EP0768503B1 - Dreifachsäulenverfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Dreifachsäulenverfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft Download PDF

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EP0768503B1
EP0768503B1 EP96116124A EP96116124A EP0768503B1 EP 0768503 B1 EP0768503 B1 EP 0768503B1 EP 96116124 A EP96116124 A EP 96116124A EP 96116124 A EP96116124 A EP 96116124A EP 0768503 B1 EP0768503 B1 EP 0768503B1
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EP
European Patent Office
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pressure
pressure column
column
medium
low
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EP96116124A
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EP0768503A3 (de
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Jürgen Dipl.-Phys. Voit
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
    • F25J3/04303—Lachmann expansion, i.e. expanded into oxygen producing or low pressure column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
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    • F25J3/04436—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using at least a triple pressure main column system
    • F25J3/04448—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using at least a triple pressure main column system in a double column flowsheet with an intermediate pressure column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
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    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
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    • F25J3/04872—Vertical layout of cold equipments within in the cold box, e.g. columns, heat exchangers etc.
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    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/939—Partial feed stream expansion, air

Definitions

  • the invention relates to a method for the low-temperature separation of air in one Triple column system consisting of a high pressure column, a medium pressure column and a low pressure column, with the steps listed in claim 1 (a) to (i).
  • a triple column system has at least three columns for nitrogen-oxygen separation on.
  • the term includes systems and processes that serve as additional pillars Nitrogen-oxygen separation and / or for the extraction of others Have air components such as noble gases, for example a crude argon column.
  • Triple column process of the type mentioned above is known from DE-A-2903089, The entire feed air is compressed to a first pressure, which is above the Medium pressure column pressure, and some without further pressure changing Measures fed into the medium pressure column, to another part on one second pressure further compressed and introduced into the high pressure column. The rest of compressed service air is relieved of work and into the low pressure column introduced. However, this process does not work optimally in terms of energy.
  • the invention is therefore based on the object of a method of the beginning specified type with particularly high efficiency.
  • This object is achieved in that the first pressure is lower than that Operating pressure of the medium pressure column and that the second part of the feed air from the first pressure is compressed to a third pressure that is at least equal to that Operating pressure of the medium pressure column, but is lower than the second pressure.
  • the total amount of feed air is therefore only at a relatively low pressure compressed, which is lower than the pressure prevailing in the medium pressure column.
  • the in the first air section to be introduced must be in a further one Compressors are compressed correspondingly higher; the part of the feed air that anyway directly under the low pressure column working at lower pressure is fed in, but does not even need to the high pressure of the High pressure column to be brought.
  • the cooling needs of the System is relatively small, for example, because a small part of the products are liquid is obtained or it is a pure gas system, results in particularly low energy consumption.
  • relaxation is preferably between the first pressure and the Pressure of the medium pressure column.
  • the third part of the air should relax during work gained energy or a part thereof for the compression of the third air part be used.
  • the post-compressor is preferably used exclusively for this internally generated mechanical energy is driven so that it does not come from the outside energy consumed.
  • Post-compressor and expansion machine are for example mechanically coupled via a common shaft.
  • the high pressure column can be relatively low operated low pressure, which is preferably 4.8 bar or less. This results in a particularly low effort when compressing the feed air.
  • the low pressure column is preferably under the lowest possible pressure operated. This is determined by the fact that the top product of the low pressure column - if necessary after passing through one or more heat exchangers - under im substantial atmospheric pressure can be removed from the process; if this top product as regeneration gas in a cleaning device (e.g. one Molecular sieve system) is used, the pressure of the low pressure column must also enable their operation.
  • a cleaning device e.g. one Molecular sieve system
  • part of the first oxygen-enriched bottom fraction is introduced from the high pressure column into the medium pressure column. It becomes a part of the bottom product from the high pressure column, and thus one larger amount of nitrogen-enriched fraction at the top of the medium pressure column won, which is available as return liquid in the low pressure column. This further improves rectification in the low pressure column.
  • the bottom fraction from the high pressure column is preferably at an intermediate point introduced into the medium pressure column, that is at a point that has at least one practical or theoretical floor above the sump of the medium pressure column and in particular at least one practical or theoretical floor above the point where the second air part is fed into the medium pressure column.
  • the invention also relates to a device for the low temperature decomposition of Air according to claim 8.
  • Nitrogen will be produced if there is an additional one at the top of the low pressure column Ordinary pure nitrogen section is arranged.
  • Argon production is also possible if the low pressure column in a known manner (see for example EP-B-377117) an argon rectification is connected downstream. Likewise, other noble gases are generated in a known manner.
  • Feed air 1 is compressed in a main air compressor 2 to a first pressure.
  • the compressed feed air 3 is in a first partial flow 101, a second partial flow 201 and a third partial stream 301 divided.
  • the first partial flow to a second pressure and the second partial flow to one brought between the first and the second pressure third pressure.
  • there the first partial flow and the second partial flow are initially together (4) in Compressor 5 to the third pressure and then the first partial flow 101 alone further compressed in the compressor 102 to the second pressure.
  • you can the first and the second partial stream can also be compressed independently of one another.
  • the third partial stream, the Relaxation machine 305 or the post-compressor 302 fed will be branched downstream of one of the compressors 5 or 102.
  • the cooling capacity achieved with this can increase the pressure when relaxing increased and / or the amount of air blown directly into the low pressure column be reduced.
  • the first partial flow 103 under the second pressure and that under the third Second partial flow 201 under pressure is counteracted in a main heat exchanger 6
  • the high pressure column 7 is under operated at a pressure of 4.5 to 5.5 bar, preferably 4.6 to 4.8 bar
  • Medium pressure column 8 is under 2.5 to 3.5 bar, preferably 2.8 to 3.0 bar.
  • the first pressure (in line 3 behind the main air compressor 2) is significantly lower as the high pressure column pressure; the difference is at least 2.5 bar, preferably 3.0 to 3.2 bar.
  • the second pressure is slightly above that High pressure column pressure (for example about 0.1 bar above the pressure at the Feeding point in the high pressure column) to the pressure drop in the main heat exchanger 6 and equalize in lines 103 and 104.
  • the third pressure is analogous to this (downstream of the compressor 5) slightly above the pressure of the medium pressure column the introduction of the second partial flow 201, 202 into the medium pressure column 8 guarantee.
  • the third partial flow 301 is optionally in a post-compressor 302 on a fourth pressure, which is between the first pressure and the operating pressure the medium pressure column can be, for example, 1.5 to 2.5 bar higher than that first print is.
  • the fourth pressure is correspondingly higher means for example higher than the pressure of the medium pressure column or even higher than the pressure of the high pressure column; in this case it can be up to 8 bar or more
  • Via line 303 it goes to the main heat exchanger 6 and from it cold end from further (304) to the relaxation machine 305.
  • the work-performing relaxed air 306 is introduced into the low-pressure column 9 at medium height.
  • each compressor 2, 5, 102, 302 in indirect heat exchange cooled with cooling water, as by the aftercoolers shown in the drawing is indicated.
  • a first nitrogen-enriched precipitate Head fraction as head gas and a first oxygen-enriched fraction as Sump liquid is in a first condenser-evaporator 11 condensed and in part 12 in the high pressure column and in another part 13 - if necessary after subcooling in counterflow 14 - via line 15 in the Low pressure column 9 throttled (16), the operating pressure 1.1 to 1.5 bar, preferably 1.2 to 1.4 bar.
  • Part of the condensed nitrogen enriched Fraction 13 from the high pressure column can via the optional line 17 to the top of the Medium pressure column 8 are performed.
  • the bottom liquid of the high pressure column is over Line 18 also into the low pressure column 9 after optional subcooling (14) relaxed (19, 20).
  • the feed point is above that of the work-performing relaxed air 306.
  • the feed point is at least one practical or theoretical floor, preferably two to five theoretical plates above the feed of the second Air section 202.
  • a second nitrogen-enriched head fraction and won a second oxygen-enriched sump liquid In the medium pressure column 8, a second nitrogen-enriched head fraction and won a second oxygen-enriched sump liquid.
  • the head gas 21 will condensed in a second condenser-evaporator 22 and to a first part 23 in the medium pressure column and to a second part 24 - if necessary after Hypothermia in counterflow 14 - throttled into low-pressure column 9 (25).
  • the Bottom liquid of the medium pressure column is also optional via line 26 Hypothermia (14) in the evaporation space of the second condenser-evaporator 22 relaxed (27).
  • the vaporized stream 28 is introduced into the low pressure column 9 (29).
  • the feed point for example, at the same level as that of the Bottom liquid from the high pressure column or something above it.
  • the cleaning of the feed air is not shown in the drawing. You can by each of the known methods take place, for example in a switchable Heat exchanger (Revex) or in one or more molecular sieve systems. in the the latter case, it is possible to collectively use the entire feed air (line 3) Subject to cleaning, the three substreams 103, 201, 303 in separate systems treat or the first and second partial stream together through one arranged immediately downstream of the aftercooler of the compressor 5 Molecular sieve. In the event that different from the representation in the Drawing of the third partial flow behind one of the compressors 5 or 102 removed and is fed to the post-compressor 302, all three partial flows or at least the first and the third partial stream are cleaned together.
  • the mass transfer elements in the High pressure column and those formed in the medium pressure column by still bottoms in the low pressure column by orderly packing. Basically, however, at of the invention in each of the columns conventional still bottoms (disordered packing) and / or ordered packing. Also Combinations of different elements in one column are possible. Because of the low pressure drop, ordered packings in all columns, in particular in the low pressure column, preferred. These increase the energy-saving effect the invention further.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Dreifachsäulensystem, das aus einer Hochdrucksäule, einer Mitteldrucksäule und einer Niederdrucksäule besteht, mit den im Patentanspruch 1 angeführten Schritten (a) bis (i).
Ein Dreifachsäulensystem weist mindestens drei Säulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung auf. Der Begriff schließt Anlagen und Verfahren ein, die weitere Säulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und/oder zur Gewinnung von anderen Luftbestandteilen wie Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Rohargonsäule. Ein Dreifachsäulenverfahren der oben genannten Art ist aus der DE-A-2903089 bekannt, Die gesamte Einsatzluft wird hier auf einen ersten Druck verdichtet, der über dem Mitteldrucksäulendruck liegt, und zu einem Teil ohne weitere druckverändemde Maßnahmen in die Mitteldrucksäule eingespeist, zu einem anderen Teil auf einen zweiten Druck weiter verdichtet und in die Hochdrucksäule eingeführt. Der Rest der verdichteten Einsatzluft wird arbeitsleistend entspannt und in die Niederdrucksäule eingeführt. Dieses Verfahren arbeitet jedoch energetisch nicht vollständig optimal.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art mit besonders hohem Wirkungsgrad anzugeben.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der erste Druck niedriger als der Betriebsdruck der Mitteldrucksäule ist und daß der zweite Teil der Einsatzluft von dem ersten Druck auf einen dritten Druck verdichtet wird, der mindestens gleich dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule, aber niedriger als der zweite Druck ist.
Die Gesamtmenge der Einsatzluft wird also nur auf einen relativ niedrigen Druck verdichtet, der geringer als der in der Mitteldrucksäule herrschende Druck ist. Der in die Mitteldrucksäule einzuführende erste Luftteil muß zwar in einem weiteren Verdichter entsprechend höher verdichtet werden; derjenige Teil der Einsatzluft, der ohnehin direkt unter die bei geringerem Druck arbeitende Niederdrucksäule eingespeist wird, braucht jedoch gar nicht erst auf den hohen Druck der Hochdrucksäule gebracht zu werden. Insbesondere dann, wenn der Kältebedarf der Anlage relativ gering ist, weil beispielsweise ein geringer Teil der Produkte flüssig gewonnen wird oder es sich um eine reine Gasanlage handelt, ergibt sich ein besonders niedriger Energieverbrauch.
Dabei ist es günstig, wenn der dritte Teil der Einsatzluft stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung nachverdichtet wird, um die Druckdifferenz bei der arbeitsleistenden Entspannung zu erhöhen. Der Druck beim Eintritt in die arbeitsleistende Entspannung liegt in diesem Fall vorzugsweise zwischen dem ersten Druck und dem Druck der Mitteldrucksäule.
In diesem Fall sollte die bei der arbeitsleistenden Entspannung des dritten Luftteils gewonnene Energie oder ein Teil davon zur Nachverdichtung des dritten Luftteils verwendet werden. Vorzugsweise wird der Nachverdichter ausschließlich durch diese intern erzeugte mechanische Energie angetrieben, so daß er keine von außen eingebrachte Energie verbraucht. Nachverdichter und Entspannungsmaschine sind beispielsweise über eine gemeinsame Welle mechanisch gekoppelt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Hochdrucksäule unter einem relativ niedrigen Druck betrieben werden, der vorzugsweise bei 4,8 bar oder weniger liegt. Damit ergibt sich ein besonders geringer Aufwand beim Verdichten der Einsatzluft.
Die Niederdrucksäule wird vorzugsweise unter dem niedrigstmöglichen Druck betrieben. Dieser ist dadurch bestimmt, daß das Kopfprodukt der Niederdrucksäule - gegebenenfalls nach Durchgang durch einen oder mehrere Wärmetauscher - unter im wesentlichen Atmosphärendruck aus dem Verfahren entfernt werden kann; falls dieses Kopfprodukt als Regeneriergas in einer Reinigungseinrichtung (z.B. einer Molekularsiebanlage) eingesetzt wird, muß der Druck der Niederdrucksäule auch deren Betrieb ermöglichen.
Es ist ferner günstig, wenn ein Teil der ersten sauerstoffangereicherten Sumpffraktion aus der Hochdrucksäule in die Mitteldrucksäule eingeleitet wird. Damit wird ein Teil des Sumpfproduktes aus der Hochdrucksäule weiter vorzerlegt, und damit eine größere Menge von stickstoffangereicherter Fraktion am Kopf der Mitteldrucksäule gewonnen, die als Rücklaufflüssigkeit in der Niederdrucksäule zur Verfügung steht. Dies bewirkt eine weitere Verbesserung der Rektifikation in der Niederdrucksäule.
Die Sumpffraktion aus der Hochdrucksäule wird vorzugsweise an einer Zwischenstelle in die Mitteldrucksäule eingeführt, das heißt an einer Stelle, die mindestens einen praktischen oder theoretischen Boden oberhalb des Sumpfes der Mitteldrucksäule und insbesondere mindestens einen praktischen oder theoretischen Boden oberhalb der Stelle der Einspeisung des zweiten Luftteils in die Mitteldrucksäule liegt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Patentanspruch 8.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch reiner Stickstoff produziert werden, wenn am Kopf der Niederdrucksäule zusätzlich ein üblicher Reinstickstoffabschnitt angeordnet wird. Auch die Argongewinnung ist möglich, wenn der Niederdrucksäule auf bekannte Weise (siehe beispielsweise EP-B-377117) eine Argonrektifikation nachgeschaltet ist. Ebenso können weitere Edelgase in bekannter Weise erzeugt werden.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Einsatzluft 1 wird in einem Hauptluftverdichter 2 auf einen ersten Druck verdichtet. Die verdichtete Einsatzluft 3 wird in einen ersten Teilstrom 101, einen zweiten Teilstrom 201 und einen dritten Teilstrom 301 aufgeteilt. In den Verdichtem 5 und 102 werden der erste Teilstrom auf einen zweiten Druck und der zweite Teilstrom auf einen zwischen dem ersten und dem zweiten Druck liegenden dritten Druck gebracht. Dabei werden der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom zunächst gemeinsam (4) im Verdichter 5 auf den dritten Druck und anschließend der erste Teilstrom 101 alleine weiter im Verdichter 102 auf den zweiten Druck komprimiert. Alternativ dazu können der erste und der zweite Teilstrom auch unabhängig voneinander verdichtet werden.
Wenn der Kältebedarf der Anlage und/oder die Produktreinheit relativ hoch sind, kann abweichend von der Darstellung in der Zeichnung der dritte Teilstrom, der der Entspannungsmaschine 305 beziehungsweise dem Nachverdichter 302 zugeführt wird, stromabwärts eines der Verdichter 5 oder 102 abgezweigt werden. Durch den damit erreichten höheren Eintrittsdruck beim Entspannen kann die Kälteleistung erhöht und/oder die Menge der direkt in die Niederdrucksäule eingeblasenen Luft verringert werden.
Der unter dem zweiten Druck stehende erste Teilstrom 103 und der unter dem dritten Druck stehende zweite Teilstrom 201 werden in einem Hauptwärmetauscher 6 gegen Produktströme abgekühlt und in die Hochdrucksäule 7 beziehungsweise in die Mitteldrucksäule 8 eingespeist (104 bzw. 202). Die Hochdrucksäule 7 wird unter einem Druck von 4,5 bis 5,5 bar, vorzugsweise 4,6 bis 4,8 bar betrieben, die Mitteldrucksäule 8 steht unter 2,5 bis 3,5 bar, vorzugsweise 2,8 bis 3,0 bar.
Der erste Druck (in Leitung 3 hinter dem Hauptluftverdichter 2) ist deutlich niedriger als der Hochdrucksäulendruck; die Differenz beträgt mindestens 2,5 bar, vorzugsweise 3,0 bis 3,2 bar. Der zweite Druck liegt geringfügig über dem Hochdrucksäulendruck (beispielsweise etwa 0,1 bar über dem Druck an der Einspeisestelle in die Hochdrucksäule), um den Druckabfall im Hauptwärmetauscher 6 und in den Leitungen 103 und 104 auszugleichen. Analog dazu liegt der dritte Druck (stromabwärts des Verdichters 5) etwas oberhalb des Drucks der Mitteldrucksäule, um die Einführung des zweiten Teilstroms 201, 202 in die Mitteldrucksäule 8 zu gewährleisten.
Der dritte Teilstrom 301 wird gegebenenfalls in einem Nachverdichter 302 auf einen vierten Druck nachverdichtet, der zwischen dem ersten Druck und dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule liegen kann und beispielsweise 1,5 bis 2,5 bar höher als der erste Druck ist. (Für den Fall, daß der dritte Teilstrom stromabwärts eines der Verdichter 5 oder 102 abgezweigt wird, ist der vierte Druck entsprechend höher, das heißt beispielsweise höher als der Druck der Mitteldrucksäule oder sogar höher als der Druck der Hochdrucksäule; er kann in diesem Fall bis zu 8 bar oder mehr betragen.) Über Leitung 303 geht es zum Hauptwärmetauscher 6 und von dessen kaltem Ende aus weiter (304) zur Entspannungsmaschine 305. Die arbeitsleistend entspannte Luft 306 wird auf mittlerer Höhe in die Niederdrucksäule 9 eingeleitet.
Die Luft wird hinter jedem Verdichter 2, 5,102, 302 in indirektem Wärmeaustausch mit Kühlwasser abgekühlt, wie durch die in der Zeichnung dargestellten Nachkühler angedeutet ist. Bei mehrstufigen Verdichtern wird vorzugsweise zwischen zwei Stufen eine Zwischenkühlung durchgeführt.
Bei der Rektifikation in der Hochdrucksäule 7 fallen eine erste stickstoffangereicherte Kopffraktion als Kopfgas und eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion als Sumpfflüssigkeit an. Kopfgas 10 wird in einem ersten Kondensator-Verdampfer 11 kondensiert und zu einem Teil 12 in die Hochdrucksäule und zu einem anderen Teil 13 - gegebenenfalls nach Unterkühlung im Gegenströmer 14 - über Leitung 15 in die Niederdrucksäule 9 eingedrosselt (16), deren Betriebsdruck 1,1 bis 1,5 bar, vorzugsweise 1,2 bis 1,4 bar, liegt. Ein Teil der kondensierten stickstoffangereicherten Fraktion 13 aus der Hochdrucksäule kann über die optionale Leitung 17 zum Kopf der Mitteldrucksäule 8 geführt werden. Die Sumpfflüssigkeit der Hochdrucksäule wird über Leitung 18 ebenfalls nach optionaler Unterkühlung (14) in die Niederdrucksäule 9 entspannt (19, 20). Die Einspeisestelle liegt oberhalb derjenigen der arbeitsleistend entspannten Luft 306. Vorzugsweise wird ein Teil 37 (10 bis 30 %, vorzugsweise 15 bis 20 %) der Hochdrucksäulen-Sumpfflüssigkeit 18 in die Mitteldrucksäule geführt. Die Einspeisestelle liegt mindestens einen praktischen oder theoretischen Boden, vorzugsweise zwei bis fünf theoretische Böden oberhalb der Einspeisung des zweiten Luftteils 202.
In der Mitteldrucksäule 8 werden eine zweite stickstoffangereicherte Kopffraktion und eine zweite sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit gewonnen. Das Kopfgas 21 wird in einem zweiten Kondensator-Verdampfer 22 kondensiert und zu einem ersten Teil 23 in die Mitteldrucksäule und zu einem zweiten Teil 24 - gegebenenfalls nach Unterkühlung im Gegenströmer 14 - in die Niederdrucksäule 9 eingedrosselt (25). Die Sumpfflüssigkeit der Mitteldrucksäule wird über Leitung 26 ebenfalls nach optionaler Unterkühlung (14) in den Verdampfungsraum des zweiten Kondensator-Verdampfers 22 entspannt (27). Der verdampfte Strom 28 wird in die Niederdrucksäule 9 eingeführt (29). Die Einspeisestelle beispielsweise auf derselben Höhe wie diejenige der Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule oder etwas darüber.
Dampf 31 für die Rektifikation in der Niederdrucksäule 9 wird durch Verdampfen von Sumpfflüssigkeit 30 im ersten Kondensator-Verdampfer 11 erzeugt. Der Kondensator-Verdampfer 11 kann abweichend von der Darstellung im Sumpf der Niederdrucksäule 9 angeordnet sein. Als Kopfprodukt verläßt Stickstoff 32 die Niederdrucksäule 9, wird in den Wärmetauschem 14 und 6 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und bei 33 abgezogen. Gasförmiger Produktsauerstoff 35 wird über Leitung 34 entnommen und ebenfalls im Hauptwärmetauscher 6 erwärmt. Das Sauerstoffprodukt oder ein Teil davon kann bei Bedarf flüssig entnommen werden (Leitung 36). Für die Erzeugung eines Hochdruckprodukts kann der flüssig entnommene Sauerstoff auf Druck gebracht und verdampft werden (Innenverdichtung).
Die Reinigung der Einsatzluft ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Sie kann durch jede der bekannten Methoden erfolgen, beispielsweise in einem umschaltbaren Wärmetauscher (Revex) oder in einer oder mehreren Molekularsiebanlagen. Im letzteren Fall ist es möglich, die gesamte Einsatzluft (Leitung 3) gemeinsam der Reinigung zu unterwerfen, die drei Teilströme 103, 201, 303 in getrennten Anlagen zu behandeln oder auch den ersten und zweiten Teilstrom gemeinsam durch ein unmittelbar stromabwärts des Nachkühlers des Verdichters 5 angeordnetes Molekularsieb zu schicken. Für den Fall, daß abweichend von der Darstellung in der Zeichnung der dritte Teilstrom hinter einem der Verdichter 5 oder 102 abgenommen und dem Nachverdichter 302 zugeleitet wird, können aller drei Teilströme oder zumindest der erste und der dritte Teilstrom gemeinsam gereinigt werden.
In dem Ausführungsbeispiel werden die Stoffaustauschelemente in der Hochdrucksäule und in der Mitteldrucksäule durch Destillierböden gebildet, diejenigen in der Niederdrucksäule durch geordnete Packung. Grundsätzlich können jedoch bei der Erfindung in jeder der Säulen konventionelle Destillierböden, Füllkörper (ungeordnete Packung) und/oder geordnete Packung eingesetzt werden. Auch Kombinationen verschiedenartiger Elemente in einer Säule sind möglich. Wegen des geringen Druckverlusts werden geordnete Packungen in allen Säulen, insbesondere in der Niederdrucksäule, bevorzugt. Diese verstärken die energiesparende Wirkung der Erfindung weiter.
Die untenstehenden Tabellen zeigen zwei Zahlenbeispiele für den in der Zeichnung dargestellten Prozeß, Tabelle 1 für die Gewinnung von reinem Sauerstoff (99,5 %) und Tabelle 2 für die Gewinnung von Sauerstoff mittlerer Reinheit (95,0 %).
GOX-Reinheit: 99,5% Gesamtleistungsaufnahme der Verdichter: 13030 kW
Zeichn. Menge Druck Temperatur Dampfanteil Anteil N2 Anteil Ar Anteil O2
[mol/s] [bar] [K] x<=1,0 [mol-%] [mol-%] [mol-%]
1 2985,0 1,00 295,0 1,0 78,12 0,93 20,95
301 520,0 1,63 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
4 2465,0 1,63 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
303 520,0 1,74 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
304 520,0 1,64 98,1 1,0 78,12 0,93 20,95
306 520,0 1,21 90,9 1,0 78,12 0,93 20,95
101 2110,8 3,12 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
201 354,2 3,12 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
103 2110,8 4,84 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
104 2110,8 4,74 101,2 1,0 78,12 0,93 20,95
202 354,2 3,02 97,8 1,0 78,12 0,93 20,95
34 620,0 1,22 92,0 1,0 0,00 0,50 99,50
35 620,0 1,12 297,9 1,0 0,00 0,50 99,50
36 5,0 1,22 92,0 0,0 0,00 0,32 99,68
28 342,1 1,22 86,6 1,0 55,44 1,44 43,12
24 197,8 2,90 87,6 0,0 99,33 0,46 0,21
vor 25 197,8 2,90 87,6 0,0 99,33 0,46 0,21
26 342,1 3,02 92,2 0,0 55,44 1,44 43,12
vor 27 342,1 3,02 92,2 0,0 55,44 1,44 43,12
13 1063,1 4,63 93,0 0,0 99,46 0,45 0,09
17 10,7 4,53 89,2 0,0 99,46 0,45 0,09
15 1052,4 4,53 89,2 0,0 99,46 0,45 0,09
18 1047,7 4,74 97,8 0,0 56,46 1,42 42,12
37 175,0 4,64 81,1 0,0 56,46 1,42 42,12
19 872,7 4,64 81,1 0,0 56,46 1,42 42,12
32 2360,0 1,20 79,0 1,0 98,81 1,05 0,14
33 2360,0 1,00 297,8 1,0 98,81 1,05 0,14
GOX-Reinheit: 95,0% Gesamtleistungsaufnahme der Verdichter: 10018 kW
Zeichn. Menge Druck Temperatur Dampfanteil Anteil N2 Anteil Ar Anteil O2
[mol/s] [bar] [K] x<=1,0 [mol-%] [mol-%] [mol-%]
1 2850,0 1,00 295,0 1,0 78,12 0,93 20,95
301 953,2 1,49 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
4 1896,8 1,49 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
303 953,2 1,55 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
304 953,2 1,45 97,9 1,0 78,12 0,93 20,95
306 953,2 1,21 93,5 1,0 78,12 0,93 20,95
101 1294,6 3,11 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
201 602,2 3,11 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
103 1294,6 4,74 298,0 1,0 78,12 0,93 20,95
104 1294,6 4,64 98,6 1,0 78,12 0,93 20,95
202 602,2 3,01 97,3 1,0 78,12 0,93 20,95
34 620,0 1,22 91,8 1,0 2,55 2,45 95,00
35 620,0 1,12 297,9 1,0 2,55 2,45 95,00
36 5,0 1,22 91,8 0,0 0,67 1,62 97,71
28 575,6 1,22 86,6 1,0 55,64 1,44 42,92
24 320,9 2,89 87,6 0,0 99,18 0,46 0,36
vor 25 320,9 2,89 87,6 0,0 99,18 0,46 0,36
26 575,6 3,01 92,1 0,0 55,64 1,44 42,92
vor 27 575,6 3,01 92,1 0,0 55,64 1,44 42,92
13 652,0 4,52 92,8 0,0 99,24 0,46 0,30
17 3,1 4,42 81,0 0,0 99,24 0,46 0,30
15 648,9 4,42 81,0 0,0 99,24 0,46 0,30
18 642,6 4,64 97,5 0,0 56,69 1,41 41,90
37 291,2 4,54 80,1 0,0 56,69 1,41 41,90
19 351,4 4,54 80,1 0,0 56,69 1,41 41,90
32 2225,0 1,20 79,0 1,0 99,35 0,51 0,14
33 2225,0 1,00 297,8 1,0 99,35 0,51 0,14

Claims (11)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Dreifachsäulensystem, das aus einer Hochdrucksäule (7), einer Mitteldrucksäule (8) und einer Niederdrucksäule (9) besteht, mit folgenden Schritten:
    (a) Verdichtung (2) von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck
    (b) Einleitung eines ersten Teils (101, 103, 104) der verdichteten Einsatzluft (3) in die Hochdrucksäule (7), wobei der erste Teil der Einsatzluft von dem ersten Druck auf einen zweiten Druck verdichtet (5, 102) wird, der mindestens gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule (7) ist
    (c) Einleitung eines zweiten Teils (201, 202) der verdichteten Einsatzluft (3) in die Mitteldrucksäule (8)
    (d) arbeitsleistende Entspannung (305) eines dritten Teils (301, 303, 304) der verdichteten Einsatzluft (3)
    (e) Einleitung der arbeitsleistend entspannten Einsatzluft (306) in die Niederdrucksäule (9)
    (f) Einleitung (19) mindestens eines Teils einer ersten sauerstoffangereicherten Sumpffraktion (18) aus der Hochdrucksäule (7) in die Niederdrucksäule (9)
    (g) Kondensation (11) einer ersten stickstoffangereicherten Kopffraktion (10) aus der Hochdrucksäule (7) und Einleitung von dabei gewonnenem Kondensat (13, 15) als Rücklauf in die Niederdrucksäule (9)
    (h) Einleitung (28) mindestens eines Teils einer zweiten sauerstoffangereicherten Sumpffraktion (26) aus der Mitteldrucksäule (8) in die Niederdrucksäule (9)
    (i) Kondensation (22) einer zweiten stickstoffangereicherten Kopffraktion (21) aus der Mitteldrucksäule (8) und Einleitung (25) von dabei gewonnenem Kondensat (24) als Rücklauf in die Niederdrucksäule (9)
    dadurch gekennzeichnet, daß
    (j) der erste Druck niedriger als der Betriebsdruck der Mitteldrucksäule (8) ist und
    (k) der zweite Teil der Einsatzluft von dem ersten Druck auf einen dritten Druck verdichtet (5) wird, der mindestens gleich dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule (8), aber niedriger als der zweite Druck ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Teil (301) der Einsatzluft stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung (305) nachverdichtet (302) wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der arbeitsleistenden Entspannung (305) des dritten Luftteils (304) gewonnene Energie zur Nachverdichtung (302) des dritten Luftteils (301) verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck am Kopf der Hochdrucksäule etwa 4,8 bar oder weniger beträgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdrucksäule (9) unter einem nur knapp überatmosphärischen Druck betrieben wird, der ausreicht, um die Kopffraktion (32, 33) der Niederdrucksäule (9) - gegebenenfalls nach Durchgang durch einen oder mehrere Wärmetauscher (14, 6) - unter im wesentlichen Atmosphärendruck aus dem Verfahren zu entfernen und/oder als Regeneriergas in einer Reinigungseinrichtung einzusetzen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (37) der ersten sauerstoffangereicherten Sumpffraktion (18) aus der Hochdrucksäule (7) in die Mitteldrucksäule (8) eingeleitet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (37) der ersten sauerstoffangereicherten Sumpffraktion aus der Hochdrucksäule an einer Zwischenstelle in die Mitteldrucksäule (8) eingeführt wird.
  8. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Dreifachsäulensystem, das eine Hochdrucksäule (7), eine Mitteldrucksäule (8) und eine Niederdrucksäule (9) aufweist, mit
    (a) einem Hauptluftverdichter (2) zur Verdichtung von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck, der niedrieger als der Betriebsdruck der Mittelsäule ist,
    (b) mit einer ersten Teilstromleitung (101, 103, 104), die mit dem Austritt des Hauptluftverdichters (2) und mit der Hochdrucksäule (7) verbunden ist, wobei die erste Teilstromleitung durch Mittel (5, 102) zur Verdichtung von Einsatzluft von dem ersten Druck auf einen zweiten Druck, der mindestens gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule (7) ist, führt
    (c) mit einer zweiten Teilstromleitung (201, 202), die mit dem Austritt des Hauptluftverdichters (2) und mit der Mitteldrucksäule (8) verbunden ist,
    (d) mit einer dritten Teilstromleitung (301, 303, 304, 306), die mit dem Austritt des Hauptluftverdichters (2) verbunden ist und durch eine Entspannungsmaschine (305) zur Niederdrucksäule (9) führt,
    (e) mit Mitteln zur Einleitung (13, 15, 16; 24, 25) von Flüssigkeit vom Kopf der Hochdrucksäule (7) und vom Kopf der Mitteldrucksäule (8) in die Niederdrucksäule (9) sowie zur Einleitung (18, 19, 20; 26, 27, 28 29) von Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule (7) und aus der Mitteldrucksäule (8) in die Niederdrucksäule (9),
    und mit
    (f) Mitteln (5) zur Verdichtung von Einsatzluft (4) von dem ersten Druck auf einen dritten Druck, der mindestens gleich dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule
    (8), aber niedriger als der zweite Druck ist, deren Eintritt mit dem Austritt des Hauptluftverdichters (2) und deren Austritt mit der zweiten Teilstromleitung (201, 202) verbunden ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Nachverdichter (302), der in der dritten Teilstromleitung (301, 303) stromaufwärts der Entspannungsmaschine (305) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zur Übertragung von mechanischer Energie von der Entspannungsmaschine (305) auf den Nachverdichter (302).
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel (37) zur Einleitung von Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule (7) in die Mitteldrucksäule (8).
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