden; und
  • (E) sauerstoffreiche Flüssigkeit von der Niederdrucksäule abgezogen wird, der Druck der abgezogenen sauerstoffreichen Flüssigkeit erhöht wird und die unter erhöhtem Druck stehende sauerstoffreiche Flüssigkeit in indirekten Wärmeaustausch in einem Produktaufkocher mit Einsatzluft gebracht wird, um Produktsauerstoffgas zu erzeugen;
  • ist von EP-A-0 024 962 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird die gesamte von der Hochdrucksäule abgezogene, mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit zwecks nachfolgender Drucksenkung und Gewinnung von flüssigem Stickstoff unterkühlt.
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Tieftemperatursystem für die Erzeugung von Sauerstoff und Stickstoff zu schaffen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Tieftemperatursystem für die Erzeugung von Sauerstoff und Stickstoff zu schaffen, bei dem Sauerstoff und Stickstoff bei erhöhtem Druck erzeugt werden können, wodurch der Bedarf für eine Produktgasverdichtung beseitigt oder vermindert wird.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen und andere Aufgaben, die Fachleuten aus dem Lesen dieser Beschreibung offenbar werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, von der ein Aspekt lautet:
  • Ein Verfahren zur Tieftemperatur-Luftzerlegung zum Erzeugen von Sauerstoff und Stickstoff, bei dem:
  • (A) Einsatzluft in eine Hochdrucksäule eingeleitet und die Einsatzluft in der Hochdrucksäule in mit Stickstoff angereicherten Dampf und mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit getrennt wird;
  • (B) mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit von der Hochdrucksäule in eine Niederdrucksäule übergeleitet wird;
  • (C) mit Stickstoff angereicherter Dampf kondensiert wird, um mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit zu erzeugen, und mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit in die Niederdrucksäule übergeleitet wird;
  • (D) die in die Niederdrucksäule übergeleiteten Fluide in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffreiche Flüssigkeit getrennt werden;
  • (E) sauerstoffreiche Flüssigkeit von der Niederdrucksäule abgezogen wird, der Druck der abgezogenen sauerstoffreichen Flüssigkeit erhöht wird und die unter erhöhtem Druck stehende sauerstoffreiche Flüssigkeit in indirekten Wärmeaustausch in einem Zweifachproduktaufkocher mit Einsatzluft gebracht wird, um Produktsauerstoffgas zu erzeugen; und
  • (F) mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit abgezogen wird, die durch die Kondensation von mit Stickstoff angereichertem Dampf im Verfahrensschrift (C) gegen sauerstoffreiche Flüssigkeit erzeugt wird, der Druck der abgezogenen, mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit erhöht wird und die unter erhöhtem Druck stehende, mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit in indirekten Wärmeaustausch in dem Zweifachproduktaufkocher mit Einsatzluft gebracht wird, um Produktstickstoffgas zu erzeugen, wobei die Einsatzluft durch die Wärmeaustauschschritte von (E) und (F) mindestens teilweise kondensiert wird.
  • Ein anderer Aspekt dieser Erfindung lautet:
  • Eine Vorrichtung zur Tieftemperatur-Luftzerlegung zum Erzeugen von Sauerstoff und Stickstoff mittels des zuvor erwähnten Verfahrens, versehen mit:
  • einer Hochdrucksäule zum Trennen von in die Hochdrucksäule eingeleiteter Einsatzluft in mit Stickstoff angereicherten Dampf und mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit;
  • einer Niederdrucksäule zum Trennen der in die Niederdrucksäule eingeleiteten Fluide in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffreiche Flüssigkeit;
  • einer Leitungsanordnung zum Überleiten von mit Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit von der Hochdrucksäule in die Niederdrucksäule;
  • einem Kondensator/Aufkocher zum Kondensieren von mit Stickstoff angereichertem Dampf gegen sauerstoffreiche Flüssigkeit zum Erzeugen von mit Stickstoff angereicherter Flüssigkeit;
  • einer Leitungsanordnung zum Abziehen von sauerstoffreicher Flüssigkeit von der Niederdrucksäule und einer Anordnung zum Erhöhen des Druckes der abgezogenen sauerstoffreichen Flüssigkeit;
  • einer Leitungsanordnung zum Abziehen von mit Stickstoff angereicherter Flüssigkeit von dem Kondensator/Aufkocher und einer Anordnung zum Erhöhen des Druckes der abgezogenen mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit;
  • einem Zweifachproduktaufkocher, der so angeschlossen ist, daß er Einsatzluft, die unter erhöhtem Druck stehende sauerstoffreiche Flüssigkeit und die unter erhöhtem Druck stehende, mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit aufnimmt, wobei die unter erhöhtem Druck stehende sauerstoffreiche Flüssigkeit und die unter erhöhtem Druck stehende, mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit in dem Zweifachproduktaufkocher in indirekten Wärmeaustausch mit Einsatzluft gebracht werden, um Produktsauerstoffgas und Produktstickstoffgas zu erzeugen und die Einsatzluft mindestens teilweise zu kondensieren, und
  • einer Leitungsanordnung zum Überleiten von mindestens teilweise kondensierter Einsatzluft von dem Produktaufkocher zu der Hochdrucksäule.
  • Der Begriff "Säule", wie er in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen benutzt wird, bezeichnet eine Destillations- oder Fraktioniersäule oder -zone, d.h. eine Kontaktsäule oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine effektive Zerlegung eines Fluidgemisches zu bewirken, zum Beispiel durch das Inkontaktbringen der dampfförmigen und flüssigen Phasen an einer Reihe von vertikal in Abstand angeordneten Böden oder Platten, die innerhalb der Säule angebracht sind, oder alternativ an Packungselementen. Für eine weitere Beschreibung von Destillationssäulen wird verwiesen auf Chemical Engineers, Handbook, fünfte Ausgabe, herausgegeben von R.H. Perry und C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Abschnitt 13, "Distillation" B.D. Smith et. al., Seite 13-3 The Continuous Distillation Process. Der Begriff "Doppelsäule", wie hier benutzt, bezeichnet eine Hochdrucksäule, deren oberes Ende in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem unteren Ende einer Niederdrucksäule steht. Eine nähere Beschreibung von Doppelsäulen erscheint in Ruheman, "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Kapitel VII, Commercial Air Separation.
  • Trennverfahren mit Dampf-/Flüssigkeitskontakt sind abhängig von dem Unterschied der Dampfdrücke der Komponenten. Die Komponente mit dem hohen Dampfdruck (oder die flüchtigere oder niedrigsiedende Komponente) wird dazu neigen, sich in der Dampfphase zu konzentrieren, wohingegen die Komponente mit dem niedrigen Dampfdruck (oder die weniger flüchtige oder hochsiedende Komponente) dazu neigen wird, sich in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Destillation ist das Trennverfahren, bei dem eine Erwärmung eines Flüssigkeitsgemisches benutzt werden kann, um die flüchtigere(n) Komponente(n) in der Dampfphase und somit die weniger flüchtige(n) Komponente(n) in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Partielle Kondensation ist das Trennverfahren, bei dem die Kühlung eines Dampfgemisches benutzt werden kann, um die flüchtige(n) Komponente(n) in der Dampfphase und dadurch die weniger flüchtige(n) Komponente(n) in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Rektifikation oder kontinuierliche Destillation ist das Trennverfahren, das aufeinanderfolgende partielle Verdampfungen und Kondensationen kombiniert, wie sie durch eine Gegenstrombehandlung der dampfförmigen und flüssigen Phasen erzielt werden. Das Inkontaktbringen der dampfförmigen und flüssigen Phasen im Gegenstrom ist adiabatisch, und es kann einen integralen oder differentiellen Kontakt zwischen den Phasen beinhalten. Trennverfahrensanordnungen, bei welchen die Prinzipien der Rektifikation zum Trennen von Gemischen benutzt werden, bezeichnet man oft als Rektifikationssäulen, Destillationssäulen oder Fraktioniersäulen, wobei diese Begriffe untereinander ausgetauscht werden können.
  • Der Begriff "indirekter Wärmeaustausch", wie er in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen benutzt wird, bedeutet, daß zwei Fluidströme in eine Wärmeaustauschbeziehung gebracht werden, ohne daß irgendein physikalischer Kontakt oder eine Durchmischung der Fluide miteinander stattfindet.
  • Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Packung" jeden ausgefüllten oder hohlen Körper mit vorbestimmter Anordnung, Größe und Form, der als Einbau von Säulen benutzt wird, um Oberfläche für die Flüssigkeit zu schaffen, um einen Stoffübergang an der Grenzfläche von Flüssigkeit und Dampf während eines Gegenstromes der beiden Phasen zu ermöglichen.
  • Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Kondensator/Aufkocher" eine Wärmeaustauschvorrichtung, in welcher Dampf durch indirekten Wärmeaustausch mit verdampfender Sumpfflüssigkeit kondensiert wird, wodurch für einen nach oben gerichteten Dampfstrom für die Säule gesorgt wird.
  • Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "strukturierte Packung" Packung, bei der einzelne Körper eine spezielle Ausrichtung bezüglich anderer Körper und der Kolonnenachse haben.
  • Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Turboexpansion" den Fluß eines Gases hohen Drucks durch eine Turbine, um Druck und Temperatur des Gases zu vermindern und dadurch Kälte zu erzeugen. Typischerweise wird eine Lastvorrichtung wie z.B. ein Generator, ein Dynamometer oder ein Kompressor benutzt, um die Energie zurückzugewinnen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß dieser Erfindung.
  • Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß dieser Erfindung.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf FIG. 1 wird saubere, kühle, verdichtete Einsatzluft 1 in einem Wärmetauscher 30 durch indirekten Wärmeaustausch gegen Rückflußströme gekühlt. Die Einsatzluft steht unter einem Druck, der zum Verdampfen von Flüssigkeit ausreicht, um unter erhöhtem Druck stehendes Produktgas zu erzeugen, wie untenstehend detaillierter beschrieben wird. Im allgemeinen wird die Einsatzluft unter einem Druck stehen, der im Bereich von 6,2 bis 34,5 bar (90 bis 500 Pfund pro Quadratinch absolut (psia)) liegt.
  • Die Einsatzluft wird in zwei Teile zerlegt. Der erste Teil 4, der 5 bis 40 % der Einsatzluft ausmachen kann, wird durch eine Wärmetauscheranordnung geleitet, bei welcher es sich um einen Zweifachproduktaufkocher 31 handelt. Der Luftanteil 4 wird zumindest teilweise in dem Zweifachproduktaufkocher 31 kondensiert, und er kann vollständig kondensiert werden. Der Luftanteil 4 wird dann über eine Leitungsanordnung zu einer Wärmetauscher- oder Unterkühlanordnung 32, in welcher er unterkühlt wird, und durch ein Ventil 33 geleitet, und anschließend wird er als ein Strom 6 in die erste oder Hochdrucksäule 34 geleitet, welche die bei einem höheren Druck arbeitende Säule eines Doppelsäulensystems einer Luftzerlegungsanlage ist. Die Hochdrucksäule 34 arbeitet im allgemeinen bei einem Druck im Bereich von 4,1 bis 6,9 bar (60 bis 100 psia).
  • Der zweite Teil 5 der Einsatzluft, der 50 bis 90 % der Einsatzluft ausmachen kann, wird durch einen Turboexpander 35 turboexpandiert, um Kälte für die Tieftemperaturzerlegung zu erzeugen. Der expandierte Luftanteil 36 wird dann in die Hochdrucksäule 34 eingeleitet.
  • Ein Teil 3 der Einsatzluft kann in einem Wärmetauscher 37 durch indirekten Warmeaustausch gegen Niederdruck-Stickstoff gekühlt, durch ein Ventil 38 geleitet und als ein Teil des Stromes 6 in die Hochdrucksäule 34 geleitet werden. Falls der Anteil 4 der Einsatzluft mittels Durchleitens durch den Zeifachproduktaufkocher 31 nur teilweise kondensiert ist, kann alternativ der unkondensierte Anteil benutzt werden, um statt des Teils 3 oder zusätzlich zu diesem den Wärmeaustausch in dem Warmetauscher 37 auszuführen.
  • Innerhalb der Hochdrucksäule 34 wird die Einsatzluft durch Tieftemperatur-Rektifikation in mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit und mit Stickstoff angereicherten Dampf zerlegt. Mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird durch eine Leitungsanordnung zu einem Wärmetauscher 66 geleitet 9, in welchem sie durch indirekten Wärmeaustausch mit Niederdruck-Stickstoff gekühlt wird, und dann wird sie zu einer zweiten oder Niederdrucksäule 39 geleitet, die bei einem Druck arbeitet, der unter jenem liegt, bei welchem die Hochdrucksäule 34 arbeitet, und der im allgemeinen im Bereich von 1,0 bis 2,1 bar (15 bis 30 psia) liegt. Mit Stickstoff angereicherter Dampf wird durch eine Leitungsanordnung von der Hochdrucksäule 34 zu einem Kondensator/Aufkocher 41 geleitet 40, im welchem er durch indirekten Wärmeaustausch mit Sumpfflüssigkeit der Säule 39 kondensiert wird. Der Kondensator/Aufkocher 41 befindet sich vorzugsweise innerhalb der Niederdrucksäule 39, obschon er sich auch außerhalb der Säule befinden kann. Die sich ergebende, mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit 42 wird aus dem Kondensator/Aufkocher 41 herausgeleitet, und ein Teil 43 wird der Hochdrucksäule 34 als Rückfluß zugeleitet. Mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit wird von der Hochdrucksäule 34 durch den Wärmetauscher 66 geleitet 8 und in die Niederdrucksäule 39 eingebracht. Alternativ könnte statt dem Strom 8 von der Hochdrucksäule 34 ein Teil der Flüssigkeit 42 als Rückfluß der Niederdrucksäule 39 zugeleitet werden.
  • Innerhalb der Niederdrucksäule 39 werden die in die Säule eingeleiteten Fluide mittels Tieftemperatur-Rektifikation in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffreiche Flüssigkeit zerlegt. Stickstoffreicher Dampf wird von der Niederdrucksäule 39 entfernt 10, und dieser Niederdruck-Stickstoff wird durch nachfolgendes Durchleiten durch die Wärmetauscher 66, 37 und 30 erwärmt, und er kann als Niederdruck-Stickstoffgasprodukt 11 gewonnen werden. Sauerstoffreiche Flüssigkeit dient dem Kondensieren des mit Stickstoff angereicherten Dampfes in Strom 40, und sie sorgt somit für eine nach oben gerichtete Dampfströmung für die Niederdrucksäule 39.
  • Ein Teil 13 der sauerstoffreichen Flüssigkeit wird von der Niederdrucksäule 39 entfernt und dem Zweifachproduktaufkocher 31 zugeleitet. Bei der in FIG. 1 veranschaulichten, bevorzugten Ausführungsform wird die sauerstoffreiche Flüssigkeit aufgedrückt und somit bei erhöhtem Druck in dem Zweifachproduktaufkocher verdampft, um Sauerstoffgasprodukt mit erhöhtem Druck zu erzeugen. Unter erneuter Bezugnahme auf FIG. 1 wird sauerstoffreiche Flüssigkeit 13 durch ein Ventil 44 in mindestens einen Tank geleitet. Wie veranschaulicht in FIG. 1, wird die sauerstoffreiche Flüssigkeit in einen oder beide Tanks 45 und 46 über Ventile 47 bzw. 48 eingeleitet, und dann durch Ventile 49 bzw. 50 und ein Ventil 51 als Strom 14 zu der Unterkühlanordnung 32. Der Tank oder die Tanks dienen dazu, flüssigen Produktsauerstoff für eine spätere Abgabe als Produktsauerstoff zu speichern. Der Tank oder die Tanks können mit einer Druckaufbauschlange oder einer anderen Anordnung zum Steigern des Drucks der sauerstoffreichen Flüssigkeit ausgerüstet sein. Alternativ kann der Druck der sauerstoffreichen Flüssigkeit mittels einer Flüssigkeitspumpe oder eines Flüssigkeitsgefälles, d.h. dem Niveauunterschied zwischen Flüssigkeitspegeln, gesteigert werden. Die unter Druck stehende sauerstoffreiche Flüssigkeit wird mittels Durchleitens durch die Unterkühlanordnung 32 erwärmt, und der sich ergebende Strom 52 wird zu einem Phasenabscheider 53 geleitet. Sauerstoffreiche Flüssigkeit 54 wird von dem Phasenabscheider 53 durch den Zweifachproduktaufkocher 31 geleitet, in welchem sie teilweise verdampft wird, und sie dient wie oben beschrieben dazu, die Kondensation der Einsatzluft auszuführen. Ein Zweiphasenstrom 17 wird zu dem Phasenabscheider 53 zurückgeleitet, und Dampf 55 wird von dem Phasenabscheider 53 durch den Wärmetauscher 30 geleitet und als Hochdruck-Sauerstoffgasproduktstrom 18 gewonnen. Das Hochdruck-Sauerstoffgasprodukt kann einen Druck im Bereich von 2,7 bis 44,8 bar (40 bis 650 psia) haben. In Abhängigkeit von der verfügbaren Systemkühlung können zusätzlich einige Flüssigkeitsprodukte gewonnen werden. Zum Beispiel können flüssiger Sauerstoff 75 und flüssiger Stickstoff 76 zusammen mit den Gasprodukten höheren Drucks erzeugt werden.
  • Mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit wird von dem Kondensator/Aufkocher 41 zu dem Zweifachproduktaufkocher 31 geleitet. Bei der in FIG. 1 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform wird die mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit aufgedrückt und somit bei erhöhtem Druck in dem Zweifachproduktaufkocher verdampft, um Stickstoffgasprodukt mit erhöhtem Druck zu erzeugen. Unter erneuter Bezugnahme auf FIG. 1 wird mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit durch ein Ventil 57 in mindestens einen Tank geleitet 56. Wie veranschaulicht in FIG. 1 wird die mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit in einen oder beide Tanks 58 und 59 über Ventile 60 bzw. 61 eingeleitet, und dann durch Ventile 62 bzw. 63 zu der Unterkühlanordnung 32. Der Tank oder die Tanks dienen dazu, flüssigen Produktstickstoff für eine spätere Abgabe als Produktstickstoff zu speichern. Der Tank oder die Tanks können mit einer Drnckaufbauschlange oder einer anderen Anordnung zum Steigern des Drucks der mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit ausgerüstet sein. Alternativ kann der Druck der mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit mittels einer Flüssigkeitspumpe oder eines Flüssigkeitsgefälles gesteigert werden. Die unter Druck stehende, mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit 15 wird mittels Durchleitens durch die Unterkühlanordnung 32 erwärmt, und dann mittels Durchleitens durch den Zweifachproduktaufkocher 31 verdampft, in welchem sie wie oben beschrieben dazu dient, die Kondensation der Einsatzluft auszuführen. Ein Stickstoffdampfstrom 64 wird durch den Wärmetauscher 30 geleitet und als Hochdruck-Stickstoffgasproduktstrom 65 gewonnen. Das Hochdruck-Stickstoffgasprodukt kann einen Druck im Bereich von 6,9 bis 41,4 bar (100 bis 600 psia) haben.
  • Das Tieftemperatursystem gemäß dieser Erfindung kann Stickstoff mit einer Reinheit von mindestens 99 % und bis zu einer Reinheit von 99,99 % oder mehr erzeugen, und es kann Sauerstoff mit einer Reinheit im Bereich von 95 bis 99,95 % erzeugen. Falls erwünscht, kann eine gewisse Menge an flüssigem Sauerstoff und/oder flüssigem Stickstoff ohne Verdampfung direkt von den Säulen gewonnen werden. Falls erwünscht, könnte außerdem eine gewisse Menge an gasfürmigem Sauerstoff oder gasförmigem Stickstoff direkt von Säulen gewonnen werden.
  • FIG. 2 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein erster Teil der Einsatzluft turboexpandiert wird, bevor er durch den Zweifachproduktaufkocher geleitet wird. Die Bezugszeichen in FIG. 2 entsprechen für die gemeinsamen Elemente jenen von FIG. 1, und diese gemeinsamen Elemente werden nicht erneut beschrieben. Bei der in FIG. 2 veranschaulichten Ausführungsform wird ein erster Teil 70 der sauberen, kühlen, verdichteten Einsatzluft von etwa der Mitte des Warmetauschers 30 entnommen und durch einen Turboexpander 71 expandiert. Der sich ergebende erste Teil 72 der Einsatzluft wird dann durch den Zweifachproduktaufkocher 31 und den Wärmetauscher 32 geleitet und anschließend mit dem zweiten Teil der Einsatzluft stromab von dem Turboexpander 35 kombiniert und als Strom 67 in die Hochdrucksäule 34 eingeleitet. Bei der in FIG. 2 veranschaulichten Ausführungsform liefert die zusätzliche Turboexpansion von Einsatzluft zusätzliche Kälte für die Säulen, wodurch die Erzeugung von mehr Flüssigkeitsprodukten ermöglicht wird. Die gasförmigen Produkte würden jedoch bei niedrigeren Drücken erzeugt werden.
  • Die Einbauten der Hochdruck- und/oder der Niederdrucksäule können Böden oder Packung aufweisen. Falls Packung benutzt wird, kann es sich entweder um willkürliche Packung oder um strukturierte Packung handeln. Die Erfindung ist jedoch für einen Gebrauch mit Einbauten, die strukturierte Packung aufweisen, besonders geeignet. Dies liegt daran, daß Packung die Betriebsdrücke in den Säulen senken wird, wodurch eine Verbesserung der Produktausbeuten und eine Steigerung der Flüssigkeitserzeugung unterstützt wird. Zu mit Packung versehenen Säulen können zusätzliche Stufen hinzugefügt werden, ohne den Betriebsdruck der Säule wesentlich zu erhöhen. Strukturierte Packung wird gegenüber willkürlicher Packung bevorzugt, da deren Leistung besser vorhersagbar ist, und da bei einer gegebenen Betthöhe mehr Stufen erreicht werden können. Dies ist hinsichtlich der Erstkosten und der Komplexität des Systems von Bedeutung.
  • In Tabelle I ist eine Zusammenfassung einer Computersimulation der Erfindung aufgelistet, die gemäß der in FIG. 1 veranschaulichten Ausführungsform vorgenommen wurde. Die Werte in Tabelle I werden zu Anschauungszwecken dargelegt, und sie sollen nicht begrenzen. Die Nummern der Ströme in Tabelle I entsprechen jenen von FIG. 1. Tabelle I Strom Temperatur Druck Durchflußmenge Konzentration (Mol.%)

Claims (19)

1. Verfahren zur Tieftemperatur-Luftzerlegung zum Erzeugen von Sauerstoff und Stickstoff, bei dem:
(A) Einsatzluft (5, 4, 72) in eine Hochdrucksäule (34) eingeleitet und die Einsatzluft in der Hochdrucksäule in mit Stickstoff angereicherten Dampf (40) und mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit (9) getrennt wird;
(B) mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit (9) von der Hochdrucksäule (34) in eine Niederdrucksäule (39) übergeleitet wird;
(C) mit Stickstoff angereicherter Dampf (40) kondensiert wird, um mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit (42) zu erzeugen, und mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit (8) in die Niederdrucksäule (39) übergeleitet wird;
(D) die in die Niederdrucksäule (39) übergeleiteten Fluide (8, 9) in stickstoffreichen Dampf (10) und sauerstoffreiche Flüssigkeit (13) getrennt werden;
(E) sauerstoffreiche Flüssigkeit (13) von der Niederdrucksäule (39) abgezogen wird, der Druck der abgezogenen sauerstoffreichen Flüssigkeit erhöht wird und die unter erhöhtem Druck stehende sauerstoffreiche Flüssigkeit (14) in indirekten Wärmeaustausch in einem Zweifachproduktaufkocher (31) mit Einsatzluft (4, 72) gebracht wird, um Produktsauerstoffgas (18) zu erzeugen; und
(F) mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit abgezogen wird, die durch die Kondensation von mit Stickstoff angereichertem Dampf im Verfahrensschritt (C) gegen sauerstoffreiche Flüssigkeit erzeugt wird, der Druck der abgezogenen, mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit erhöht wird und die unter erhöhtem Druck stehende, mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit (15) in indirekten Wärmeaustausch in dem Zweifachproduktaufkocher (31) mit Einsatzluft (4, 72) gebracht wird, um Produktstickstoffgas (65) zu erzeugen, wobei die Einsatzluft (4, 72) durch die Wärmeaustauschschritte von (E) und (F) mindestens teilweise kondensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Einsatzluft in einen ersten Teil (72) und einen zweiten Teil (5) geteilt wird und der erste Teil durch den Wärmeaustausch der Verfahrensschritte (E) und (F) mindestens teilweise kondensiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Teil (72) der Einsatzluft durch den Wärmeaustausch der Verfahrensschritte (E) und (F) vollkommen kondensiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der zweite Teil (5) vor seinem Einleiten in die Hochdrucksäule (34) turboexpandiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der erste Teil (72) der Einsatzluft vor dem Wärmeaustausch der Verfahrensschritte (E) und (F) turboexpandiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner aus der Niederdrucksäule (39) entnommener stickstoffreicher Dampf (10) gewonnen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mit Stickstoff angereicherte Dampf (40) durch indirekten Austausch mit sauerstoffreicher Flüssigkeit kondensiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner etwas sauerstoffreiche Flüssigkeit (75) gewonnen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner etwas mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit (76) gewonnen wird.
10. Vorrichtung zur Tieftemperatur-Luftzerlegung zum Erzeugen von Sauerstoff und Stickstoff mittels des Verfahrens nach Anspruch 1, versehen mit:
einer Hochdrucksäule (34) zum Trennen von in die Hochdrucksäule eingeleiteter Einsatzluft (5, 4, 72) in mit Stickstoff angereicherten Dampf (40) und mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit (9);
einer Niederdrucksäule (39) zum Trennen der in die Niederdrucksäule eingeleiteten Fluide (8, 9) in stickstoffreichen Dampf (10) und sauerstoffreiche Flüssigkeit (13);
einer Leitungsanordnung zum Überleiten von mit Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit (9) von der Hochdrucksäule (34) in die Niederdrucksäule (39);
einem Kondensator/Aufkocher (41) zum Kondensieren von mit Stickstoff angereichertem Dampf (40) gegen sauerstoffreiche Flüssigkeit zum Erzeugen von mit Stickstoff angereicherter Flüssigkeit (42);
einer Leitungsanordnung zum Überleiten von mit Stickstoff angereicherter Flüssigkeit (8) in die Niederdrucksäule (39);
einer Leitungsanordnung zum Abziehen von sauerstoffreicher Flüssigkeit (13) von der Niederdrucksäule (39) und einer Anordnung zum Erhöhen des Druckes der abgezogenen sauerstoffreichen Flüssigkeit;
einer Leitungsanordnung zum Abziehen von mit Stickstoff angereicherter Flüssigkeit von dem Kondensator/Aufkocher (41) und einer Anordnung zum Erhöhen des Druckes der abgezogenen mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit;
einem Zweifachproduktaufkocher (31), der so angeschlossen ist, daß er Einsatzluft (4, 72) die unter erhöhtem Druck stehende sauerstoffreiche Flüssigkeit (14) und die unter erhöhtem Druck stehende, mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit (15) aufnimmt, wobei die unter erhöhtem Druck stehende sauerstoffreiche Flüssigkeit (14) und die unter erhöhtem Druck stehende, mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit (15) in dem Zweifachproduktaufkocher (31) in indirekten Wärmeaustausch mit Einsatzluft (4, 72) gebracht werden, um Produktsauerstoffgas (18) und Produktstickstoffgas (65) zu erzeugen und die Einsatzluft mindestens teilweise zu kondensieren, und
einer Leitungsanordnung zum Überleiten von mindestens teilweise kondensierter Einsatzluft von dem Produktaufkocher (31) zu der Hochdrucksäule (34).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei eine Anordnung zum Überleiten von sauerstoffreicher Flüssigkeit (13) von der Niederdrucksäule (39) zu dem Zweifachproduktaufkocher (31) mindestens einen Tank (45, 46) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei eine Anordnung zum Überleiten von mit Stickstoff angereicherter Flüssigkeit (42) von dem Kondensator/Aufkocher (41) zu dem Zweifachproduktaufkocher (31) mindestens einen Tank (58, 59) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Anordnung zum Erhöhen des Druckes der von der Niederdrucksäule (39) abgezogenen sauerstoffreichen Flüssigkeit eine Flüssigkeitspumpe aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Anspruche 10 bis l3, wobei die Anordnung zum Erhöhen des Druckes der von dem Kondensator/Aufkocher (41) abgezogenen, mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit eine Flüssigkeitspumpe aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, ferner versehen mit einem Turboexpander (35), der mit der ersten Säule (34) in Strömungsverbindung steht.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, ferner versehen mit einer Unterkühlanordnung (32), die der Leitungsanordnung von dem Zweifachproduktaufkocher (31) zu der Hochdrucksäule (34) zugeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, ferner versehen mit einem Turboexpander (71), der mit dem Zweifachproduktaufkocher (31) in Strömungsverbindung steht.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei mindestens ein Teil der Einbauten der Hochdrucksäule (34) strukturierte Packung aufweist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei mindestens ein Teil der Einbauten der Niederdrucksäule (39) strukturierte Packung aufweist.
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