DE69201522T2 - Hochdruck-Lufttrennungsverfahren mit Gewinnung von Flüssigkeit. - Google Patents

Hochdruck-Lufttrennungsverfahren mit Gewinnung von Flüssigkeit.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kryogenes Verfahren zur Destillation von Luft in ihre sie bildenden Komponenten zur Bereitstellung mindestens eines flüssigen Produktes.
  • Oftmals erfordern es bestimmte Anwendungen für die die Luft zusammensetzenden Komponenten, daß diese Komponenten von der Lufttrennungsanlage als flüssige Produkte erzeugt werden. Kryogene Lufttrennungskreisläufe mit erhöhtem Druck haben den Vorteil geringerer Anlagengröße und geringeren Durchmessers bei den Pipelines, weisen aber auch auf Druckabfälle enflang dieser Pipelines und Anlagen zurückzuführende Energieverluste auf. Leider befindet sich von einer Lufttrennungsanlage mit erhöhtem Druck erzeugter Stickstoff typischerweise auf einem höheren Druck, als für seine Anwendungen benötigt wird. Die Energie dieses überschüssigen Druckes des Stickstoffs aus einem Kreislauf mit erhöhtem Druck kann dazu verwendet werden, flüssige Produkte herzustellen. Aufgrund der Verfügbarkeit dieser überschüssigen Druckenergie stellt sich die Aufgabe, effizientere Wege der Verwendung dieser Druckenergie aus dem Stickstoffprodukt des Kreislaufs mit erhöhtem Druck zu finden.
  • Der herkömmliche Weg der Erzeugung von Flüssigsauerstoff und/oder Flüssigstickstoff besteht darin, zu der Lufttrennungseinheit mit Niederdruckkreislauf einen Verflüssiger hinzuzufügen, wobei die Niederdruckkolonne in einem Druckbereich von 15 bis 60 kPa (2 bis 9 psig) arbeitet. Der Verflüssiger kann in die Lufttrennungsanlage, z.B. so wie in der US-A-4,152,130 gezeigt integriert werden, bei der komprimierte Luft expandiert wird, um die für die Verflüssigung benötigte Kälte bereitzustellen. Luftexpansionskreisläufe haben den Nachteil, daß die Argon - und Sauerstoffausbeute erheblich zurückgeht, wenn große Mengen von flüssigem Stickstoffprodukt benötigt werden.
  • Die US-A-4,705,548 lehrt die Verwendung von Wärmepumpen bei Stickstoff, um dieses Problem der Ausbeute zu lösen, jedoch bringt dieser Wärmepumpschritt unglücklicherweise Unzulänglichkeiten mit sich, da die Exergieverluste in den Wärmetauschern und die Kapitalkosten ansteigen.
  • Die GB-A-1,450,164 offenbart ein Verfahren, bei dem die Luftzufuhr zu einem kryogenen Luftdestillationssystem zum Erzeugen eines flüssigen Produktes in mehreren Schritten auf 6,9 MPa (70 kp/cm²) und schließlich 9,8 MPa (100 kp/cm²) über Atmosphärendruck komprimiert und das komprimierte Gas auf -10 bis -35ºC abgekühlt wird. Ein Teil des abgekühlten komprimierten Gases wird in einer Expansionsturbine und der Rest an einer Drossel expandiert. Die expandierten Teilströme werden vor der Rektifikation wieder zusammengeführt. In einer Ausführungsform wird das gasförmige Stickstoffprodukt aus der Niederdruckkolonne eines Zweikolonnendestillationssystems an der Sumpfflüssigkeit aus der Hochdruckkolonne erwärmt und anschließend vor dem Wärmetausch mit der komprimierten Speiseluft expandiert. Vor der Expansion befindet sich das Stickstoffprodukt unterhalb des Taupunktes der komprimierten Speiseluft und wird bei der Expansion weiter abgekühlt. Dieser Kreislauf ist wegen des unnötigen Grades von Energieverschwendung durch die Verwendung der Kälte, die durch die Expansion des unter Druck gesetzten Stickstoffs erzeugt worden ist, nicht wirkungsvoll. In der GB-A-1,450,164 ist keine Information bezüglich des Druckes der expandierten Speiseluft oder der nachfolgenden Drücke in dem Destillationssystem angegeben.
  • Die US-A-4,543,115 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von gasförmigem Stickstoff durch kryogene Destillation von Luft in einem Zweikolonnendestillationssystem, bei der die Speiseluft sowohl der Niederdruckkolonne als auch der Hochdruckkolonne zugeführt wird. Ein Verfahrensstrom wird an einer Expansionsturbine expandiert, um Kälte zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise ist der expandierte Verfahrensstrom ein Teil des Hochdruckspeiseluftstroms, es kann jedoch auch das Stickstoffprodukt aus der Niederdruckkolonne sein. In der dargestellten Ausführungsform, die das Niederdruckstickstoffprodukt verwendet, wird dieses Produkt durch Wärmeaustausch mit beiden Sumpfströmen aus der Hochdruckkolonne und der Speiseluft aus der Niederdruckkolonne erwärmt und dann vor dem Wärmeaustausch mit beiden Speiseluftströmen expandiert.
  • In dem Verfahren gemäß US-A-4,543,115 wird kein flüssiges Produkt erzeugt und der einzige genannte Druck in der Niederdruckkolonne übersteigt 750 kPa (110 psig).
  • Ein weiteres Problem herkömmlicher Lufttrennungsanlagen ist es, daß typischerweise große Mengen von Abfallstickstoff zur Herstellung von Kühlwasser, hierbei muß er auf einem Druck nahe dem Atmospharendruck (z.B. 3 kPa (0,5 psi) höher als der Atmosphärendruck) sein, und zur Regeneration der Molekularsiebbetten verwendet werden, hierbei muß er auf einem Druck von 7 bis 21 kPa (1 bis 3 psi) höher als Atmosphärendruck sein. Herkömmlicherweise werden beide Ströme von der Niederdruckkolonne erzeugt, wobei der Druck der Niederdruckkolonne durch den Druck des Molekularsiebregenerationsstroms bestimmt wird, wodurch ein höherer Kolonnendruck hervorgerufen wird, und wodurch sich ein höherer Abgabedruck aus dem Haupfluftkompressor ergibt. Ein anderer Weg, den Druck der Niederdruckkolonne einzustellen ist es, diesen entsprechend dem Druck des Stickstoffstroms zur Wasserkühlung einzustellen und den Regenerationsstrom auf den gewünschten Druck zu komprimieren. Diese Lösung erfordert mehr Kapital, da die Druckstufe für den Regenerationsstrom und für den Nachkühler zu den Kapitalkosten hinzukommen.
  • Gemäß eines ersten Aspekts stellt die vorliegende Erfindung ein kryogenes Verfahren zum Trennen eines Speiseluftstroms in seine ihn bildenden Komponenten zur Bereitstellung mindestens eines flüssigen Produktes bereit, wobei das Verfahren ein Destillationskolonnensystem verwendet, welches zumindest eine Hochdruckdestillationskolonne und eine Niederdruckdestillationskolonne aufweist, die in thermischer Verbindung miteinander stehen, wobei die Niederdruckkolonne bei einem Druck von 60 bis 520 kPa (9 bis 75 psig) arbeitet, die Niederdruckkolonne ein Stickstoffprodukt erzeugt, mindestens 50 % der Speiseluft zu dem Destillationskolonnensystem von der Niederdruckkolonne als das besagte Stickstoffprodukt entfernt wird und wobei das Stickstoffprodukt eine Stickstoffkonzentration von mindestens 95 % aufweist und einen Druck von mindestens 60 kPa (9 psig) hat, wobei
  • a) das Stickstoffprodukt durch Wärmeaustausch mit einem geeigneten Verfahrensstrom erwärmt wird;
  • b) das erwärmte Stickstoffprodukt isentropisch expandiert wird, um seine Temperatur (i) unter die Temperatur von mindestens einem der Flüssigströme, die von der Hochdruckkolonne abgezogen worden sind, oder (ii) auf oder unterhalb den Taupunkt der Speiseluft abzusenken; und
  • c1) der Flüssigstrom wird / die Flüssigströme werden durch Wärmeaustausch mit dem expandierten Stickstoff unterkühlt, bevor der Druck des Flüssigstroms / der Flüssigströme an einem Ventil isenthalpisch vermindert wird und/oder
  • c2) die Speiseluft wird durch Wärmeaustausch mit dem expandierten Stickstoff abgekühlt, vorausgesetzt, daß der expandierte Stickstoff des Schrittes c2) vor der Expansion durch Wärmeaustausch mit der Speiseluft erwärmt wurde.
  • Gemäß eines zweiten Aspekts stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung in einem kryogenen Verfahren gemäß der Erfindung bereit, welche aufweist:
  • ein Destillationskolonnensystem, welches mindestens eine Hochdruckdestillationskolonne und eine Niederdruckkolonne aufweist, die in thermischer Verbindung miteinander stehen;
  • einen Wärmetauscher, welcher das Stickstoffprodukt durch einen geeigneten Verfahrensstrom erwärmt;
  • eine Expansionseinrichtung, die das erwärmte Stickstoffprodukt isentropisch expandiert; und
  • einen Wärmetauscher, der zumindest einen der von der Hochdruckkolonne abgezogenen Flüssigströme gegen den isentropisch expandierten Stickstoff unterkühlt, bevor der Druck des Flüssigstromes an einem Ventil isenthalpisch reduziert wird, und/oder einen Wärmetauscher, der das Stickstoffprodukt vor der Expansion gegen Speiseluft aufwärmt und die Speiseluft an dem isentropisch expandierten Stickstoff abkühlt.
  • In dem Verfahren wird ein Destillationskolonnensystem mit mindestens zwei Destillationskolonnen, einer Hochdruckdestillationskolonne und einer Niederdruckdestillationskolonne, verwendet, wobei diese beiden Destillationskolonnen in thermischer Verbindung miteinander stehen. Die Niederdruckkolonne des Destillationskolonnensystems arbeitet bei einem Druck zwischen 60 und 520 kPa (9 bis 75 psig) und von ihrem Kopfabschnitt wird ein Stickstoffprodukt erzeugt. Mindestens 50 % der Luft zu dem Destillationskolonnensystem wird als das besagte Stickstoffprodukt abgezogen, welches eine Stickstoffkonzentration von mindestens 95 % aufweist und einen Druck von mindestens 60 kPa (9 psig) hat.
  • Die Verbesserung des Verfahrens liegt in einer Reihe von Verfahrensschritten, die es erlauben, die Erzeugung eines flüssigen Produktes mit dem kryogenen Verfahren auf wirksame Art und Weise zu erzielen. Diese Schritte sind zunächst das Erwärmen des Stickstoffproduktes, seine nachfolgende nahezu isentropische Expansion und die Verwendung der enthaltenen Kälte des expandierten Stickstoffs. Diese Schritte können auf drei Weisen ausgeführt werden.
  • Die erste umfaßt die Schritte:
  • a) Erwärmen des Stickstoffproduktes durch Wärmeaustausch mit einem geeigneten Verfahrensstrom;
  • b) isentropische Expansion dieses erwärmten Stickstoffproduktes in einer Expansionseinrichtung, so daß sich als Ergebnis dieser Expansion die Temperatur des expandierten Stickstoffs auf einer niedrigeren Temperatur befindet als die Temperatur der aus der Hochdruckkolonne abgezogenen Flüssigströme; und
  • c1) Unterkühlen der aus der Hochdruckkolonne abgezogenen Flüssigströme durch Wärmeaustausch mit dem isentropisch expandierten Stickstoff, bevor der Druck der Flüssigströme an einem Ventil isenthalpisch vermindert wird.
  • Der zweite Weg, umfaßt die Schritte:
  • a) Erwärmen des Stickstoffproduktes durch Wärmeaustausch mit der Speiseluft;
  • b) isentropische Expansion des erwärmten Stickstoffproduktes in einer Expansionseinrichtung, so daß als Ergebnis dieser Expansion die Temperatur des expandierten Stickstoffs auf oder unterhalb des Taupunktes der Speiseluft zu dem Doppelkolonnendestillationssystem liegt; und
  • c2) Kühlen und wenn möglich Kondensieren der Speiseluft durch Wärmeaustausch mit dem isentropisch expandierten Stickstoff.
  • Der dritte Weg ist eine Teilung des Stickstoffproduktes in zwei Teilströme und Verwenden eines Teilstroms zur Ausführung der ersten Gruppe von Verfahrensschritten und des anderen Teilstroms zur Ausführung der zweiten Gruppe von Verfahrensschritten.
  • Ein Reinigungsluftstrom zur Bettregeneration kann von den anderen Stickstoffprodukten, die von dem Kreislauf mit erhöhtem Druck hergestellt werden, getrennt hergestellt werden. Dieser Regenerationsstrom kann aus einem Stickstoffprodukt aus der Hochdruckkolonne oder aus einem Stickstoffprodukt aus der Niederdruckkolonne expandiert werden. Es gibt zahlreiche Wege, diese beiden Verfahren der Erzeugung eines Regenerationsstroms in den Kreislauf einzuarbeiten.
  • Ein Teil des erwärmten Stickstoffes des Schrittes a) kann getrennt isentropisch expandiert werden, und zwar auf einen Druck, der 7 bis 21 kPa (1 bis 3 psi) niedriger als der Abgabedruck des isentropisch expandierten Stickstoffes aus Schritt b) liegt, und verwendet werden, um Molekularsiebbetten zu regenerieren, die verwendet werden, um den Speiseluftstrom vorzureinigen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird
  • das erwärmte Stickstoffprodukt in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt;
  • der erste Teilstrom isentropisch expandiert, um seine Temperatur unter die Temperatur mindestens eines aus der Hochdruckkolonne abgezogen Flüssigstromes abzusenken;
  • /wird der Flüssigstrom / werden die Flüssigströme durch Wärmeaustausch mit dem expandierten ersten Teilstrom unterköhlt, bevor der Druck des Flüssigstromes / der Flüssigströme an einem Ventil isenthalpisch reduziert wird;
  • der zweite Teilstrom durch Wärmeaustausch mit der Speiseluft erwärmt;
  • das erwärmte zweite Teilstromprodukt isentropisch expandiert, um seine Temperatur auf oder unter den Taupunkt der Speiseluft abzusenken; und
  • die Speiseluft durch Wärmeaustausch mit den isentropisch expandierten ersten und zweiten Teilströmen abgekühlt.
  • Wenn das expandierte Stickstoffprodukt dazu verwendet wird, die Speiseluft zu kühlen, kann der Grad der Kühlung so weit gehen, daß die Speiseluft zum Teil kondensiert wird.
  • Die Erfindung stellt weiter eine Vorrichtung zur Verwendung in einem kryogenen Verfahren gemäß der Erfindung bereit, welche aufweist:
  • ein Destillationskolonnensystem, welches mindestens eine Hochdruckdestillationskolonne und eine Niederdruckkolonne aufweist, die in thermischer Verbindung miteinander stehen;
  • einen Wärmetauscher, welcher das Stickstoffprodukt durch einen geeigneten Verfahrensstrom erwärmt;
  • eine Expansionseinrichtung, die das erwärmte Stickstoffprodukt isentropisch expandiert; und
  • einen Wärmetauscher, der zumindest einen der von der Hochdruckkolonne abgezogenen Flüssigströme gegen den isentropisch expandierten Stickstoff unterkühlt, bevor der Druck des Flüssigstromes an einem Ventil isenthalpisch reduziert wird, und/oder einen Wärmetauscher, der das Stickstoffprodukt vor der Expansion gegen Speiseluft aufwärmt und die Speiseluft an dem isentropisch expandierten Stickstoff abkühlt.
  • Geeigneterweise umfaßt die Vorrichtung
  • zwei Expansionseinrichtungen, die das erwärmte Stickstoffprodukt isentropisch expandieren, wobei beide Wärmetauscher isentropisch expandierten Stickstoff aufnehmen und wobei eine der Expansionseinrichtungen einen ersten Teilstrom des Stickstoffproduktes isentropisch expandiert, bevor dieser dem Wärmetauscher zugeführt wird, um den Flüssigstrom zu unterkühlen;
  • ein weiterer Wärmetauscher erwärmt einen zweiten Teilstrom des Stickstoffproduktes an einem geeigneten Verfahrensstrom und die andere der Expansionseinrichtungen expandiert das erwärmte zweite Teilstromprodukt isentropisch, bevor dieses dem Wärmetauscher zum Kühlen der Speiseluft zugeführt wird.
  • Das Folgende ist eine beispielhafte Beschreibung an Hand und mit Bezug auf die Zeichnungen verschiedener Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In den Zeichnungen sind:
  • Figuren 1 bis 8 und Figur 10 schematische Diagramme der Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • Figur 9 ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen Lufttrennungsverfahrens.
  • Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung eines kryogenen Lufttrennungsverfahrens, welches ein Destillationskolonnensystem mit zumindest zwei Kolonnen aufweist, wobei der Betriebsdruck der Niederdruckkolonne über den konventionellen Druck von 15 bis 60 kPa (2 bis 9 psig) erhöht wird. Wenn der Druck der Niederdruckkolonne zwischen 60 und 520 kPa ( 9 bis 75 psig) liegt, wird ein Niederdruckkolonnen-Stickstoffprodukt bei ähnlichen Drücken erzeugt. Darüber hinaus werden zumindest 50 % der eingebrachten Luft in die Lufttrennungsanlage als das besagte Niederdruckkolonnen-Stickstoffprodukt abgezogen; das entfernte Stickstoffprodukt weist eine Stickstoffkonzentration von mindestens 95 % und einen Druck von mindestens 60 kPa (9 psig) auf. Ein nennenswerter Teil dieses Stickstoffes mit erhöhtem Druck aus der Destillationskolonne wird in einer Expansionseinrichtung bei einer kryogenen Temperatur isentropisch expandiert, um die Kälte zur Erzeugung des Flüssigstickstoffs und/oder des Flüssigsauerstoffs und/oder des Flüssigargons bereitzustellen.
  • Die Verbesserung umfaßt die Art und Weise, auf die der Stickstoff mit erhöhtem Druck in einem (oder mehreren) Expansionseinrichtungen bei kryogenen Temperaturen isentropisch expandiert wird. Vorzugsweise wird die Expansion auf einem der folgenden beiden Wege vollzogen:
  • 1. Erwärmen des aus der Niederdruckkolonne eines Doppelkolonnendestillationssystems abgezogenen Stickstoffproduktes durch Wärmeaustausch mit einem geeigneten Verfahrensstrom, isentropisches Expandieren dieses erwärmten Niederdruckkolonnenstickstoffes in einer Expansionseinrichtung, so daß als Ergebnis dieser Expansion die Temperatur des expandierten Stickstoffes auf einer Temperatur ist, die niedriger ist als die Temperatur der Flüssigströme, die aus der Hochdruckkolonne des Doppelkolonnendestillationssystems abgezogen worden sind, und Unterkühlen der aus der Hochdruckkolonne abgezogenen Flüssigströme durch Wärmeaustausch mit dem isentropisch expandierten Stickstoff vor der isenthalpischen Verminderung des Druckes der Flüssigströme an einem Ventil; oder
  • 2. Erwärmen des aus der Niederdruckkolonne eines Doppelkolonnendestillationssystems abgezogenen Stickstoffproduktes durch Wärmeaustausch mit der Speiseluft, isentropisches Expandieren dieses erwärmten Niederdruckkolonnenstickstoffs in einer Expansionseinrichtung, so daß als Ergebnis dieser Expansion die Temperatur des expandierten Stickstoffes am oder unterhalb des Taupunktes der Speiseluft zu dem Doppelkolonnendestillationssystems liegt, und Kühlen und wenn möglich teilweises Kondensieren der Speiseluft durch Wärmeaustausch mit dem isentropisch expandierten Stickstoff.
  • Die oben genannten zwei Verfahren der Expansion können kombiniert werden, und es können zwei oder mehr Expansionseinrichtungen für die Expansion der Stickstoffströme mit erhöhtem Druck verwendet werden.
  • Die Figuren 1 bis 8 und die Figur 10 sind Flußdiagramme, die mögliche Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. Auf die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen wird als LEP-, SEP-, BEP- und EP-Kreisläufe bezug genommen.
  • Die Ausführungsformen der Figuren 1 bis 8 und der Figur 10 weisen zahlreiche herkömmliche Merkmale auf. Zur Vereinfachung des Verständnisses werden diese Merkmale, die die wesentlichen kryogenen Destillationsabschnitte der Kreisläufe darstellen, nun beschrieben. Mit Bezug auf die Figuren wird komprimierte Speiseluft, die von jeglichen teilchenförmigen Bestandteilen, von Wasser, Kohlendioxyd und anderen Komponenten, die bei anderen kryogenen Temperaturen gefrieren, befreit worden ist, dem Hauptwärmetauscher 900 durch die Leitung 101 zugeführt, um diese auf eine Temperatur nahe ihres Taupunktes abzukühlen. Die gekühlte Speiseluft wird dann durch die Leitung 110 der Hochdruckkolonne 902 zur Rektifikation in ein Hochdruckstickstoff-Kopfprodukt und eine sauerstoffreiche Flüssigkeit im Sumpf zugeführt.
  • Ein Teil des Hochdruckstickstoff-Kopfprodulttes wird von der Hochdruckkolonne 902 über die Leitung 120 abgezogen und in einem, im Sumpf der Niederdruckkolonne 904 angeordneten Aufkocherkondensierer 912, gegen kochenden flüssigen Sauerstoff vollständig kondensiert. Der vollständig kondensierte flüssige Hochdruckstickstoff wird aus dem Aufkocher-Kondensierer 912 durch die Leitung 122 abgezogen und in zwei Teilströme aufgespalten. Der erste Teilstrom wird dem Kopf der Hochdruckkolonne 902 über die Leitung 124 als flüssiger Rückfluß zurückgeführt. Der zweite Teilstrom, Leitung 3, wird in dem Unterkühler 918 unterkühlt und abgeschreckt. Der resultierende flüssige Teil wird aus dem Verfahren über die Leitung 400 als flüssiges Stickstoffprodukt abgezogen. Der verbleibende Teil des Hochdruckstickstoff-Kopfproduktes wird aus der Hochdruckkolonne 902 über die Leitung 135 abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher 900 erwärmt, um die Kälte wiederzugewinnen, und als Hochdruckstickstoffprodukt über die Leitung 139 abgezogen.
  • Die sauerstoffreiche Sumpfflüssigkeit wird von der Hochdruckkolonne 902 über die Leitung 5 abgezogen, in den Unterkühlern 914 und 916 unterkühlt, abgeschreckt und dann über die Leitung 54 dem geeigneten Ort der Niederdruckkolonne 904 für die Destillation in ein Niederdruckkolonnen-Stickstoffkopfprodukt und ein Flüssigsauerstoffsumpfprodukt zugeführt.
  • Zumindest ein Teil des flüssigen Sauerstoffs im Sumpf wird in einem Aufkocherkondensierer 912 verdampft, um Dampf für die Niederdruckkolonne 904 bereitzustellen. Der verbleibende Teil des Flüssigsauerstoffsumpfproduktes kann von der Niederdruckkolonne 904 über die Leitung 117 abgezogen und in einem Unterkühler 916 unterkühlt werden, wodurch in der Leitung 500 ein Flüssigsauerstoffprodukt erzeugt wird. Ein Teil des verdampften Sauerstoffs aus dem Aufkocherkondensierer 912 wird aus der Niederdruckkolonne 904 über die Leitung 195 abgezogen und in dem Hauptwärmetauscher 900 erwärmt, um die Kälte zurückzugewinnen, wodurch in der Leitung 194 ein gasförmiges Sauerstoffprodukt hergestellt wird. Dieses gasförmige Sauerstoffprodukt, Leitung 194, kann weiter komprimiert werden, um den gewünschten Druck zu erzielen; dieses Verfahren der Sauerstoffkompression ist nicht dargestellt.
  • Die in den in Rede stehenden Figuren dargestellten Ausführungsformen stellen weiterhin ein reines Flüssigargonprodukt her. Zu diesem Zweck wird ein Argon enthaltender Dampfseitenstrom über die Leitung 66 von einer Zwischenstelle bzw. einer geeigneten Stelle der Niederdruckkolonne 904 abgezogen und dem Boden der Argonkolonne 906 zum Zwecke der Rektifikation in ein Argonkopfprodukt, welches weniger als 5000 Vol.-ppm Sauerstoff enthält, und ein Argon enthaltendes flüssiges Sumpfprodukt zugeführt. Das Argon enthaltende flüssige Sumpfprodukt wird aus der Argonkolonne 906 über die Leitung 68 abgezogen und wieder der Niederdruckkolonne 904 zurückgeführt. Das Argonkopfprodukt wird aus der Argonkolonne 906 über die Leitung 65 abgezogen und in zwei Teile aufgespalten. Der erste Teil, Leitung 63, wird in dem Aufkocher-Kondensierer 908 kondensiert und zum Kopf der Argonkolonne 906 als flüssiger Rückfluß zurückgeführt. Der zweite Teil, Leitung 64, wird in dem Adsorber 910 gereinigt, wodurch ein reines Argonprodukt hergestellt wird. Diese reine Argonprodukt, Leitung 62, wird dann in dem Aufkocher-Kondensierer 908 kondensiert, das kondensierte Argonprodukt, Leitung 60, in dem Unterkühler 918 unterkühlt und aus dem Verfahren als reines flüssiges Argonprodukt über die Leitung 600 abgezogen. Es sollte erwähnt werden, daß der Argonproduktstrom auch durch andere als die oben diskutierte Adsorptionstechnologie gereinigt werden kann. Beispiele für diese anderen Technologien sind "de-oxo"-Systeme oder "getter"- Systeme zum Entfernen von Sauerstoff und die Destillation zum Entfernen von Stickstoff. Der Aufkocherkondensierer 908 ist in der Niederdruckkolonne 904 zwischen dem Seitenstrom, Leitung 66, und der Zuführung der sauerstoffreichen Flüssigkeit, Leitung 54, angeordnet. Die genaue Anordnung wird so ausgewählt, daß ausreichend Kälte für die gewünschte Kondensation bereitgestellt wird. In dem Aufkocher-Kondensierer 908 wird Kälte durch kochende Flüssigkeit bereitgestellt, die die Niederdruckkolonne 904 hinabrieselt, wodurch zusätzlicher Dampf für die oberen Sektionen der Niederdruckkolonne 904 hergestellt wird. Es ist wert erwähnt zu werden, daß andere Abläufe verwendet werden können, um den Rückfluß für die Argonkolonne 906 bereitzustellen. Beispielsweise kann ein Teil des Argonkopfproduktes, Leitung 63, an einem Teil des sauerstoffreichen flüssigen Sumpfproduktes, Leitung 5, kondensiert werden.
  • Um schließlich flüssigen Rückfluß für die Niederdruckkolonne 904 bereitzustellen, wird ein sauerstoffarmer flüssiger Seitenstrom über die Leitung 4 von einer Zwischenposition der Hochdruckkolonne 902 abgezogen, in dem Unterkühler 918 unterkühlt, abgeschreckt und über die Leitung 18 der Niederdruckkolonne 904 zugeführt.
  • Wie bereits vorher erwähnt, liegt die Verbesserung der vorliegenden Erfindung darin, wie der Hochdruckstickstoffstrom, Leitung 130, der am Kopf der Niederdruckkolonne 904 erzeugt wird, dazu verwendet wird, Kälte wirksam und rationell zu erzeugen bzw. zurückzugewinnen. Diese Verwendung wird im folgenden mit Bezug auf verschiedene spezifische Ausführungsformen diskutiert.
  • Mit Bezug auf die Figur 1, dem LEP-Kreislauf, wird der am Kopf der Niederdruckkolonne 904 erzeugte Hochdruckstickstoffstrom, Leitung 130, in dem Unterkühler 918 durch Wärmetausch mit dem sauerstoffarmen flüssigen Seitenstrom, Leitung 4, und einem flüssigen Stickstoffstrom, Leitung 3, und in dem Unterkühler 914 mit dem sauerstoffreichen flüssigen Sumpfprodukt, Leitung 5, erwärmt. Dieser erwärmte Stickstoffstrom, Leitung 133, wird dann in zwei Teilströme aufgespalten. Der erste Teilstrom, Leitung 143, wird in der Expansionseinrichtung 920 isentropisch expandiert und der Ausfluß dieser Expansionseinrichtung, Leitung 242, und der von dem Abschrecken des flüssigen Stickstoffes, Leitung 3, herrührende Dampf, Leitung 398, werden zusammengeführt. Dieser zusammengeführte Strom, Leitung 241, wird verwendet, um das sauerstoffreiche flüssige Sumpfprodukt, Leitung 5, in den Unterkühlern 914 und 916 zu unterkühlen. Der zweite Teilstrom, Leitung 134, wird in dem Hauptwärmetauscher 900 weiter erwärmt, und der erwärmte Strom, Leitung 8, wird in der Expansionseinrichtung 922 expandiert. Der Ausfluß dieser Expansionseinrichtung, Leitung 9, wird mit dem erwärmten Stickstoff aus dem Unterkühler 914, Leitung 144, zusammengeführt. Dieser zusammengesetzte Niederdruckstickstoff, Leitung 147, wird in dem Wärmetauscher 900 erwärmt, um die Kälte zurückzugewinnen, und wird aus dem Prozeß als gasförmiges Niederdruckstickstoffprodukt über die Leitung 148 abgezogen. Dieser Strom 148 von gasförmigem Niederdruckstickstoffprodukt kann verwendet werden, um Wasser in einem (nicht dargestellten) Abfallturm zu kühlen.
  • Der Regenerationsstrom für die die Luft säubernden Molekularsiebbetten, Leitung 243, wird in diesem Kreislauf als Seitenstrom aus der Hochdruckkolonne 902 über die Leitung 7 abgezogen. Falls erwünscht kann dieser Regenerationsstrom auch von dem Kopf der Hochdruckkolonne 902 abgezogen werden. Der Seitenstrom wird auf eine geeignete Expansions-temperatur in dem Hauptwärmetauscher 900 erwärmt, und der erwärmte Strom, Leitung 20, wird in der Expansionseinrichtung 924 expandiert und weiter in dem Hauptwärmetauscher erwärmt, um jegliche während der Expansion erzeugte Kälte zurückzugewinnen.
  • Mit Bezug auf die Figur 2, dem SEP-Kreislauf, wird der gesamte erwarmte Hochdruckstickstoff, Leitung 133, in der Expansionseinrichtung 920 expandiert. Der Rest des Kreislaufes ist im wesentlichen in Figur 1 dargestellt.
  • Mit Bezug auf die Figur 3, dem BEP-Kreislauf, wird der gesamte erwarmte Hochdruckstickstoff, Leitung 133, weiter in dem Hauptwärmetauscher 900 vor der Expansion in der Expansionseinrichtung 922 erwärmt. Der expandierte Stickstoff, Leitung 9, wird mit dem Stickstoffdampf, Leitung 398, aus dem abgeschreckten flüssigen Stickstoff, Leitung 3, zusammengeführt, und der zusammengeführte Strom wird in dem Hauptwärmetauscher 900 erwärmt, um die Kälte zurückzugewinnen.
  • Mit Bezug auf die Figur 4, dem EP-Kreislauf, wird der erwärmte Stickstoffstrom, Leitung 133, dann in zwei Teilströme aufgespalten. Der erste Teilstrom, Leitung 143, wird in der Expansionseinrichtung 920 isentropisch expandiert und der Ausfluß dieser Expansionseinrichtung, Leitung 242, und der Dampf, Leitung 398, aus dem Abschrecken des flüssigen Stickstoffes, Leitung 3, werden zusammengeführt. Dieser zusammengeführte Strom, Leitung 241, wird verwendet, um das sauerstoffreiche flüssige Sumpfprodukt, Leitung 5, in den Unterkühlern 916 und 914 zu unterkühlen, dann in dem Hauptwärmetauscher 900 zur Wiedergewinnung der Kälte erwärmt und schließlich als Niederdruckstickstoffprodukt über die Leitung 148 abgezogen. Der zweite Teilstrom, Leitung 134, wird in dem Hauptwärmetauscher 900 weiter erwärmt und in dem Kompressor 926 komprimiert. Dieser erwärmte komprimierte zweite Teilstrom, Leitung 233, wird in dem Hauptwärmetauscher 9 auf eine geeignete Expansionstemperatur abgekühlt und in der Expansionseinrichtung 924 expandiert. Dieser expandierte Strom, Leitung 243, wird zur Zurückgewinnung der Kälte erwärmt und als Strom zur Regenerierung der Molekularsiebbetten abgezogen. Man bemerke, daß kein Hochdruckstickstoff aus der Hochdruckkolonne expandiert worden ist. Dieser Kreislauf ist insbesondere geeignet, wenn Argon das gewünschte Produkt ist.
  • Variationen der in Figur 4, dem EP-Kreislauf, gezeigten Ausführungsform sind in den Figuren 5 bis 7 dargestellt. Diese Variationen sind allerdings nicht alle möglichen Kombinationen. Die in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Kreisläufe erfordern drei Expansionseinrichtungen. In diesen Kreisläufen wird eine Fraktion, Leitung 930, (typischerweise 5 bis 20 %) der Speiseluft weiter in einem Kompressor 932 komprimiert und dann in dem Hauptwärmetauscher 900 abgekühlt. Die abgekühlte komprimierte Fraktion, Leitung 200, wird aus dem Hauptwärmetauscher 900 entweder an einer Zwischenstelle oder am Sumpf abgezogen und in der Expansionseinrichtung 934 isentropisch expandiert. Die expandierte Speiseluftfraktion, Leitung 936, kann mit der gekühlten Speiseluft zusammengeführt und der Niederdruckkolonne 904 über die Leitung 110 der Hochdruckkolonne 902 oder direkt zugeführt werden. In den Figuren 5 bis 7 wird diese expandierte Speiseluftfraktion, Leitung 936, der Hochdruckkolonne 902 zugeführt.
  • In dem in Figur 5 dargestellten Kreislauf wird diese Fraktion, Leitung 930, in dem Hauptwärmetauscher 900 vor der Expansion abgekühlt, während eine Fraktion (entsprechend ungefähr 8 bis 20 % der Speiseluft) des Hochdruckstickstoffes, Leitung 134, auf die Umgebungstemperatur in dem Wärmetauscher 900 erwärmt und in der Expansionseinrichtung 924 isentropisch expandiert und in dem Wärmetauscher 900 zur Vervollständigung des Kältebedarfs zum Kühlen der Speiseluft im warmen Ende des Hauptwärmetausehers 900 erwärmt. Dieser erwärmte Stickstoff wird als Strom zur Regenerierung der Molekularsiebbetten verwendet.
  • In dem in Figur 6 dargestellten Kreislauf wird die expandierte Luft, Leitung 935, in den Hauptwärmetauscher 900 eingebracht und vor dem Einbringen in die Hochdruckkolonne 902 weiter abgekühlt, während der Regenerierungsstickstoff, Leitung 134, (8 bis 20 % der Speiseluft) aus dem Hauptwärmetauscher 900 abgezogen wird, bevor er auf Umgebungstemperatur erwärmt und in der Expansionseinrichtung 924 isentropisch expandiert wird. Der expandierte Stickstoff wird dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 900 zugeführt.
  • In dem in Figur 7 dargestellten Kreislauf wird die Stickstoff-Fraktion, Leitung 134, in der Expansionseinrichtung 924 isentropisch expandiert, in den Unterkühlern 918 und 914 bzw. dem Wärmetauscher 900 erwärmt und dann als Regenerationsstrom verwendet. In Figur 7 sind die Einlaßtemperatur und der Druck zu den Expansionseinrichtungen 920 und 924 gleich. Da allerdings die Abluft aus der Expansionseinrichtung 920 nicht zur Regenerierung der Molekularsiebbetten verwendet wird, ist ihr Druck ungefähr 7 bis 21 kPa (1 bis 3 psi) geringer als der Abgabedruck der Expansionseinrichtung 924. Diese Anordnung erlaubt eine größere Wiedergewinnung von Kälte und dementsprechend eine größere Erzeugung von flüssigen Produkten. Die expandierte Luft, Leitung 936, wird ohne weitere Kühlung der Hochdruckkolonne 902 zugeführt.
  • In dem in Figur 8 dargestellten Kreislauf wird der gesamte Hochdruckstickstoff, Leitung 133, isentropiseh expandiert, nachdem er in dem Hauptwärmetauscher 900 erwärmt worden ist. Diese Expansion findet in den Expansionseinrichtungen 920 und 924 statt. Die expandierten Stickstoffströme, Leitungen 242 und 925, werden dann dem Unterkühler 918 zugeführt, um den flüssigen Strom, Leitung 5, zu unterkühlen, und werden dann in dem Hauptwärmetauscher 900 erwärmt. Nachdem er auf die Umgebungstemperatur erwärmt worden ist, wird der aus 924 expandierte Strom, der 8 bis 20 % der Speiseluft darstellt, als Regenerationsstrom verwendet, Leitung 243.
  • Die Kreisläufe der Figuren 5 bis 8 sind hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Austauscherfläche vorteilhafter als der Kreislauf der Figur 4. Von diesen erlaubt es der in Figur 7 dargestellte Kreislauf, mehr flüssiges Stickstoffprodukt zu produzieren, ohne die Sauerstoff- und Argonausbeute nennenswert zu beeinträchtigen. Falls noch mehr Flüssigkeit erwünscht ist, ist der in Figur 8 dargestellte Kreislauf noch geeigneter. Ein Kompressor 932 wird von der Luftexpansionseinrichtung 934 oder der Stickstoffexpansionseinrichtung 920 oder 924 oder jeder Kombination derselben angetrieben. Falls die Argonausbeute nicht so wichtig ist, sollte in den Figuren 5 bis 8 die expandierte Speiseluftfraktion unmittelbar der (nicht dargestellten) Niederdruckkolonne 904 zugeführt werden. Ein derartiges Beispiel ist in Figur 10 dargestellt, bei der die expandierte Luftfraktion unmittelbar in die Niederdruckkolonne eingeführt wird. Ebenso sind in dieser Figur die Luftexpansionseinrichtung 934 und der Kompressor 932 mechanisch miteinander verbunden, um einen Kompander zu bilden.
  • Alle der obigen Ausführungsformen sind mit Bezug auf Kreisläufe beschrieben worden, die Argon produzieren. Die dargestellten Konzepte sind hilfreich, wenn von der Lufttrennungsanlage kein Argon produziert wird.
  • BEISPIEL: Für die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen wurden Computersimulationen vorgenommen. Die Produktdaten für die in diesem Beispiel vorgenommenen Simulationen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1 Produkt Produktionsrate [Tonnen/Tag] (tons/day) Druck [MPa] (psia) Gasförmiger Sauerstoff Flüssigsauerstoff Gasförmiger Stickstoff Flüssigstickstoff Flüssigargon Maximum Reinheit: Sauerstoff: > 95 mol% Sauerstoff; Stickstoff; < 2 vppm Sauerstoff
  • Tabelle 2 stellt einen Vergleich zwischen verschiedenen Kreisläufen dar. Hierbei sind LEP, SEP, BEP und EP die Kreislaufbezeichnungen für die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen. Mit Airkomp ist ein herkömmlicher Niederdruck-Luftkompanderkreislauf bezeichnet, in dem sowohl der Wasserkühlungsstrom wie auch der Regenerationsstrom unmittelbar aus der Niederdruckkolonne erzeugt werden; dieser konventionelle Kreislauf ist in Figur 9 dargestellt. Der Niederdruck-Airkomp-Kreislauf benötigt einen Verflüssiger zum Verflüssigen von Sauerstoff und Stickstoff um die gewünschten flüssigen Produkte zu erzeugen. Siehe dazu Fußnote Tabelle 2. Der Verflüssiger ist in Figur 9 nicht dargestellt. In Tabelle 2 ist die Sauerstoffausbeute als Anzahl der erhaltenen Mole Sauerstoff/100 Mole Speiseluft zu dem Destillationskolonnensystem definiert. Die Argonausbeute ist definiert als der Prozentsatz des erhaltenen Argon, der in der Speiseluft zu dem Destillationskolonnensystem vorhanden ist. Tabelle 2 Kreislauf Ausbeute MAC abgabedruck [MPa] (psia) Sauerstoff Argon AirComp Energieverbrauch [kW] (**) O&sub2; Komp. N&sub2; Booster Regen. Verfl.+ Exp.++ gesamt AirComp Anmerkungen: *Verflüssiger Energieberechnung: 390 kW/t Flüssigkeit/HR für AirComp, der einen Verflüssiger zur Herstellung von Flüssigstickstoff und Flüssigsauerstoff benötigt. **Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung = 0,85, Wellenwirkungsgrad = 0,95, Generatorwirkungsgrad = 0,97 ** Grundlage für Energieberechnungen Kompressor Kompressions-temperatur [ºC] (ºF) Isothermischer Kompressor-Wirkungsgrad [%] Motor-Wirkungsgrad [%] Sauerstoff-Komp. Stickstoff-Booster Luft-Booster
  • Aus Tabelle 2 kann man entnehmen, daß die Kreisläufe LEP, SEP und BEP mit erhöhtem Druck geringere Energiewerte als der Airkomp-Kreislauf haben. Diese Energiewerte sind um 3,8 bis 5,5 % niedriger als die des herkömmlichen Airkomp- Kreislaufs. Die Argonausbeute des LEP-Kreislaufs ist vergleichbar dem des Airkomp-Kreislaufs und ist geringfügig geringer als bei dem SEP- und dem BEP- Kreislauf. Allerdings gleichen die Einsparungen an Kapitalkosten und Energieverbrauch den Abfall in der Argonausbeute bei weitem aus. Der EP-Kreislauf hat einen höheren Energieverbrauch und eine sehr hohe Argonausbeute. Verfahrensbedingungen für einige der in den LEP-, SEP- und BEP-Kreisläufen enthaltenen Ströme sind in der Tabelle 3 aufgelistet. Tabelle 3 LEP-Kreislauf (Figur 1) Strom Nummer Durchfluß: [% Anteil der Luft] Temperatur Druck [MPa] (psia) SEP-Kreislauf (Figur 2) Fortsetzung Tabelle 3 Strom Nummer Durchfluß: [% Anteil der Luft] Temperatur Druck [MPa] (psia) BEP-Kreislauf (Figur 3)
  • Wie man aus der oben genannten Diskussion entnehmen kann, arbeitet die vorliegende Erfindung durch Expandieren des aus der Niederdruckkolonne einer Lufttrennungsanlage produzierten Stickstoffs unter Verwendung eines Kreislaufs mit erhöhtem Druck bei den richtigen Temperaturen und unter Verwendung der aus dem expandierten Strom erzeugten Kälte an der geeigneten Stelle innerhalb des Verfahrens. Die in dem Stickstoffstrom enthaltene Energie kann verwendet werden, um in wirksamer Art und Weise mit einem minimal erhöhten Kapitalbedarf Flüssigprodukte herzustellen. Weiterhin können die Expansionswerte der Expansionseinrichtungen dadurch optimiert werden, daß der Regenerierungsstrom von einer separaten Expansionseinrichtung hergestellt wird, so daß die Luftkompressionsenergie optimiert wird.
  • In all den gezeigten Abbildungen wird der Stickstoffstrom vom Kopf der Niederdruckkolonne 904 abgezogen und in geeigneter Weise zur Wiedergewinnung der Kälte expandiert. Alternativ kann dieser Strom von jeder geeigneten Etage in der Rektifikationssektion der Niederdruckkolonne 904 abgezogen werden. In diesem Fall kann der von dem Kopf der Niederdruckkolonne 904 abgezogene stickstoffreiche Strom als Produktstrom verwendet werden. Weiterhin kann in einem solchen Fall ein Teil des flüssigen Stickstoffstroms, Leitung 3, von dem Kopf der Hochdruckkolonne 902 dazu verwendet werden, einen flüssigen Rückfluß zu der Niederdruckkolonne 904 bereitzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung ist dadurch besonders wertvoll, daß sie Wege lehrt, wie ein Flüssigprodukt aus der Druckenergie erzeugt werden kann, die in einem, von einer Niederdruckkolonne eines Kreislaufs mit erhöhtem Druck einer Lufttrennungsanlage hergestellten Stickstoffstrom enthalten ist. In der vorliegenden Erfindung ist die Lufttrennung und die Produktion von Flüssigkeit in einer sehr wirksamen Weise integriert. Das Lufttrennungsverfahren mit einem Kreislauf mit erhöhtem Druck gemäß der vorliegenden Erfindung reduziert die Anlagengröße, die Druckabfallverluste und den Energieverbrauch für die Regenerierung der die Luft reinigenden Molekularsiebbetten, während aus der Druckenergie des Stickstoffproduktes Flüssigprodukt erzeugt wird. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eliminiert auch die Notwendigkeit getrennter Kompressoren, Wärmetauscher und anderer Anlagenteile eines alleinstehenden Verflüssigers. Ein wirksamer Weg, der dieses ermöglicht, impliziert, daß derartige Kreisläufe anderen Kreisläufen überlegen sind, und zwar nicht nur hinsichtlich der Kapitalkosten, sondern auch hinsichtlich des Energiewirkungsgrades. Derart wirksame Kombinationen einer Lufttrennung mit erhöhtem Druck und einer Verflüssigung sollten daher das Mittel der Wahl für die Lufttrennung sein, wenn ebenso flüssige Produkte erwünscht sind. Die gleiche Idee ist ebenso auf andere kryogene Gastrennungsverfahren anwendbar. Es sollte erwähnt werden, daß obwohl derartige Kreisläufe alleine Schwierigkeiten haben werden, große Mengen eines flüssigen Produktes im Vergleich zur Speiseluft (z.B. > 10 % der Speiseluft) herzustellen, die Kombination derartiger Kreisläufe mit Verflüssigern immer noch sowohl in optimaler Wirksamkeit wie auch in optimalen Kapitalkosten resultiert.

Claims (11)

1. Kryogenes Verfahren zum Trennen eines Speiseluftstroms (101) in seine ihn bildenden Komponenten zur Bereitstellung mindestens eines flüssigen Produktes (400, 500), wobei das Verfahren ein Destillationskolonnensystem verwendet, welches zumindest eine Hochdruckdestillationskolonne (902) und eine Niederdruckdestillationskolonne (904) aufweist, die in thermischer Verbindung miteinander stehen, wobei die Niederdruckkolonne (904) bei einem Druck von 60 bis 520 kPa (9 bis 75 psig) arbeitet, die Niederdruckkolonne (904) ein Stickstoffprodukt (130) erzeugt, mindestens 50 % der Speiseluft (101) zu dem Destillationskolonnensystem von der Niederdruckkolonne (904) als das besagte Stickstoffprodukt (130) entfernt wird und wobei das Stickstoffprodukt (130) eine Stickstoffkonzentration von mindestens 95 % aufweist und einen Druck von mindestens 60 kPa (9 psig) hat, wobei
a) das Stickstoffprodukt (130) durch Wärmeaustausch (914, 918, 900) mit einem geeigneten Verfahrensstrom (3, 4, 5, 101) erwärmt wird;
b) das erwärmte Stickstoffprodukt (8, 143) isentropisch expandiert wird (920, 922), um seine Temperatur
(i) unter die Temperatur von mindestens einem der Flüssigströme (5), die von der Hochdruckkolonne (902) abgezogen worden sind, oder
(ii) auf oder unterhalb den Taupunkt der Speiseluft (101) abzusenken; und
c1) der Flüssigstrom (5) wird / die Flüssigströme (5) werden durch Wärmeaustausch (914, 916) mit dem expandierten Stickstoff (242) unterkühlt, bevor der Druck des Flüssigstroms (5) / der Flüssigströme (5) an einem Ventil isenthalpisch vermindert wird und/oder
c2) die Speiseluft (101) wird durch Wärmeaustausch (900) mit dem expandierten Stickstoff (9) abgekühlt, vorausgesetzt, daß der expandierte Stickstoff (9) des Schrittes c2) vor der Expansion (922) durch Wärmeaustausch (900) mit der Speiseluft (101) erwärmt wurde.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erwärmte Stickstoffprodukt (143) isentropisch expandiert (920) wird, um seine Temperatur unter die Temperatur mindestens eines aus der Hochdruckkolonne (902) abgezogenen Flüssigstromes (5) abzusenken, und bei dem der Flüssigstrom (5) / die Flüssigströme (5) durch Wärmeaustausch (916, 914) mit dem expandierten Stickstoff (242) unterkühlt wird / werden, bevor der Druck des Flüssigstromes (5) / der Flüssigströme (5) an einem Ventil isenthalpisch reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Stickstoffprodukt (130) durch Wärmeaustausch (900) mit der Speiseluft (101) erwärmt wird;
das erwärmte Stickstoffprodukt (8), um seine Temperatur auf oder unterhalb den Taupunkt der Speiseluft (101) abzusenken, isentropisch expandiert (922) wird; und
die Speiseluft (101) durch Wärmeaustausch (900) mit dem expandierten Stickstoff (9) abgekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Teil (134) des erwärmten Stickstoffes des Schrittes a) getrennt isentropisch expandiert (924), und zwar auf einen Druck, der 7 bis 21 kPa (1 bis 3 psi) niedriger als der Abgaberuck des isentropisch expandierten Stickstoffes (242) aus Schritt b) liegt, und verwendet (243) wird, um Molekularsiebbetten zu regenerieren, die verwendet werden, um den Speiseluftstrom (101) vorzureinigen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem
das erwärmte Stickstoffprodukt (133) in einen ersten Teilstrom (143) und einen zweiten Teilstrom (134) aufgeteilt wird;
der erste Teilstrom (143) isentropisch (920) expandiert wird, um seine Temperatur unter die Temperatur mindestens eines aus der Hochdruckkolonne (902) abgezogen Flüssigstromes (5) abzusenken;
der Flüssigstrom (5) / die Flüssigströme (5) durch Wärmeaustausch (914, 918) mit dem expandierten ersten Teilstrom (242) unterkühlt wird / werden, bevor der Druck des Flüssigstromes (5) / der Flüssigströme (5) an einem Ventil isenthalpisch reduziert wird;
der zweite Teilstrom (134) durch Wärmeaustausch (900) mit der Speiseluft (101) erwärmt wird;
das erwärmte zweite Teilstromprodukt (8) isentropisch expandiert (922) wird, um seine Temperatur auf oder unter den Taupunkt der Speiseluft (101) abzusenken; und
die Speiseluft (101) durch Wärmeaustausch (900) mit den isentropisch expandierten ersten und zweiten Teilströmen (147) abgekühlt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, welches weiterhin das Komprimieren (926) und Nachkühlen (900) des zweiten Teilstroms (134) vor seiner isentropischen Expansion (924) umfaßt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem zumindest ein Teil des aufgewärmten expandierten zweiten Teilstroms (243) dazu verwendet wird, Molekularsiebbetten zu regenerieren, die zum Vorreinigen des Speiseluftstroms (101) verwendet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, bei dem zumindest ein Teil des expandierten ersten Teilstroms (242) zum Regenerieren von Molekularsiebbetten verwendet wird, die zum Vorreinigen des Speiseluftstroms verwendet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4 bis 8, bei dem die Speiseluft (101) teilweise durch das Abkühlen kondensiert wird.
10. Vorrichtung zur Verwendung in einem kryogenen Verfahren gemäß Anspruch 1, welches aufweist:
ein Destillationskolonnensystem, welches mindestens eine Hochdruckdestillationskolonne (902) und eine Niederdruckkolonne (904) aufweist, die in thermischer Verbindung miteinander stehen;
einen Wärmetauscher (918), welcher das Stickstoffprodukt durch einen geeigneten Verfahrensstrom erwärmt;
eine Expansionseinrichtung (920 oder 922), die das erwärmte Stickstoffprodukt isentropisch expandiert; und
einen Wärmetauscher (914), der zumindest einen der von der Hochdruckkolonne (902) abgezogenen Flüssigströme (5) gegen den isentropisch expandierten Stickstoff unterkühlt, bevor der Druck des Flüssigstromes an einem Ventil isenthalpisch reduziert wird, und/oder einen Wärmetauscher (900), der das Stickstoffprodukt vor der Expansion gegen Speiseluft aufwärmt und die Speiseluft an dem isentropisch expandierten Stickstoff abkühlt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, die umfaßt
zwei Expansionseinrichtungen (920, 922), die das erwärmte Stickstoffprodukt isentropisch expandieren, wobei beide Wärmetauscher (914, 900) isentropisch expandierten Stickstoff aufnehmen und wobei eine der Expansionseinrichtungen (920) einen ersten Teilstrom des Stickstoffproduktes isentropisch expandiert, bevor dieser dem Wärmetauscher (914) zugeführt wird, um den Flüssigstrom (5) zu unterkühlen;
ein weiterer Wärmetauscher (906) erwärmt einen zweiten Teilstrom des Stickstoffproduktes an einem geeigneten Verfahrensstrom und die andere der Expansionseinrichtungen (922) expandiert das erwärmte zweite Teilstromprodukt isentropisch, bevor dieses dem Wärmetauscher (900) zum Kühlen der Speiseluft zugeführt wird.
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