DE69801462T3 - Kryogenische Lufttrennung mit warmer Turbinenrückführung - Google Patents

Kryogenische Lufttrennung mit warmer Turbinenrückführung Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen einer kryogenen Luftzerlegung.
  • Stand der Technik
  • Sauerstoff wird kommerziell in großen Mengen durch die kryogene Rektifikation von Einsatzluft in einer kryogenen Luftzerlegungsanlage erzeugt. Zu Zeiten kann die Erzeugung von Sauerstoff bei einem höheren Druck erwünscht sein. Obgleich gasförmiger Sauerstoff von der kryogenen Luftzerlegungsanlage abgezogen und auf den erwünschten Druck verdichtet werden kann, ist es aus Gründen der Kapitalkosten im allgemeinen bevorzugt, Sauerstoff als Flüssigkeit von der kryogenen Luftzerlegungsanlage abzuziehen, deren Druck zu erhöhen und anschließend den unter Druck stehenden flüssigen Sauerstoff zu verdampfen, um das erwünschte bei gesteigertem Druck vorliegende Produktsauerstoffgas herzustellen.
  • Der Abzug des Sauerstoffs als Flüssigkeit von der kryogenen Luftzerlegungsanlage führt eine signifikante Menge an Kälte von der Anlage ab, wodurch eine signifikante Wiederzuführung von Kälte zu der Anlage erforderlich wird. Dies trifft noch mehr zu, wenn zusätzlich zu dem Hochdrucksauerstoffgas die Gewinnung eines flüssigen Produkts wie z.B. flüssiger Sauerstoff und/oder flüssiger Stickstoff von der Anlage erwünscht ist.
  • Ein sehr effektiver Weg zur Bereitstellung von Kälte für eine kryogene Luftzerlegungsanlage besteht im Turboexpandieren eines verdichteten Gasstroms und der Überleitung dieses Stroms oder mindestens der dadurch erzeugten Kälte in die Anlage (Siehe zum Beispiel EP-A-0 684 437 und FR-A-2 714 721 ). In Situationen, wo signifikante Mengen an Flüssigkeit von der Anlage abgezogen werden, wird oft mehr als ein derartiger Turboexpander verwendet. Allerdings ist die Verwendung von mehreren Turboexpandern aufgrund geringer Unterschiede in den Turbinenströmen kompliziert, und die Drücke mit Bezug auf die kryogene Luftzerlegungsanlage und den primären Luftverdichter verursachen einen drastischen Abfall in der Systemeffizienz, wodurch das System unökonomisch ausfällt.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines verbesserten Systems für die kryogene Rektifikation von Einsatzluft unter Verwendung von mehr als einem Turboexpander.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obige Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren einer Aspekt in einem Verfahren zum Ausführen kryogener Luftzerlegung, wie es in Anspruch 1 angegeben ist.
  • Ein weiterer Erfindungsaspekt besteht in einer Vorrichtung zum Ausführen kryogener Luftzerlegung, wie sie in Anspruch 5 angegeben ist.
  • Wie hier benutzt bezeichnet der Begriff „flüssiger Sauerstoff" eine Flüssigkeit einer Sauerstoffkonzentration von größer als 50 Mol.%.
  • Wie im folgenden verwendet bezeichnet der Begriff „Kolonne" eine Destillations- oder Fraktionierkolonne oder -zone, d.h. eine Kontaktkolonne oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Trennung eines Fluidgemisches zu bewirken, z.B. indem die dampfförmige und die flüssige Phase an einer Reihe von vertikal in Abstand innerhalb der Kolonne angebrachten Böden oder Platten und/oder an Packungselementen wie z.B. strukturierte oder Zufallspackung in Kontakt gebracht werden. Für eine weitere Beschreibung von Destillationskolonnen sei verwiesen auf das „Chemical Engineers' Handbook", fünfte Ausgabe, herausgegeben von R.H. Perry und C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Abschnitt 13, The Continuous Distillation Process. Der Begriff der Doppelkolonne wird hier so benutzt, dass er eine bei einem höheren Druck arbeitende Kolonne bezeichnet, deren oberes Ende in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem unteren Ende einer bei einem niedrigeren Druck arbeitenden Kolonne steht. Eine nähere Beschreibung von Doppelkolonnen erscheint in Ruheman „The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Kapitel VII, Commercial Air Separation.
  • Trennverfahren mit Dampf-/Flüssigkeitskontakt sind abhängig von der Differenz 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 niedrigeren Dampfdruck (oder die weniger flüchtige oder hochsiedende Komponente) dazu neigen wird, sich 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 normalerweise adiabatisch und kann einen integralen (stufenweisen) oder differentiellen (kontinuierlichen) Kontakt zwischen den Phasen beinhalten. Trennverfahrensanordnungen, die die Prinzipien der Rektifikation zum Trennen von Gemischen benutzen, werden oft als Rektifikationskolonnen, Destillationskolonnen oder Fraktionierkolonnen bezeichnet, wobei diese Begriffe untereinander ausgetauscht werden können. Die kryogene Rektifikation ist ein Rektifikationsverfahren, das mindestens teilweise mit Temperaturen bei oder unter 150° Kelvin (K) durchgeführt wird.
  • Wie hier benutzt bezeichnet der Begriff „indirekter Wärmeaustausch" das Verbringen von zwei Fluidströmen in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne jeglichen physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der Fluide miteinander.
  • Wie hier benutzt bezeichnet der Begriff „Einsatzluft" ein hauptsächlich Sauerstoff und Stickstoff aufweisendes Gemisch wie z.B. Umgebungsluft.
  • Wie hier benutzt bezeichnen die Begriffe „oberer Teil" und „unterer Teil" einer Kolonne diejenigen Abschnitte der Kolonne, die über bzw. unter dem Mittelpunkt der Kolonne liegen.
  • Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff „Turboexpansion" bzw. „Turboexpander" ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für den Fluss eines Gases hohen Drucks durch eine Turbine zur Verminderung von Druck und Temperatur des Gases, wodurch Kälte erzeugt wird.
  • Wie hier benutzt bezeichnet der Begriff „Verdichter" eine Maschine, die den Druck eines Gases durch die Anwendung von Arbeit erhöht.
  • Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff „kryogene Luftzerlegungsanlage" eine Anlage, in der Einsatzluft fraktioniert destilliert wird, und die eine oder mehrere Säulen und eine zugehörige Verbindungsausrüstung wie z.B. Pumpen, Leitungen, Ventile und Wärmetauscher aufweist.
  • Wie hier benutzt bezeichnet der Begriff „primärer Luftverdichter" einen Verdichter, der den größeren Teil der Luftverdichtung bereitstellt, die zum Betrieb einer kryogenen Luftzerlegungsanlage notwendig ist.
  • Wie hier benutzt bezeichnet der Begriff „Boosterverdichter" einen Verdichter, der eine zusätzliche Verdichtung für die Zwecke einer Erreichung von höheren Luftdrücken bereitstellt, die für die Verdampfung von flüssigem Sauerstoff und/oder Verfahrensturboexpansion(en) im Zusammenhang mit einer kryogenen Luftzerlegungsanlage notwendig sind.
  • Wie hier benutzt bezeichnet der Begriff „Verdichtungsstufe" ein einzelnes Element, z.B. ein Verdichtungsrad, eines Verdichters, durch welches Gas im Druck erhöht wird. Ein Verdichter muss mindestens eine Verdichtungsstufe aufweisen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Die Bezugszeichen in den Figuren sind für gleiche Elemente die Gleichen.
  • Ausführliche Beschreibung
  • In der Praxis dieser Erfindung umgeht ein Teil der Einsatzluft den primären Turboexpander, der die Einsatzluft in der kryogene Luftzerlegungsanlage turboexpandiert, und wird stattdessen in einem sekundären Turboexpander turboexpandiert und bei einer Zwischenstufenstelle zurück zu dem primären Luftverdichter geführt. Dies verringert den für den primären Luftverdichter erforderlichen Energieverbrauch und erhöht somit die Gesamteffizienz des kryogenen Luftzerlegungssystems.
  • Die Erfindung wird ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Nun auf 1 Bezug nehmend wird Einsatzluft 50 bei etwa Atmosphärendruck mittels Durchlass durch ein Filterhaus 1 von aus Partikeln bestehenden Stoffen gesäubert. Dann wird die sich ergebende Einsatzluft 51 in einen primären Luftverdichter 13 eingespeist, der in der in 1 illustrierten Ausführungsform der Erfindung fünf Verdichtungsstufen aufweist, wobei die fünfte oder letzte Stufe die n-te Stufe ist. In der Praxis dieser Erfindung weist der primäre Luftverdichter im allgemeinen mindestens 3 Verdichtungsstufen und typischerweise 4 bis 6 Verdichtungsstufen auf. Die Einsatzluft 51 wird in eine erste Verdichtungsstufe 2 des primären Luftverdichters 13 eingeleitet, wo sie verdichtet wird, und die resultierende Einsatzluft 52 wird mittels Durchleitung durch einen Zwischenkühler 3 gekühlt. Dann wird die Einsatzluft 52 mittels Durchleitung durch eine zweite Verdichtungsstufe 4 des primären Luftverdichters 13 weiter verdichtet, und die sich ergebende Einsatzluft 53 wird mittels Durchleitung durch einen Zwischenkühler 5 gekühlt. Dann wird die Einsatzluft 53 über die Durchleitung durch eine dritte Verdichtungsstufe 6 des primären Luftverdichters 13 weiter verdichtet, und die resultierende Einsatzluft 54 wird mittels Durchleitung durch einen Zwischenkühler 7 gekühlt. Schließlich wird die Einsatzluft 54 durch einen Vorreiniger 8 geführt, wo sie von hochsiedenden Verunreinigungen wie z.B. Kohlendioxid, Wasserdampf und Kohlenwasserstoffen gesäubert wird.
  • Danach wird die gesäuberte Einsatzluft 55 in eine vierte Verdichtungsstufe 9 des primären Luftverdichters 13 eingespeist. Vorzugsweise wird, wie in der Ausführungsform der 1 der Erfindung illustriert, der Einsatzluftstrom 55 mit einer warmen Turbinenrückführung wie z.B. an einer Vereinigungsstelle 56 kombiniert und der sich ergebende kombinierte Einsatzluftstrom 57 wird in eine vierte Verdichtungsstufe 9 eingespeist, wo er auf einen höheren Druck verdichtet wird. Der resultierende Einsatzluftstrom 58 wird mittels Durchleitung durch einen Zwischenkühler 10 gekühlt und danach in eine fünfte Verdichtungsstufe 11 des primären Luftverdichters 13 eingespeist, wo er auf einen höheren Druck verdichtet und von dort als ein verdichteter Einsatzluftstrom 59 mit einem Druck im Bereich von 13,8 bis 51,7·105 Pa (200 bis 750 pound pro inch2 absolut (psia)) abgezogen wird. Der primäre Luftverdichter 13 wird durch einen (nicht dargestellten) externen Motor mit einem Rotorantriebs-"Bull gear" 60 angetrieben.
  • Die verdichtete Einsatzluft 59 wird mittels Durchleitung durch einen Nachkühler 12 gekühlt und in einen ersten Teil 61 und einen zweiten Teil 62 aufgeteilt. Der erste Teil 61 weist von etwa 50 bis 55% der verdichteten Einsatzluft 59 auf. Der erste Teil 61 wird zu einem Hauptwärmetauscher 17 geleitet, wo er mittels indirektem Wärmeaustausch mit Rückströmen gekühlt wird. Nach einem teilweisen Durchlauf durch den Hauptwärmetauscher 17 wird der gekühlte erste Teil 63 in einen primären Turboexpander 19 eingespeist, wo er auf einen Druck im Bereich von 4,5 bis 5,9·105 Pa (65 bis 85 psia) turboexpandiert wird. Ein sich ergebender turboexpandierter erster Teil 64 wird in eine kryogene Luftzerlegungsanlage eingeleitet. In der in 1 illustrierten Ausführungsform ist eine kryogene Luftzerlegungsanlage 65 eine Doppelkolonnenanlage, die eine erste oder bei höherem Druck arbeitende Kolonne 20 und eine zweite oder bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 22 aufweist, und der turboexpandierte erste Teil 64 wird in den unteren Teil der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 20 eingespeist.
  • Der zweite Teil 62 weist von 45 bis 50% der verdichteten Einsatzluft 59 auf. Der zweite Teil 62 wird zu einem Boosterverdichter 15 geführt, wo er weiter auf einen Druck im Bereich von 34,5 bis 96,5·105 Pa (500 bis 1400 psia) verdichtet wird. Ein weiter verdichteter zweiter Teil 66 wird mittels Durchleitung durch einen Kühler 16 gekühlt und danach in den Hauptwärmetauscher 17 eingespeist, wo er mittels indirektem Wärmeaustausch mit Rückströmen gekühlt wird. Mindestens ein Teil des gekühlten zweiten Teils, der in 1 als ein Strom 67 dargestellt ist, wird nach dem teilweisen Durchlauf durch den Hauptwärmetauscher 17 abgezogen und zu einem sekundären Turboexpander 18 geleitet, wo er auf einen Druck im Bereich von 5,2 bis 10,3·105 Pa (75 bis 150 psia) turboexpandiert wird. Ein resultierender turboexpandierter zweiter Teil 68 wird mittels teilweisem Durchlauf durch den Hauptwärmetauscher 17 erwärmt und danach zu dem primären Luftverdichter zwischen der ersten und der letzten Stufe, d.h. an einer Zwischenstufenstelle zurückgeführt. In der in 1 illustrierten Ausführungsform wird eine erwärmte Turbinenrückführung 69 durch eine Drucksteuervorrichtung 14 geleitet, bevor sie zu der Einsatzluft 55 an einer Vereinigungsstelle 56 zwecks Rückführung zu dem primären Luftverdichter zwischen der dritten und der vierten Verdichtungsstufe des primären Luftverdichters 13 zurückgeführt wird. Die Drucksteuervorrichtung 14 kann zum Beispiel ein Ventil, ein Verdichter oder ein Gebläse sein.
  • Falls erwünscht kann ein Teil des zweiten Teils 66 den Hauptwärmetauscher 17 vollständig durchlaufen, wo er verflüssigt wird. Dieser in der in 1 illustrierten Ausführungsform als 70 dargestellte Teil wird durch ein Ventil 23 und in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne 20 geführt. Anstatt durch das Ventil 23 geleitet zu werden, kann der Teil 70 durch eine Dichtphasen-Turbomaschine, d.h. eine Turbomaschine für überkritisches Fluid oder Flüssigkeit, geleitet werden, um die Druckenergie rückzugewinnen. Typischerweise treibt die gewonnene Wellenarbeit einen elektrischen Generator an.
  • Die bei höherem Druck arbeitende Kolonne 20 arbeitet mit einem Druck, der im allgemeinen im Bereich von 4,5 bis 6,9·105 Pa (65 bis 85 psia) liegt. In der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 20 wird die in die Kolonne 20 eingespeiste Einsatzluft durch kryogene Rektifikation in mit Stickstoff angereicherten Dampf und mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit getrennt. Die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird von dem unteren Teil der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 20 als ein Strom 71 abgezogen, mittels Durchleitung durch einen Unterkühler 25 unterkühlt, und durch ein Ventil 28 in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 22 eingespeist. Der mit Stickstoff angereicherte Dampf wird von der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 20 als ein Strom 72 abgezogen und in einen Hauptkondensor 21 geleitet, wo er durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Aufsieden der Sumpfflüssigkeit der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 22 kondensiert. Eine sich ergebende, mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit 73 wird von dem Hauptkondensor 21 abgezogen, ein erster Teil 74 wird als Rücklauf in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne 20 zurückgeführt, und ein zweiter Teil 75 wird mittels Durchleitung durch einen Unterkühler 26 unterkühlt und durch ein Ventil 27 in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 22 eingespeist. Falls erwünscht, kann ein Teil der mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit als flüssiger Produktstickstoff mit einer Stickstoffkonzentration von mindestens 99,99 Mol.% gewonnen werden. In der in 1 illustrierten Ausführungsform der Erfindung wird ein Teil 76 der mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit 75 durch ein Ventil 30 geführt und als ein flüssiges Stickstoffprodukt 77 gewonnen.
  • Die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 22 wird bei einem Druck betrieben, der geringer als der Druck der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 20 ist und im allgemeinen im Bereich von 1,0 bis 1,7·105 Pa (15 bis 25 psia) liegt. In der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 22 werden die verschiedenen Einsätze durch kryogene Rektifikation in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffreiche Flüssigkeit getrennt. Der stickstoffreiche Dampf wird von dem oberen Teil der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 22 als ein Strom 78 abgezogen, mittels Durchleitung durch die Wärmetauscher 26, 25 und 17 erwärmt und von dem System als ein Strom 79 abgeführt, der als Produktstickstoffgas mit einer Stickstoffkonzentration von mindestens 99,99 Mol.% gewonnen werden kann. Zum Zwecke einer Steuerung der Produktreinheit wird ein stickstoffhaltiger Strom 80 von der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 22 unterhalb des Pegels abgezogen, von dem der Strom 78 abgezogen wird. Der Strom 80 wird mittels Durchleitung durch die Wärmetauscher 26, 25 und 17 erwärmt und von dem System als ein Strom 81 abgezogen.
  • Sauerstoffreiche Flüssigkeit, d.h. flüssiger Sauerstoff, wird von dem unteren Teil der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 22 als flüssiger Sauerstoffstrom 82 abgezogen. Falls erwünscht kann ein Teil der sauerstoffreichen Flüssigkeit als flüssiger Produktsauerstoff wie z.B. in der in 1 illustrierten Ausführungsform gewonnen werden, wo ein Strom 83 von dem Strom 82 abgezweigt, durch ein Ventil 29 geleitet und als ein flüssiger Sauerstoffstrom 84 gewonnen wird.
  • Die sauerstoffreiche Flüssigkeit wird vor der Verdampfung druckerhöht. In der in 1 illustrierten Ausführungsform wird ein Hauptteil 85 des Stroms 82 in die Flüssigkeitspumpe 24 eingespeist, wo er auf einen Druck im Bereich von 10,3 bis 96,5·105 Pa (150 bis 1400 psia) gepumpt wird. Der resultierende unter Druck stehende flüssige Sauerstoffstrom 86 wird durch den Hauptwärmetauscher 17 geleitet, wo er mittels indirektem Wärmeaustausch sowohl mit einem kühlenden ersten Einsatzluftteil 61 wie auch einem kühlenden zweiten Einsatzluftteil 66 verdampft wird. Der sich ergebende gasförmige Sauerstoff wird von dem Hauptwärmetauscher 17 als ein Strom 87 abgezogen und als gasförmiger Produktsauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 50 Mol.% gewonnen. Der flüssige Sauerstoff wird anstatt in einem getrennten Produktaufkocher vorteilhafterweise mittels Durchleitung durch den Hauptwärmetauscher 17 verdampft, da es dies ermöglicht, dass ein Teil der Kühlfunktion des Stroms 61 dem Strom 86 übermittelt wird, wodurch der notwendige Druck des mit dem Boosterverdichter verdichteten Einsatzluftstroms 66 verringert wird. Darüber hinaus ist der Bedarf nach einer zweiten Wärmetauschervorrichtung für die Verdampfung des Stroms 86 beseitigt.
  • 2 illustriert eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Elemente der in 2 illustrierten Ausführungsform, die mit den Elementen der in 1 illustrierten Ausführungsform gemeinsam sind, werden nicht erneut ausführlich erläutert werden.
  • Nun auf 2 Bezug nehmend wird ein weiter verdichteter zweiter Teil 66 nach der Durchleitung durch den Kühler 16 in einen Strom 88 und einen Strom 89 aufgeteilt. Der Strom 89 wird mittels Durchleitung durch den Verdichter 31 weiter verdichtet; dieser verdichtungserwärmte Strom wird mittels Durchleitung durch den Kühler 32 gekühlt, und durch den Hauptwärmetauscher 17 geführt, wo er verflüssigt wird. Die resultierende flüssige Einsatzluft 90 wird durch das Ventil 23 und in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne 20 geleitet. Anstatt durch das Ventil 23 geführt zu werden, kann die Einsatzluft 90 durch eine Dichtphasen-Turbomaschine zur Gewinnung der Druckenergie geleitet werden, wobei die gewonnene Wellenarbeit typischerweise einen elektrischen Generator antreibt. Der Strom 88 des zweiten Teils 66 wird mittels Durchleitung durch den Hauptwärmetauscher 17 gekühlt und mittels Durchleitung durch den sekundären Turboexpander 18 turboexpandiert. Der sich ergebende turboexpandierte Strom 91 wird in einen Strom 92 aufgeteilt, der die Drucksteuervorrichtung 14 durchläuft und zu dem primären Luftverdichter zurückgeführt wird, und in einen Strom 93, der in dem Hauptwärmetauscher 17 gekühlt, durch ein Ventil 33 geführt, und mit dem primären Turboexpanderauslassstrom 64 kombiniert wird, um einen Strom 94 auszubilden, der in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne 20 der kryogenen Luftzerlegungsanlage 65 eingespeist wird. Die in 2 illustrierte Ausführungsform der Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn der Auslass des Boosterverdichters 15 zur Erwärmung des verdampfenden Sauerstoffstroms 86 unzureichend ausfällt. Die Aufteilung des warmen Turboexpansionsstroms 91 in die Ströme 92 und 93 wird vorteilhaft in Situationen verwendet, wo der Durchfluss des Rückführungsstroms 92 den zur Bereitstellung der erwünschten flüssigen Produktströme erforderlichen Durchfluss übersteigt. Durch die Erhöhung des Durchflusses des Stroms 93, der als der rückgeführte Umgehungsstrom bezeich net wird, kann der Energieverbrauch des Verfahrens verringert und eine effizientere Flüssigkeitsprodukterzeugung ermöglicht werden.
  • Dank der Praxis dieser Erfindung, in der mindestens ein Teil des warmen Turbinenauslasses zu dem primären Luftverdichter bei einer Zwischenstufenstelle zurückgeführt wird, ist eine effiziente Durchführung einer kryogenen Luftzerlegung mit der Verwendung von mehreren Turboexpandern möglich. Die kryogene Luftzerlegungsanlage kann eine einzelne Kolonne oder drei oder mehrere Kolonnen aufweisen wie z.B. eine kryogene Luftzerlegungsanlage, die mit einer Doppelkolonne und einer Argonseitenarmkolonne versehen ist. Die Boosterverdichter 15 und 31 können durch einen externen Motor oder durch die Wellenarbeit der von den Turboexpandern 18 und 19 abgeleiteten Expansion angetrieben werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ausführen kryogener Luftzerlegung, bei welchem: (A) Einsatzluft in einem primären Luftverdichter, der über eine Mehrzahl von einer ersten bis n-ten Verdichtungsstufe verfügt, verdichtet wird, um verdichtete Einsatzluft zu erzeugen; (B) ein erster Teil der verdichteten Einsatzluft zu einem Hauptwärmetauscher geleitet wird, in welchem er mittels indirektem Wärmeaustausch mit Rücklaufströmen gekühlt wird, der gekühlte erste von dem Hauptwärmetauscher abgezogene Teil turboexpandiert wird und der turboexpandierte erste Teil in eine kryogene Luftzerlegungsanlage geleitet wird; (C) ein zweiter Teil der verdichteten Einsatzluft weiter verdichtet wird, der weiter verdichtete zweite Teil zu dem Hauptwärmetauscher geleitet wird, in welchem er mittels indirektem Wärmeaustausch mit Rücklaufströmen gekühlt wird, mindestens ein Teil des gekühlten zweiten von dem Hauptwärmetauscher abgezogenen Teils turboexpandiert wird, der turboexpandierte zweite Teil erneut in den Hauptwärmetauscher eingeleitet wird, und mindestens ein Teil des turboexpandierten zweiten Teils nachdem dieser den Hauptwärmetauscher teilweise passiert hat, zu der Einsatzluft zwischen der ersten und der n-ten Verdichtungsstufe rückgeführt wird; (D) flüssiger Sauerstoff innerhalb der kryogenen Luftzerlegungsanlage erzeugt wird, flüssiger Sauerstoff von der kryogenen Luftzerlegungsanlage abgezogen und durch den Hauptwärmetauscher geleitet wird, wo er mittels indirektem Wärmeaustausch mit sowohl dem kühlenden ersten Teil der Einsatzluft als auch dem kühlenden zweiten Teil der Einsatzluft verdampft wird, um gasförmigen Sauerstoff zu erzeugen; und (E) gasförmiger Sauerstoff als Produkt gewonnen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ein Teil des turboexpandierten zweiten Teils mit dem turboexpandierten ersten Teil kombiniert und in die kryogene Luftzerlegungsanlage geleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner flüssiger Sauerstoff von der kryogenen Luftzerlegungsanlage gewonnen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner innerhalb der kryogenen Luftzerlegungsanlage flüssiger Stickstoff erzeugt wird und flüssiger Stickstoff von der kryogenen Luftzerlegungsanlage gewonnen wird.
  5. Vorrichtung zum Ausführen kryogener Luftzerlegung, versehen mit: (A) einem primären Luftverdichter mit einer Mehrzahl einer ersten bis n-ten Verdichtungsstufe, einem Hauptwärmetauscher, einem primären Turboexpander und einer kryogenen Luftzerlegungsanlage; (B) einer Anordnung zum Überleiten von Einsatzluft in die erste Stufe des primären Luftverdichters sowie einer Anordnung zum Abziehen von Einsatzluft von der n-ten Stufe des primären Luftverdichters; (C) einer Anordnung zum Überleiten von Einsatzluft von der n-ten Stufe des primären Luftverdichters zu dem Hauptwärmetauscher, von dem Hauptwärmetauscher zu dem primären Turboexpander und von dem primären Turboexpander zu der kryogenen Luftzerlegungsanlage; (D) einem Boosterverdichter, einem sekundären Turboexpander, einer Anordnung zum Überleiten von Einsatzluft von der n-ten Stufe des primären Luftverdichters zu dem Boosterverdichter, von dem Boosterverdichter zu dem Hauptwärmetauscher, von dem Hauptwärmetauscher zu dem sekundären Turboexpander, und von dem sekundären Turboexpander zu dem Hauptluftverdichter zwischen die erste und die n-te Verdichtungsstufe; und (E) einer Anordnung zum Überleiten von flüssigem Sauerstoff von der kryogenen Luftzerlegungsanlage zu dem Hauptwärmetauscher sowie einer Anordnung zum Gewinnen von dampfförmigem Sauerstoff von dem Hauptwärmetauscher.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher der Hauptluftverdichter mindestens drei Verdichtungsstufen aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Anordnung zum Überleiten von flüssigem Sauerstoff von der kryogenen Luftzerlegungsanlage zu dem Hauptwärmetauscher eine Flüssigkeitspumpe aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die kryogene Luftzerlegungsanlage eine Doppelkolonne umfasst, die eine bei höherem Druck arbeitende Kolonne sowie eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Anordnung zum Überleiten von Einsatzluft von dem primären Turboexpander zu der kryogenen Luftzerlegungsanlage mit der mit höherem Druck arbeitenden Kolonne in Verbindung steht.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner versehen mit einer Anordnung zum Überleiten von Einsatzluft von dem sekundären Turboexpander in die kryogene Luftzerlegungsanlage.
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