EP1067345B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

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EP1067345B1
EP1067345B1 EP99121174A EP99121174A EP1067345B1 EP 1067345 B1 EP1067345 B1 EP 1067345B1 EP 99121174 A EP99121174 A EP 99121174A EP 99121174 A EP99121174 A EP 99121174A EP 1067345 B1 EP1067345 B1 EP 1067345B1
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EP
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heat exchanger
main heat
cold
cold end
stream
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Linde GmbH
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    • F25J2245/40—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being air
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the cryogenic separation of air, in which cooled and purified feed air cooled in a main heat exchanger and at least part of a rectification column is supplied, wherein a first partial flow the feed air at an intermediate temperature from the main heat exchanger removed and fed under this intermediate temperature of a cold compression.
  • the invention is used in such cases in which a part of the feed air ("first partial flow") is recompressed, for example, for the evaporation of a liquid process stream to be used.
  • a product stream e.g., liquid oxygen, liquid nitrogen, or liquid argon
  • a rectification column to the bottoms or intermediate liquid a rectification column or else an external liquid which for example, a storage tank is removed.
  • two or more such process streams against the recompressed air stream to evaporate.
  • the "main heat exchanger” is preferably a single Heat exchanger block formed. For larger systems, it may be useful to Main heat exchanger by several with respect to it temperature profile parallel strands realized by separated from each other Components are formed. In principle, it is possible that the Main heat exchanger or each of these strands by two or more serially connected blocks is formed.
  • this re-compaction is carried out in a conventional manner, by the partial air flow at about ambient temperature of a corresponding Machine is supplied.
  • a cold compressor for densification be used.
  • Cold compression is here a compression process understood, in which the gas is supplied to the compression at a temperature, the is well below the ambient temperature, generally below 250K; preferably below 200K.
  • WO 9528610 or EP 644388 A are methods of the beginning known type, in which the cold compression at an intermediate temperature is performed between the temperatures at the warm and cold end of the Main heat exchanger is located.
  • This intermediate temperature can in particular the point at which the curves of the to be heated and streams to be cooled in the heat exchange diagram (Q-T diagram) of the Closest to the main heat exchanger ("theoretical pinch point").
  • the invention is based on the object, a method of the type mentioned and to provide a corresponding device which is energetically particularly favorable operate.
  • the cold compression air partial flow so initially further than actually needed cooled in the main heat exchanger, so on the Intermediate temperature addition, which is about the inlet temperature of the cold compression equivalent. Then he is - again in the main heat exchanger - on the Intermediate temperature warmed up.
  • This procedure appears at first glance unfavorable, since by the needless cooling and reheating with additional exchange losses and thus higher energy consumption is expected.
  • it has been found that thereby the Heat transfer in the cold part of the main heat exchanger (below the Intermediate temperature) is improved.
  • the to be heated In the cold part of the main heat exchanger, the to be heated and namely, a higher density than in the warm part.
  • the Heat exchanger passages that flow through them usually have constructive The same number and cross sections.
  • the passages are in cold Part operated, so to speak, with an underload of about 20%. Due to this fact the flow conditions in the cold part of the main heat exchanger are not optimal.
  • the invention achieves an improvement here by the - anyway anyway treating - partial air flow for cold compression both the cooling, as also supplemented the currents to be heated. It has turned out that the Improvement of the heat transfer by the optimized within the scope of the invention Flow conditions in the cold part of the main heat exchanger the expected additional exchange losses overcompensated and total leads to an energetically particularly favorable process.
  • the first partial flow can be downstream of the cold compression against a evaporating process stream are at least partially liquefied.
  • This Heat exchange step can either in the main heat exchanger or in a be performed separate condenser-evaporator. This is particularly cheap Procedure, if the entire oxygen product or a large part of it as Liquid taken from the rectification, placed in liquid form on pressure and finally evaporated against the cold-compressed partial air stream. In this case will just as much air is cold-compressed that due to the flow conditions in the cold part the main heat exchanger by the reheating of this invention Air partial flow are practically optimal.
  • the first partial flow is before its warming in the cold end of the Main heat exchanger introduced. He will therefore be completely through the Main heat exchanger out and flows when it warms up again through the entire cold part of the main heat exchanger, so that the entire cold part of the Main heat exchanger comes into the enjoyment of improved flow.
  • the cooling of the first partial flow can separately from or together with other parts of the feed air are carried out.
  • the first partial flow can be downstream of the cold compression at an intermediate point of the main heat exchanger, which corresponds to a second intermediate temperature, the Cooling air flow to be supplied. Excluding those described in the previous paragraph Compensation of the compression heat is this second intermediate temperature above the first intermediate temperature. When mixing with the very cold second partial air flow upstream of the cold compression, the second Intermediate temperature at or even below the first intermediate temperature.
  • the invention also relates to a device for the cryogenic separation of air according to claims 5 to 8.
  • Atmospheric air 1 is compressed after flowing through a filter 2 (3) and Direct contact cooler 4 initiated. It occurs there in countercurrent contact with liquid Water 5.
  • the water remaining liquid in the direct heat exchange becomes 6 removed from the direct contact cooler 4.
  • the cooled and with steam laden air 7 is in a cleaning device 8 of water and carbon dioxide and optionally freed of further impurities.
  • the cleaning device 8 is preferably formed by at least two switchable container with an adsorbent, such as a molecular sieve are filled.
  • the purified feed air stream 9 is in a first main air flow 10 and a split second main air stream 20.
  • the former flows to the warm end of one Main heat exchanger 30, is in the main heat exchanger 30 at about dew point cooled, removed again at the cold end and finally via the lines 11 and 12 fed to the sump of the pressure column 50 of a double column.
  • the second main air stream 20 is in an externally driven after-compressor 21st further compressed and after flowing through an aftercooler 22 also on the warm End inserted in the main heat exchanger 30 (line 23).
  • Part 24 of the second Main air flow the "cooling air flow” remains until the cold end in Main heat exchanger 30 and is - optionally after slight throttling 25 than "first partial flow” 26 again introduced into the main heat exchanger 30, in the Warming Passages 17.
  • the first partial flow becomes removed via line 28 and fed to a cold compressor 29.
  • the cold-compacted first partial flow 31 is at a second intermediate temperature, which in the example is higher than the first intermediate temperature, again in the main heat exchanger 30th introduced, in the Abkühlpassagen 32.
  • After cooling and at least Partial liquefaction in the main heat exchanger becomes the first partial flow 33 finally fed via the valve 34 in the pressure column 50.
  • the feed-in point is one or more theoretical or practical soils above the Pressure column sump.
  • Another part 35 of the second main air stream 23 is at a third Intermediate temperature, which in the example between the first and the second Intermediate temperature is taken as a "turbine air stream" and a Relaxation machine 36 is supplied, which via a common shaft with the Cold compressor 29 and a generator 37 is coupled.
  • the working relaxed Air 38, together with the first main air flow 11 via line 12 to the sump the pressure column 50 out.
  • the double column has, in addition to the pressure column 50, a low-pressure column 51. Both Parts are connected via a common condenser-evaporator 52, the Main condenser in heat exchanging connection. Top gas 53 of the pressure column 50 is at least partially condensed in the main capacitor 52. The condensate flows to a first part 55 as return to the pressure column 50 back to a second part 55 it is undercooled in a subcooling countercurrent 56 and via line 57 and valve 58 is applied to the top of the low-pressure column 51.
  • Raw oxygen from the lower region of the pressure column 50 flows in the example two different routes to the low-pressure column 51.
  • a first crude oxygen fraction 59 is from the bottom of the pressure column is undercooled (56) and via line 60 and Throttle valve 61 transferred to the low pressure column.
  • a second Rohsauerstofffr is liquid the pressure column 50 and discharged in a similar manner (supercooling 56, line 63 and valve 64) at a slightly higher point in the low-pressure column 51 is fed.
  • the oxygen product is liquid via line 65 from the bottom of the Low pressure column 51 withdrawn, by a pump 66 in the liquid state on the desired product pressure, via line 67 to the main heat exchanger 30th led, evaporated there and warmed to about ambient temperature.
  • GOX-IC internally compressed product
  • no pure nitrogen is produced.
  • the nitrogen rich Top product 69 is used as residual gas in the subcooling countercurrent 56 and in Main heat exchanger 30 warmed up
  • the warm residual gas 70 can directly via line 71 are discharged into the atmosphere and / or via line 72 - if necessary after heating 73 - used as a regeneration gas for the cleaning device 8 become.
  • the moist regeneration gas flows via line 74 to the atmosphere.
  • the cooling air stream 24 is downstream of its removal from the cold end of the main heat exchanger 30 and the optional valve 25 to two Split streams, namely the "first partial stream” 226 - 227 - 228, analogous to the 1 is passed to the cold compressor 29, and a "second partial flow" 201, which - regulated by valve 202 - on the main heat exchanger 30 and in particular the Anürmpassagen 227 bypassed and 203 at the first Intermediate temperature warmed first partial stream 228 is mixed.
  • the Mixture flows under a correspondingly lower temperature to the entrance of the Cold compressor 29.
  • the cold-compressed air 231 has a lower one Temperature than in Figure 1, in the concrete example of Figure 2 is the second Intermediate temperature even lower than the first intermediate temperature.
  • Corresponding formed shorter are the cooling and liquefaction passages 232 for the first Partial flow downstream of the cold compression.
  • the cooling air flow 24 is here after partial liquefaction in Main heat exchanger 30 and 25 throttling for the purpose of phase separation in one Separator 301 initiated.
  • the liquid phase is analogous to the stream 33 of FIG. 1 fed via line 333 and valve 334 in the pressure column 50.
  • the steam 326 off the separator 301 forms the "first partial flow", the as in Figure 1 for Cold compression 29 is performed. Downstream of the cold compression 29 is the cold-compressed first substream 331, however, not in their own Abkühlpassagen introduced, but mixed with the second main air flow.
  • the cold-compacted Air quantity will thus be in a cycle 24 - 25 - 301 - 326 - 29 - 331 out.
  • the heat transfer in the cold part of the main heat exchanger can be particularly be designed favorably.
  • FIG. 4 differs in the same way from FIG. 3, FIG. 2 of FIG. 1, namely by an additional "second partial air flow” 401. This is out here is formed that part 401 of the steam from the separator 301, which does not have Line 426 as a "first partial flow" to the cold end of the main heat exchanger 30 is directed. As in FIG. 2, the admixture 403 of the cold second partial flow is used 401 to the first intermediate temperature heated first partial flow 428 of Compensation or overcompensation of the compression heat at the cold compression 29 is formed.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem verdichtete und gereinigte Einsatzluft in einem Hauptwärmetauscher abgekühlt und mindestens zum Teil einer Rektifiziersäule zugeführt wird, wobei ein erster Teilstrom der Einsatzluft bei einer Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher entnommen und unter dieser Zwischentemperatur einer Kaltverdichtung zugeführt wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt.
Die Erfindung kommt in solchen Fällen zum Einsatz, in denen ein Teil der Einsatzluft ("erster Teilstrom") nachverdichtet wird, beispielsweise um zur Verdampfung eines flüssigen Prozeßstroms eingesetzt zu werden. Bei dem flüssigen Prozeßstrom kann es sich um einen Produktstrom (z.B. flüssigen Sauerstoff, flüssigen Stickstoff oder flüssiges Argon) aus einer Rektifiziersäule, um die Sumpf- oder Zwischenflüssigkeit einer Rektifiziersäule oder auch um eine externe Flüssigkeit handeln, die beispielsweise einem Speichertank entnommen wird. Es ist auch möglich, zwei oder mehr derartige Prozeßströme gegen den nachverdichteten Luftteilstrom zu verdampfen.
Der "Hauptwärmetauscher" wird vorzugsweise durch einen einzigen Wärmetauscherblock gebildet. Bei größeren Anlagen kann es sinnvoll sein, den Hauptwärmetauscher durch mehrere hinsichtlich es Temperaturverlaufs parallelgeschaltete Stränge zu realisieren, die durch voneinander getrennte Bauelemente gebildet werden. Grundsätzlich ist es möglich, daß der Hauptwärmetauscher beziehungsweise jeder dieser Stränge durch zwei oder mehr seriell verbundene Blöcke gebildet wird.
In vielen Fällen wird diese Nachverdichtung auf konventionelle Weise durchgeführt, indem der Luftteilstrom bei etwa Umgebungstemperatur einer entsprechenden Maschine zugeführt wird. Alternativ kann ein Kaltverdichter zur Nachverdichtung verwendet werden. Unter "Kaltverdichtung" wird hier ein Verdichtungsvorgang verstanden, bei dem das Gas der Verdichtung bei einer Temperatur zugeführt wird, die deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, im allgemeinen unterhalb von 250 K; vorzugsweise unterhalb von 200 K.
Aus EP 689019 A, WO 9528610 oder EP 644388 A sind Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei denen die Kaltverdichtung bei einer Zwischentemperatur durchgeführt wird, die zwischen den Temperaturen am warmen und kalten Ende des Hauptwärmetauschers liegt. Diese Zwischentemperatur kann insbesondere an demjenigen Punkt liegen, an dem sich die Kurven der anzuwärmenden und abzukühlenden Ströme im Wärmeaustauschdiagramm (Q-T-Diagramm) des Hauptwärmetauschers am nächsten kommen ("theoretical pinch point").
Bei den bekannten Verfahren wird der Luftteilstrom, der zur Kaltverdichtung führt, im Hauptwärmetauscher vom warmen Ende her bis zu der Zwischentemperatur abgekühlt und an der entsprechenden Zwischenstelle des Hauptwärmetauschers unmittelbar aus Abkühlpassagen entnommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die energetisch besonders günstig zu betreiben sind.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird der für die Kaltverdichtung vorgesehene Luftteilstrom also zunächst weiter als eigentlich nötig im Hauptwärmetauscher abgekühlt, also über die Zwischentemperatur hinaus, die etwa der Eintrittstemperatur der Kaltverdichtung entspricht. Anschließend wird er - ebenfalls im Hauptwärmetauscher - wieder auf die Zwischentemperatur angewärmt. Diese Verfahrensweise erscheint auf den ersten Blick ungünstig, da durch die an sich unnötige Abkühlung und Rückerwärmung mit zusätzlichen Austauschverlusten und damit höherem Energieverbrauch zu rechnen ist. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, daß dadurch der Wärmeübergang im kalten Teil des Hauptwärmetauschers (unterhalb der Zwischentemperatur) verbessert wird.
Im kalten Teil des Hauptwärmetauschers weisen die anzuwärmenden und abzukühlenden Ströme nämlich eine höhere Dichte auf als im warmen Teil. Die Wärmetauscherpassagen, die sie durchströmen, haben in der Regel aus konstruktiven Gründen dieselbe Anzahl und dieselben Querschnitte. Die Passagen werden im kalten Teil sozusagen mit einer Unterlast von etwa 20 % betrieben. Aufgrund dieser Tatsache sind die Strömungsverhältnisse im kalten Teil des Hauptwärmetauschers nicht optimal. Die Erfindung erreicht hier eine Verbesserung, indem der - ohnehin speziell zu behandelnde - Luftteilstrom für die Kaltverdichtung sowohl die abzukühlenden, als auch die anzuwärmenden Ströme ergänzt. Es hat sich herausgestellt, daß die Verbesserung des Wärmeübergangs durch die im Rahmen der Erfindung optimierten Strömungsverhältnisse im kalten Teil des Hauptwärmetauschers die erwartungsgemäßen zusätzlichen Austauschverluste überkompensiert und insgesamt zu einen energetisch besonders günstigen Prozeß führt. Außerdem führt der zusätzliche Mengenstrom im kalten Teil des Hauptwärmetauschers zu einem steileren Verlauf der Kurven der anzuwärmenden und abzukühlenden Ströme im Q-T-Diagramm und damit zu einer Verbesserung an der Stelle, an der sich diese Kurven am nächsten kommen ("theoretical pinch point").
Der erste Teilstrom kann stromabwärts der Kaltverdichtung gegen einen verdampfenden Prozeßstrom mindestens teilweise verflüssigt werden. Dieser Wärmeaustauschschritt kann entweder im Hauptwärmetauscher oder in einem separaten Kondensator-Verdampfer durchgeführt werden. Besonders günstig ist diese Verfahrensweise, wenn das gesamte Sauerstoffprodukt oder ein großer Teil davon als Flüssigkeit aus der Rektifikation entnommen, in flüssiger Form auf Druck gebracht und schließlich gegen den kaltverdichteten Luftteilstrom verdampft wird. In diesem Fall wird gerade soviel Luft kaltverdichtet, daß durch die Strömungsverhältnisse im kalten Teil des Hauptwärmetauschers durch die erfindungsgemäße Wiederanwärmung dieses Luftteilstroms praktisch optimal sind.
Vorzugsweise wird der erste Teilstrom vor seiner Anwärmung in das kalte Ende des Hauptwärmetauschers eingeführt. Er wird also zunächst vollständig durch den Hauptwärmetauscher geführt und strömt bei seiner Anwärmung nochmals durch den gesamten kalten Teil des Hauptwärmetauschers, so daß der gesamte kalte Teil des Hauptwärmetauschers in den Genuß der verbesserten Durchströmung kommt.
Die Abkühlung des ersten Teilstroms kann dabei separat von oder gemeinsam mit anderen Teilen der Einsatzluft durchgeführt werden. Dazu wird ein Abkühlluftstrom im Hauptwärmetauscher abgekühlt, am kalten Ende des Hauptwärmetauschers entnommen und mindestens zum Teil als erster Teilstrom wieder dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers zugeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es günstig sein, vor der Wiederanwärmung des ersten Teilstroms flüssige Anteile abzutrennen. Hierzu wird der Abkühlluftstrom nach seiner Entnahme aus dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers einer Phasentrennung unterworfen, wobei der erste Teilstrom mindestens durch einen Teil der aus der Phasentrennung entnommenen Dampfphase gebildet wird. Vorzugsweise wird der gesamte Dampfanteil aus der Phasentrennung zur Kaltverdichtung geführt, während die abgeschiedene Flüssigkeit in die oder eine der Rektifiziersäulen eingespeist wird, zum Beispiel in die Drucksäule eines Zweisäulenapparats.
Insbesondere in diesem Fall ist es günstig, wenn der Abkühlluftstrom entspannt wird, bevor er der Phasentrennung unterworfen wird. Aber auch bei fehlender Phasentrennung kann es sinnvoll sein, den Abkühlluftstrom abzudrosseln, bevor er als erster Teilstrom dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers zugeführt wird.
Grundsätzlich kann der gesamte Strom, der der Kaltverdichtung unterworfen wird, durch den ersten Teilstrom gebildet werden, der an der Zwischenstelle aus dem Hauptwärmetauscher abgezogen wird. In vielen Fällen ist es jedoch günstiger, wenn der Abkühlluftstrom in den ersten Teilstrom und in einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird, wobei der erste Teilstrom in das kalte Ende des Hauptwärmetauschers eingeführt wird und der zweite Teilstrom ohne temperaturverändemde Maßnahmen mit dem ersten Teilstrom zwischen seiner Entnahme bei der ersten Zwischentemperatur und der Kaltverdichtung zugeführt wird. Hierdurch wird zusätzlich Kälte in den Kaltverdichtungsstrom eingeführt, die zur teilweise oder vollständigen Kompensation oder unter Umständen sogar zur Überkompensation bei der Kaltverdichtung erzeugten Kompressionswärme dient. Hiermit erhält man einen zusätzlichen Parameter, der zur Optimierung des Wärmeaustauschprozesses eingesetzt werden kann.
Der erste Teilstrom kann stromabwärts der Kaltverdichtung an einer Zwischenstelle des Hauptwärmetauschers, die einer zweiten Zwischentemperatur entspricht, dem Abkühlluftstrom zugeführt werden. Ohne die im vorigen Absatz beschriebene Kompensation der Kompressionswärme liegt diese zweite Zwischentemperatur oberhalb der ersten Zwischentemperatur. Bei Vermischung mit dem sehr kalten zweiten Teilluftstrom stromaufwärts der Kaltverdichtung kann die zweite Zwischentemperatur bei oder sogar unterhalb der ersten Zwischentemperatur liegen.
Es ist außerdem günstig, wenn ein Turbinenluftstrom im Hauptwärmetauscher auf eine dritte Zwischentemperatur abgekühlt und anschließend arbeitsleistend entspannt wird, wobei mindestens eine Teil der bei der arbeitsleistenden Entspannung erzeugten mechanischen Energie zum Antrieb der Kaltverdichtung eingesetzt wird. Falls die für das Verfahren benötigte Kälte nicht durch eine weitere Entspannungsmaschine erzeugt wird, ist es notwendig, die Entspannungsmaschine nicht nur mit dem Kaltverdichter, sondern zusätzlich mit einem Generator oder einem Bremsgebläse zu koppeln.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Ansprüchen 5 bis 8.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1
ein erstes Ausführungsbeispiel für die Erfindung,
Figur 2
eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels,
Figur 3
ein zweites Ausführungsbeispiel für die Erfindung und
Figur 4
eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels.
Atmosphärische Luft 1 wird nach Durchströmen eines Filters 2 verdichtet (3) und Direktkontaktkühler 4 eingeleitet. Sie tritt dort in Gegenstromkontakt mit flüssigem Wasser 5. Das bei dem direkten Wärmeaustausch flüssig verbliebene Wasser 6 wird aus dem Direktkontaktkühler 4 abgezogen. Die abgekühlte und mit Wasserdampf beladene Luft 7 wird in einer Reinigungseinrichtung 8 von Wasser und Kohlendioxid und gegebenenfalls von weiteren Verunreinigungen befreit. Die Reinigungseinrichtung 8 wird vorzugsweise durch mindestens zwei umschaltbare Behälter gebildet, die mit einem Adsorbens, beispielsweise einem Molekularsieb gefüllt sind.
Der gereinigte Einsatzluftstrom 9 wird in einen ersten Hauptluftstrom 10 und einen zweiten Hauptluftstrom 20 aufgeteilt. Ersterer strömt zum warmen Ende eines Hauptwärmetauschers 30, wird im Hauptwärmetauscher 30 auf etwa Taupunkt abgekühlt, am kalten Ende wieder entnommen und schließlich über die Leitungen 11 und 12 dem Sumpf der Drucksäule 50 einer Doppelsäule zugeleitet.
Der zweite Hauptluftstrom 20 wird in einem extern angetriebenen Nachverdichter 21 weiter verdichtet und nach Durchströmen eines Nachkühlers 22 ebenfalls am warmen Ende in den Hauptwärmetauscher 30 eingeführt (Leitung 23). Ein Teil 24 des zweiten Hauptluftstroms, der "Abkühlluftstrom" verbleibt bis zum kalten Ende im Hauptwärmetauscher 30 und wird - gegebenenfalls nach leichter Drosselung 25 als "erster Teilstrom" 26 wieder in den Hauptwärmetauscher 30 eingeleitet, und zwar in die Anwärmpassagen 17. Bei einer ersten Zwischentemperatur wird der erste Teilstrom über Leitung 28 entnommen und einem Kaltverdichter 29 zugeführt. Der kaltverdichtete erste Teilstrom 31 wird bei einer zweiten Zwischentemperatur, die in dem Beispiel höher als die erste Zwischentemperatur ist, wieder in den Hauptwärmetauscher 30 eingeführt, und zwar in die Abkühlpassagen 32. Nach Abkühlung und mindestens teilweiser Verflüssigung im Hauptwärmetauscher wird der erste Teilstrom 33 schließlich über das Ventil 34 in die Drucksäule 50 eingespeist. Die Einspeisestelle liegt einen oder mehrere theoretische beziehungsweise praktische Böden oberhalb des Drucksäulensumpfs.
Ein anderer Teil 35 des zweiten Hauptluftstroms 23 wird bei einer dritten Zwischentemperatur, die in dem Beispiel zwischen der ersten und der zweiten Zwischentemperatur liegt, als "Turbinenluftstrom" entnommen und einer Entspannungsmaschine 36 zugeführt, die über eine gemeinsame Welle mit dem Kaltverdichter 29 und einem Generator 37 gekoppelt ist. Die arbeitsleistend entspannte Luft 38 wird gemeinsam mit dem ersten Hauptluftstrom 11 über Leitung 12 zum Sumpf der Drucksäule 50 geführt.
Die Doppelsäule weist außer der Drucksäule 50 eine Niederdrucksäule 51 auf. Beide Teile stehen über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer 52, den Hauptkondensator in wärmetauschender Verbindung. Kopfgas 53 der Drucksäule 50 wird im Hauptkondensator 52 mindestens teilweise kondensiert. Das Kondensat strömt zu einem ersten Teil 55 als Rücklauf zur Drucksäule 50 zurück, zu einem zweiten Teil 55 wird es in einem Unterkühlungsgegenströmer 56 unterkühlt und über Leitung 57 und Ventil 58 auf den Kopf der Niederdrucksäule 51 aufgegeben.
Rohsauerstoff aus dem unteren Bereich der Drucksäule 50 strömt in dem Beispiel auf zwei verschiedenen Wegen zur Niederdrucksäule 51. Eine erste Rohsauerstofffraktion 59 wird vom Sumpf der Drucksäule wird unterkühlt (56) und über Leitung 60 und Drosselventil 61 in die Niederdrucksäule überführt. Auf Höhe der Einspeisung des verflüssigten ersten Teilluftstroms 33 wird eine zweite Rohsauerstofffraktion flüssig aus der Drucksäule 50 abgeführt und auf ähnliche Weise (Unterkühlung 56, Leitung 63 und Ventil 64) an etwas höherer Stelle in die Niederdrucksäule 51 eingespeist.
Das Sauerstoffprodukt wird über Leitung 65 flüssig aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 51 abgezogen, durch eine Pumpe 66 in flüssigem Zustand auf den gewünschten Produktdruck gebracht, über Leitung 67 zum Hauptwärmetauscher 30 geführt, dort verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Der Sauerstoff verläßt die Anlage über Leitung 68 als innenverdichtetes Produkt (GOX-IC, gaseous oxygen - internally compressed).
In dem Ausführungsbeispiel wird kein reiner Stickstoff hergestellt. Das stickstoffreiche Kopfprodukt 69 wird als Restgas im Unterkühlungsgegenströmer 56 und im Hauptwärmetauscher 30 angewärmt Das warme Restgas 70 kann direkt über Leitung 71 in die Atmosphäre abgelassen werden und/oder über Leitung 72 - gegebenenfalls nach Erhitzen 73 - als Regeneriergas für die Reinigungseinrichtung 8 verwendet werden. Das feuchte Regeneriergas strömt über Leitung 74 zur Atmosphäre.
Abweichend von dem Ausführungsbeispiel kann in der Niederdrucksäule auf die bekannte Weise auch reiner Stickstoff gewonnen werden. Die Verdampfung des flüssig auf Druck gebrachten Sauerstoffs 67 kann auch außerhalb des Hauptwärmetauschers 30 in einem separaten Produktverdampfer (Nebenkondensator) durchgeführt wird, dessen Verflüssigungsraum von dem ersten Teilstrom stromabwärts der Kaltverdichtung 29 durchströmt wird.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 entspricht dem Verfahren und der Vorrichtung von Figur 1 in weiten Teilen. Im folgenden werden lediglich die abweichenden Aspekte im einzelnen beschrieben.
In Figur 2 wird der Abkühlluftstrom 24 stromabwärts seiner Entnahme vom kalten Ende des Hauptwärmetauschers 30 beziehungsweise des optionalen Ventils 25 auf zwei Ströme aufgeteilt, nämlich den "ersten Teilstrom" 226 - 227 - 228, der analog zu dem Verfahren von Figur 1 zum Kaltverdichter 29 geführt wird, und eine "zweiten Teilstrom" 201, der - geregelt von Ventil 202 - am Hauptwärmetauscher 30 und insbesondere an den Anwärmpassagen 227 vorbeigeleitet und bei 203 dem auf die erste Zwischentemperatur angewärmten ersten Teilstrom 228 zugemischt wird. Das Gemisch strömt unter einer entsprechend niedrigeren Temperatur zum Eintritt des Kaltverdichters 29. Demzufolge weist auch die kaltverdichtete Luft 231 eine niedrigere Temperatur als bei Figur 1 auf, in dem konkreten Beispiel von Figur 2 ist die zweite Zwischentemperatur sogar geringer als die erste Zwischentemperatur. Entsprechend kürzer ausgebildet sind die Abkühl- und Verflüssigungspassagen 232 für den ersten Teilstrom stromabwärts der Kaltverdichtung.
Auch bezüglich Figur 3 werden im folgenden lediglich die Unterschiede zu Figur 1 detailliert besprochen. Der Abkühlluftstrom 24 wird hier nach Teilverflüssigung im Hauptwärmetauscher 30 und Drosselung 25 zwecks Phasentrennung in einen Abscheider 301 eingeleitet. Die flüssige Phase wird analog zum Strom 33 von Figur 1 über Leitung 333 und Ventil 334 in die Drucksäule 50 eingespeist. Der Dampf 326 aus dem Abscheider 301 bildet den "ersten Teilstrom", der wie in Figur 1 zur Kaltverdichtung 29 geführt wird. Stromabwärts der Kaltverdichtung 29 wird der kaltverdichtete erste Teilstrom 331 allerdings nicht in eigene Abkühlpassagen eingeführt, sondern mit dem zweiten Hauptluftstrom vermischt. Die kaltverdichtete Luftmenge wird somit in einem Kreislauf 24 - 25 - 301 - 326 - 29 - 331 geführt werden. Somit kann der Wärmeübergang im kalten Teil des Hauptwärmetauschers besonders günstig gestaltet werden.
Figur 4 unterscheidet sich auf dieselbe Weise von Figur 3 wird Figur 2 von Figur 1, nämlich durch einen zusätzlichen "zweiten Teilluftstrom" 401. Dieser wird hier aus demjenigen Teil 401 des Dampfs aus dem Abscheider 301 gebildet wird, der nicht über Leitung 426 als "erster Teilstrom" zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 30 geleitet wird. Wie in Figur 2 dient die Zumischung 403 des kalten zweiten Teilstroms 401 zum auf die erste Zwischentemperatur angewärmten ersten Teilstrom 428 der Kompensation beziehungsweise Überkompensation der Kompressionswärme, die bei der Kaltverdichtung 29 entsteht.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem verdichtete und gereinigte Einsatzluft (9, 10, 20) in einem Hauptwärmetauscher (30) abgekühlt und mindestens zum Teil einer Rektifiziersäule (50) zugeführt (12, 33, 333) wird, wobei ein erster Teilstrom (26, 226, 326, 426) der Einsatzluft dem Hauptwärmetauscher (30) zugeführt, mindestens zum Teil bei einer ersten Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher entnommen (28, 228, 428) und einer Kaltverdichtung (29) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilstrom (26, 226, 326, 426) im Hauptwärmetauscher (30) auf eine Temperatur abgekühlt wird, die niedriger als die erste Zwischentemperatur ist, und anschließend stromaufwärts seiner Entnahme (28, 228, 428) bei der ersten Zwischentemperatur im Hauptwärmetauscher (30) wieder auf die erste Zwischentemperatur angewärmt (27, 227) wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilstrom (26, 226, 326, 426) vor seiner Anwärmung (27, 227) in das kalte Ende des Hauptwärmetauschers (30) eingeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abkühlluftstrom (23, 24) im Hauptwärmetauscher (30) abgekühlt, am kalten Ende des Hauptwärmetauschers entnommen (24) und mindestens zum Teil als erster Teilstrom (26, 226, 326, 426) wieder dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers (30) zugeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abkühlluftstrom (24) nach seiner Entnahme aus dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers (30) einer Phasentrennung (301) unterworfen wird, wobei der erste Teilstrom (326, 426) mindestens durch einen Teil der aus der Phasentrennung (301) entnommenen Dampfphase gebildet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abkühlluftstrom (24) entspannt (25) wird, bevor er der Phasentrennung (301) unterworfen beziehungsweise als erster Teilstrom (26, 226) dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers (30) zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abkühlluftstrom (24) in den ersten Teilstrom (226, 426) und in einen zweiten Teilstrom (201, 401) aufgeteilt wird, wobei der erste Teilstrom (226, 426) in das kalte Ende des Hauptwärmetauschers (30) eingeführt wird und der zweite Teilstrom (201, 401) ohne temperaturverändemde Maßnahmen mit dem ersten Teilstrom (228, 428) zwischen seiner Entnahme bei der ersten Zwischentemperatur und der Kaltverdichtung (29) zugeführt (203, 403) wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilstrom (331) stromabwärts der Kaltverdichtung (29) an einer Zwischenstelle des Hauptwärmetauschers (30), die einer zweiten Zwischentemperatur entspricht, dem Abkühlluftstrom (23, 24) zugeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Turbinenluftstrom (23, 35) im Hauptwärmetauscher (30) auf eine dritte Zwischentemperatur abgekühlt und anschließend arbeitsleistend entspannt (36) wird, wobei mindestens ein Teil der bei der arbeitsleistenden Entspannung (36) erzeugten mechanischen Energie zum Antrieb der Kaltverdichtung (29) eingesetzt wird.
  9. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit
    einem Hauptwärmetauscher (30), der ein warmes und ein kaltes Ende aufweist, sowie Gruppen von Abkühl- und Anwärmpassagen aufweist, mit
    mindestens einer Rektifiziersäule (50), mit einer
    Einsatzluftleitung zur Zufuhr (9, 10, 20, 23) verdichteter und gereinigter Einsatzluft zu dem Hauptwärmetauscher (30) und zur Einspeisung (12, 33, 333) mindestens eines Teils der abgekühlten Einsatzluft in die Rektifiziersäule (50) und
    mit einer Kaltverdichtungsleitung (28, 228, 428), die von einer Zwischenstelle des Hauptwärmetauschers (30) zu einem Kaltverdichter (29) führt,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverdichtungsleitung (28, 228, 428) stromaufwärts des Kaltverdichters (29) an der Zwischenstelle mit einer Gruppe von Anwärmpassagen (27, 227) des Hauptwärmetauschers (30) verbunden ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von Anwärmpassagen (27, 227) des Hauptwärmetauschers (30), die an der Zwischenstelle mit der Kaltverdichtungsleitung (28, 228, 428) verbunden sind, vom kalten Ende bis zu der Zwischenstelle durchgehend ausgebildet und am kalten Ende mit einer Gruppe von Abkühlpassagen verbunden (24, 26, 226, 326, 426) sind.
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