EP1319913A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck Download PDF

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EP1319913A1
EP1319913A1 EP02027308A EP02027308A EP1319913A1 EP 1319913 A1 EP1319913 A1 EP 1319913A1 EP 02027308 A EP02027308 A EP 02027308A EP 02027308 A EP02027308 A EP 02027308A EP 1319913 A1 EP1319913 A1 EP 1319913A1
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EP
European Patent Office
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pressure column
high pressure
line
secondary condenser
low
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02027308A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Augustin Rampp
Michael Lauter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP02027308A priority Critical patent/EP1319913A1/de
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    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04872—Vertical layout of cold equipments within in the cold box, e.g. columns, heat exchangers etc.
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    • F25J2210/42—Nitrogen
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    • F25J2210/50—Oxygen
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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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    • F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/902—Apparatus
    • Y10S62/905—Column

Definitions

  • the invention relates to a device for generating gaseous oxygen under increased pressure with a distillation column system that includes a high pressure column and a Has low pressure column, the low pressure column above the high pressure column is arranged, with a secondary condenser, which has a liquefaction space and Has evaporation space and below the bottom of the low pressure column is arranged, with a feed air line which is connected to the high pressure column, with at least one transition line for the introduction of a fraction from the High pressure column in the low pressure column, with a liquid line for removal a liquid oxygen fraction from the low pressure column, the Liquid line leads into the evaporation chamber of the secondary condenser, and with a product line for gaseous oxygen under increased pressure, which with the Evaporation chamber of the condenser-evaporator is connected.
  • the distillation column system for example a Linde double column system, is used for the low-temperature decomposition of the feed air into oxygen and nitrogen.
  • the Basics of the low-temperature decomposition of air in general as well as the structure of double column systems in particular are in the monograph "Low temperature technology” by Hausen / Linde (2nd edition, 1985) and in an article by Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No.2, 1967, page 35).
  • High-pressure column and low-pressure column are usually above one Main condenser in heat exchange relationship, in the top gas of the High pressure column against evaporating sump liquid of the low pressure column is liquefied.
  • a device of the type mentioned at the outset is known from DE 2323941 A, EP 384483 B1 and EP 1074805 A1.
  • the secondary condenser is used for evaporation. He is usually arranged next to the high pressure column.
  • Distillation column system and secondary condenser usually also a main heat exchanger for cooling the feed air and, if necessary, a subcooling counterflow must be insulated against the entry of heat.
  • This is generally used one or more envelopes filled with powder (perlite), so-called cold boxes.
  • a “condenser” is used here as a “side condenser” referred to, which is arranged outside the low pressure column and its Evaporation side during operation of the plant under a higher pressure than the low pressure column stands. Evaporated oxygen there is then under one correspondingly increased pressure obtained as a gaseous product. The pressure increase is caused by the geodetic gradient (and possibly also by a Pump).
  • the secondary condenser is preferably a liquid bath evaporator (Circulation evaporator): One plate heat exchanger block contains Evaporation and liquefaction passages. It is placed in a container that is partially filled with liquid to be evaporated during operation.
  • the Liquid is released through the evaporation passages by means of the thermosiphon effect of the plate heat exchanger block overturned.
  • the evaporation space is through these evaporation passages and through the outside space between block and Container wall formed, the liquefaction room through the liquefaction passages.
  • the invention has for its object a device of the aforementioned Art to make particularly inexpensive and especially particularly compact.
  • this object is achieved in that the secondary capacitor is arranged below the high pressure column.
  • “Among each other” here means that the cross sections of the two parts of the apparatus in the projection onto a horizontal plane overlap, “horizontally” referring to the orientation of these parts in operational condition.
  • the cross sections of secondary condenser and In this sense, high-pressure columns partially or overlap, for example Completely.
  • Auxiliary condenser, high pressure column and Low pressure column arranged in a line one below the other.
  • a common cold box, which encloses all three parts of the apparatus can be particularly compact and therefore be carried out inexpensively. Another advantage is the larger one vertical distance between low pressure column and secondary condenser.
  • the gaseous oxygen product can therefore be under a particularly high pressure can be obtained, for example 1.5 to 3.5 bar, preferably 2 to 2.8 bar.
  • the low-pressure column, high-pressure column and secondary condenser are preferably all in one Line arranged one below the other.
  • the feed air line through the liquefaction room of the Secondary condenser performed.
  • the feed air thus serves as a heating medium for the Evaporation of the liquid oxygen fraction and partially condenses or Completely.
  • the feed air line and the secondary condenser are so are formed so that the feed air in the Auxiliary condenser is only partially condensed, for example 30 mol% or less, preferably 25 to 30 mol%.
  • the entire Feed air (possibly less a turbine air quantity) through the secondary condenser out, and additional emergency air lines are unnecessary.
  • the pressure in the liquefaction chamber of the secondary condenser is preferably 6 to 8 bar.
  • the partially condensed feed air from the Auxiliary capacitor can be introduced into a separator (phase separator) for example, right next to the secondary condenser inside the cold box is arranged.
  • Each air separation plant has a main heat exchanger for cooling Operating air against product flows. It is with the device according to the invention favorable if this main heat exchanger is arranged below the high pressure column is, especially between the high pressure column and secondary condenser. This can also the main heat exchanger from the common, compact cold box be enclosed. Separate insulation and a voluminous design of the Boxes can be avoided. The additional height of the main heat exchanger brings with it an additional pressure increase in the oxygen product.
  • the feed liquid (s) for the low pressure column against the or Low pressure column gas products through indirect heat exchange in one Supercooling countercurrent supercooled.
  • this additional heat exchanger also between the high pressure column and the Auxiliary capacitor is arranged. He can also use the common compact cold box. Separate insulation and one voluminous design of the box can be avoided. The additional amount of The main heat exchanger brings an additional pressure increase in the oxygen product yourself.
  • the parts of the apparatus are preferably each direct in the following order arranged one above the other: secondary condenser (possibly with separator) - subcooling counterflow - Main heat exchanger - high pressure column - low pressure column.
  • the invention also relates to a method for producing gaseous oxygen under increased pressure according to claims 7 to 12
  • FIG. 1 the spatial structure of a device according to the invention is shown schematically. Details such as pipes, valves, measuring and actuating devices are not shown.
  • a cuboid or cylindrical cold box 101 Within a cuboid or cylindrical cold box 101 are one above the other all parts of the apparatus housed that require thermal insulation. As At the bottom are a secondary capacitor 102 and the associated separator 103 the floor. Above this are the supercooling counterflow 104, the Main heat exchanger 105, the high pressure column 106 and the low pressure column 107 arranged. The space 108 between the apparatus and the cold box wall is filled with insulating powder (perlite).
  • Subcooling counterflow 104 and main heat exchanger 105 can also be used as common, integrated heat exchanger block can be formed (not in Figure 1 ) Shown.
  • compressed and cleaned air 1 is brought in under a pressure of, for example, 8.2 bar and enters a main heat exchanger 105 at the warm end.
  • the main part of the air is removed via line 2 at the cold end of the main heat exchanger 105 and fed to the liquefaction space of a secondary condenser 102.
  • the air condenses there partially.
  • a two-phase mixture emerges from the secondary condenser 102 via line 3 and contains approximately 26 mol% of liquid. It is introduced into a separator 103.
  • the gaseous air fraction 4 is throttled to about 6 bar (FIG. 5) and fed into the high pressure column 106 of a distillation column system which also has a low pressure column 107. (Lines 1, 2, 3 and 4 represent the "feed air line" in the exemplary embodiment.) After passing through another throttle valve 7, the liquid 6 is introduced into the low-pressure column 107 under approximately 1.5 bar.
  • Gaseous top nitrogen 8 of the high pressure column 106 becomes at least part 9 in a main condenser against evaporating sump liquid Low pressure column 107 condensed.
  • the liquid nitrogen 11 thus formed becomes a first part 12 is returned to the high-pressure column 106 as a return.
  • On second part 14 is subcooled in a supercooling counterflow 104 and over Line 15 and valve 16 abandoned on the top of the low pressure column 107.
  • the Supercooling counterflow 104 and the main heat exchanger 105 are in the Embodiment designed as an integrated heat exchanger block.
  • the Liquid nitrogen 15 serves mainly as a return in the low pressure column 107; he can also be taken to a part 17 as an unpressurized liquid product (LIN) become.
  • Another part 13 of the liquid nitrogen 11 from the main condenser 10 can be deducted as a liquid pressure product (PLIN).
  • the gaseous products of the low pressure column 107 become cleaner and more impure Nitrogen via the product line 21/22 or via the residual gas line 23/24/25 through the supercooling counterflow 104 and the main heat exchanger 105 led and finally deducted as a product (GAN) or in the Blow off atmosphere or as a regeneration gas in a molecular sieve system used to purify the air (not shown). Also directly from the A high pressure column can be used to obtain a product. For this purpose, part 26 of the Head nitrogen 8 warmed in the main heat exchanger 105 and as a gaseous Compressed nitrogen product 27 (PGAN) won.
  • a liquid oxygen fraction 28 becomes from the bottom of the low-pressure column 107 subtracted, experiences a hydrostatic pressure increase and is in the Evaporation space of the secondary condenser 102 is introduced and there is partial evaporated.
  • the gaseous oxygen 29 thus formed becomes Main heat exchanger performed and finally via line 30 as a compressed gas product (GOX) led to a consumer.
  • the remaining liquid oxygen is called Flushing liquid 31 from the evaporation space of the secondary condenser 102 withdrawn and either discarded or (as shown in Figure 2) as a liquid product (LOX) won; alternatively or additionally, injection into line 30 is possible.
  • the one required for the equalization of the insulation losses and for the product liquefaction Cold is in the embodiment of Figure 2 by work Relaxation of a process stream generated.
  • Liquid production can be mixed with a portion 36 of turbine air 34 and the residual gas 23 be removed from the process together with this.
  • Figure 3 differs from Figure 2 in the different form of cold supply. There is no turbine here.
  • the cooling requirement is instead covered by liquid supply from outside (liquid assist).
  • liquid oxygen 337 is introduced from a liquid tank into the lower area of the low pressure column 107.
  • the supply of cryogenic liquid from a nitrogen liquid tank.
  • the liquid nitrogen can be introduced via line 338 into the upper region of the low-pressure column 107 and / or via line 339 into the upper region of the high-pressure column 106.
  • Liquefied air or any other liquid mixture of air components can also be used to cover the cooling requirement.

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Abstract

Die Vorrichtung und das Verfahren dienen zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck. Ein Destilliersäulen-System weist eine Hochdrucksäule (106) und eine Niederdrucksäule (107) auf. Die Niederdrucksäule (107) ist oberhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet. Ein Nebenkondensator (102), der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist, ist unterhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule (107) angeordnet und dient zur Verdampfung einer flüssigen Sauerstofffraktion aus der Niederdrucksäule (107). Der Nebenkondensator (102) ist unterhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck mit einem Destilliersäulen-System, das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, wobei die Niederdrucksäule oberhalb der Hochdrucksäule angeordnet ist, mit einem Nebenkondensator, der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist und unterhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule angeordnet ist, mit einer Einsatzluft-Leitung, die mit der Hochdrucksäule verbunden ist, mit mindestens einer Übergangsleitung zur Einleitung einer Fraktion aus der Hochdrucksäule in die Niederdrucksäule, mit einer Flüssigkeitsleitung zum Entnehmen einer flüssigen Sauerstofffraktion aus der Niederdrucksäule, wobei die Flüssigkeitsleitung in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators führt, und mit einer Produktleitung für gasförmigen Sauerstoff unter erhöhtem Druck, die mit dem Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers verbunden ist.
Das Destilliersäulen-System, beispielsweise eine Linde-Doppelsäulen-Anlage, dient zur Tieftemperatur-Zerlegung der Einsatzluft in Sauerstoff und Stickstoff. Die Grundlagen der Tieftemperatur-Zerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der Aufbau von Doppelsäulen-Anlagen im Speziellen sind in der Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No.2, 1967, Seite 35) beschrieben. Hochdrucksäule und Niederdrucksäule stehen im Regelfall über einen Hauptkondensator in Wärmeaustausch-Beziehung, in dem Kopfgas der Hochdrucksäule gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule verflüssigt wird.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus DE 2323941 A, EP 384483 B1 und EP 1074805 A1 bekannt. Der Nebenkondensator dient zur Verdampfung. Er ist üblicherweise neben der Hochdrucksäule angeordnet.
Destilliersäulen-System und Nebenkondensator, meist auch ein Hauptwärmetauscher zur Abkühlung der Einsatzluft und gegebenenfalls ein Unterkühlungs-Gegenströmer müssen gegen den Eintrag von Wärme isoliert werden. Hierzu dient im Allgemeinen eine oder mehrere mit Pulver (Perlite) gefüllte Hüllen, so genannte Coldboxen.
Als "Nebenkondensator" (side condenser) wird hier ein Kondensator-Verdampfer bezeichnet, der außerhalb der Niederdrucksäule angeordnet ist und dessen Verdampfungsseite während des Betriebs der Anlage ein unter einem höheren Druck als die Niederdrucksäule steht. Dort verdampfter Sauerstoff wird dann unter einem entsprechend erhöhten Druck als gasförmiges Produkt gewonnen. Die Druckerhöhung wird durch das geodätische Gefälle bewirkt (und gegebenenfalls zusätzlich durch eine Pumpe). Der Nebenkondensator ist vorzugsweise als Flüssigkeitsbadverdampfer (Umlaufverdampfer) ausgeführt: Ein Plattenwärmetauscherblock enthält Verdampfungs- und Verflüssigungspassagen. Er ist in einem Behälter angeordnet, der während des Betriebs teilweise mit zu verdampfender Flüssigkeit gefüllt ist. Die Flüssigkeit wird mittels des Thermosiphon-Effekts durch die Verdampfungspassagen des Plattenwärmetauscherblocks umgeworfen. Der Verdampfungsraum wird durch diese Verdampfungspassagen und durch den Außenraum zwischen Block und Behälterwand gebildet, der Verflüssigungsraum durch die Verflüssigungspassagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art besonders kostengünstig und insbesondere besonders kompakt zu gestalten.
Zu diesem Zweck war es bisher üblich, alle Apparateteile, sogar die Kolonnen, nebeneinander anzuordnen (siehe zum Beispiel DE 19904526).
Bei der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Nebenkondensator unterhalb der Hochdrucksäule angeordnet ist. "Untereinander" bedeutet hier, dass sich die Querschnitte der beiden Apparateteile in der Projektion auf eine horizontale Ebene überschneiden, wobei sich "horizontal" auf die Orientierung dieser Teile in betriebsfähigem Zustand bezieht. Die Querschnitte von Nebenkondensator und Hochdrucksäule überdecken sich in diesem Sinne beispielsweise teilweise oder vollständig. Vorzugsweise sind Nebenkondensator, Hochdrucksäule und Niederdrucksäule in einer Linie untereinander angeordnet. Eine gemeinsame Coldbox, die alle drei Apparateteile umschließt kann dadurch besonders kompakt und damit kostengünstig ausgeführt werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den größeren vertikalen Abstand zwischen Niederdrucksäule und Nebenkondensator. Entsprechend stärker ist die Druckerhöhung, die sich allein durch das Gefälle zwischen Niederdrucksäule und Nebenkondensator ergibt, also ohne Energiezufuhr von außen. Das gasförmige Sauerstoffprodukt kann also unter einem besonders hohen Druck gewonnen werden, beispielsweise 1,5 bis 3,5 bar, vorzugsweise 2 bis 2,8 bar. Dabei beträgt der Betriebsdruck der Säulen des Destilliersäulen-Systems (jeweils am Kopf) beispielsweise 5 bis 9 bar, vorzugsweise 6,0 bis 7,5 bar in der Hochdrucksäule und beispielsweise 1,3 bis 2,0 bar, vorzugsweise 1,5 bis 1,8 bar in der Niederdrucksäule.
Vorzugsweise sind Niederdrucksäule, Hochdrucksäule und Nebenkondensator in einer Linie untereinander angeordnet.
Vorzugsweise wird die Einsatzluft-Leitung durch den Verflüssigungsraum des Nebenkondensators geführt. Die Einsatzluft dient damit als Heizmittel für die Verdampfung der flüssigen Sauerstofffraktion und kondensiert dabei teilweise oder vollständig.
Dabei ist es günstig, wenn die Einsatzluft-Leitung und der Nebenkondensator so ausgebildet sind, dass während des Betriebs der Vorrichtung die Einsatzluft in dem Nebenkondensator nur partiell kondensiert wird, beispielsweise zu 30 mol-% oder weniger, vorzugsweise zu 25 bis 30 mol-%. Damit kann einerseits die gesamte Einsatzluft (ggf. abzüglich einer Turbinenluftmenge) durch den Nebenkondensator geführt werden, und weitere Einsatzluft-Leitungen sind unnötig. Andererseits wird bei der nur teilweisen Kondensation eine höhere Verdampfungstemperatur bei gleichem Druck erreicht; umgekehrt reicht bei gleichem Sauerstoff-Produktdruck ein niedrigerer Luftdruck aus. Der Druck im Verflüssigungsraum des Nebenkondensators beträgt vorzugsweise 6 bis 8 bar. Die partiell kondensierte Einsatzluft aus dem Nebenkondensator kann in einen Abscheider (Phasentrenner) eingeleitet werden, der beispielsweise unmittelbar neben dem Nebenkondensator innerhalb der Coldbox angeordnet ist.
Jede Luftzerlegungs-Anlage weist einen Hauptwärmetauscher zur Abkühlung von Einsatzluft gegen Produktströme auf. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es günstig, wenn dieser Hauptwärmetauscher unterhalb der Hochdrucksäule angeordnet ist, insbesondere zwischen Hochdrucksäule und Nebenkondensator. Dadurch kann auch der Hauptwärmetauscher von der gemeinsamen, kompakten Coldbox umschlossen werden. Eine separate Isolierung und eine voluminöse Gestaltung der Box können vermieden werden. Die zusätzliche Höhe des Hauptwärmetauschers bringt eine zusätzliche Druckerhöhung im Sauerstoffprodukt mit sich.
Häufig werden die Einsatzflüssigkeit(en) für die Niederdrucksäule gegen das oder die Gasprodukte der Niederdrucksäule durch indirekten Wärmeaustausch in einem Unterkühlungs-Gegenströmer unterkühlt. Im Rahmen der Erfindung ist es günstig, wenn dieser weitere Wärmetauscher ebenfalls zwischen der Hochdrucksäule und dem Nebenkondensator angeordnet ist. Er kann damit ebenfalls von der gemeinsamen, kompakten Coldbox umschlossen werden. Eine separate Isolierung und eine voluminöse Gestaltung der Box können vermieden werden. Die zusätzliche Höhe des Hauptwärmetauschers bringt eine zusätzliche Druckerhöhung im Sauerstoffprodukt mit sich.
Vorzugsweise sind die Apparateteile in folgender Reihenfolge jeweils unmittelbar übereinander angeordnet: Nebenkondensator (ggf. mit Abscheider) - Unterkühlungs-Gegenströmer - Hauptwärmetauscher - Hochdrucksäule -Niederdrucksäule.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck gemäß den Patentansprüchen 7 bis 12
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1
eine beispielhafte räumliche Anordnung der verschiedenen Apparateteile,
Figuren 2 und 3
zwei Ausführungsformen der Erfindung mit Details zur Abfolge der Verfahrensschritte, mit Kälteerzeugung durch Turbine (Figur 2) beziehungsweise mit Kältezufuhr von außen (Figur 3).
Einander entsprechende Bauteile beziehungsweise Verfahrensschritte tragen in allen Zeichnungen dieselben Bezugszeichen.
In Figur 1 ist der räumliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Details wie Rohrleitungen, Ventile, Mess- und Stelleinrichtungen werden nicht gezeigt.
Innerhalb einer quader- oder zylinderförmigen Coldbox 101 sind übereinander sämtliche Apparateteile untergebracht, die einer Wärmeisolierung bedürfen. Als Unterstes stehen ein Nebenkondensator 102 und der zugehörige Abscheider 103 auf dem Boden. Darüber sind nacheinander der Unterkühlungs-Gegenströmer 104, der Hauptwärmetauscher 105, die Hochdrucksäule 106 und die Niederdrucksäule 107 angeordnet. Der Zwischenraum 108 zwischen den Apparaten und der Coldbox-Wand ist mit isolierendem Pulver (Perlite) gefüllt.
Unterkühlungs-Gegenströmer 104 und Hauptwärmetauscher 105 können auch als gemeinsamer, integrierten Wärmeaustauscher-Block ausgebildet sein (in Figur 1 nicht dargestellt).
In den Figuren 2 und 3 ist die räumliche Anordnung der Apparateteile nicht vollständig dargestellt. Es gilt hierfür die in Figur 1 dargestellte Konstruktion.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 wird verdichtete und gereinigte Luft 1 unter einem Druck von beispielsweise 8,2 bar herangeführt und tritt am warmen Ende in einen Hauptwärmetauscher 105 ein. Der Hauptteil der Luft wird über Leitung 2 am kalten Ende des Hauptwärmetauschers 105 entnommen und dem Verflüssigungsraum eines Nebenkondensators 102 zugeführt. Dort kondensiert die Luft partiell. Über Leitung 3 tritt ein Zwei-Phasen-Gemisch aus dem Nebenkondensator 102 aus, das etwa 26 mol-% Flüssigkeit enthält. Es wird in einen Abscheider 103 eingeleitet. Der gasförmig verbliebene Luftanteil 4 wird auf etwa 6 bar abgedrosselt (5) und in die Hochdrucksäule 106 eines Destilliersäulen-Systems eingespeist, das außerdem eine Niederdrucksäule 107 aufweist. (Die Leitungen 1, 2, 3 und 4 stellen in dem Ausführungsbeispiel die "Einsatzluft-Leitung" dar.) Die Flüssigkeit 6 wird nach Durchgang durch ein andere Drosselventil 7 unter etwa 1,5 bar in die Niederdrucksäule 107 eingeführt.
Gasförmiger Kopfstickstoff 8 der Hochdrucksäule 106 wird mindestens zu einem Teil 9 in einem Hauptkondensator gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule 107 kondensiert. Der dabei gebildete flüssige Stickstoff 11 wird zu einem ersten Teil 12 als Rücklauf in die Hochdrucksäule 106 zurückgeleitet. Ein zweiter Teil 14 wird in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 104 unterkühlt und über Leitung 15 und Ventil 16 auf den Kopf der Niederdrucksäule 107 aufgegeben. (Der Unterkühlungs-Gegenströmer 104 und der Hauptwärmetauscher 105 sind bei dem Ausführungsbeispiel als integrierter Wärmeaustauscher-Block ausgebildet.) Der Flüssigstickstoff 15 dient hauptsächlich als Rücklauf in der Niederdrucksäule 107; er kann aber auch zu einem Teil 17 als druckloses Flüssigprodukt (LIN) entnommen werden. Ein weiterer Teil 13 des flüssigen Stickstoffs 11 aus dem Hauptkondensator 10 kann als Druck-Flüssigprodukt (PLIN) abgezogen werden.
Die Sumpfflüssigkeit 18 der Hochdrucksäule 106 wird über den Unterkühlungs-Gegenströmer 104, Leitung 19 und Ventil 20 in die Niederdrucksäule übergeführt ("Übergangsleitung").
Als gasförmige Produkte der Niederdrucksäule 107 werden reiner und unreiner Stickstoff über die Produktleitung 21/22 beziehungsweise über die Restgasleitung 23/24/25 durch den Unterkühlungs-Gegenströmer 104 und den Hauptwärmetauscher 105 geführt und schließlich als Produkt (GAN) abgezogen beziehungsweise in die Atmosphäre abgeblasen beziehungsweise als Regeneriergas in einer Molekularsieb-Anlage zur Reinigung der Luft (nicht dargestellt) eingesetzt. Auch direkt aus der Hochdrucksäule kann ein Produkt gewonnen werden. Hierzu wird ein Teil 26 des Kopfstickstoffs 8 im Hauptwärmetauscher 105 angewärmt und als gasförmiges Druckstickstoff-Produkt 27 (PGAN) gewonnen.
Vom Sumpf der Niederdrucksäule 107 wird eine flüssige Sauerstofffraktion 28 abgezogen, erfährt eine hydrostatische Druckerhöhung und wird in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators 102 eingeleitet und dort wird teilweise verdampft. Der dabei gebildete gasförmige Sauerstoff 29 wird zum Hauptwärmetauscher geführt und schließlich über Leitung 30 als Druckgasprodukt (GOX) zu einem Verbraucher geführt. Der flüssig verbliebene Sauerstoff wird als Spülflüssigkeit 31 aus dem Verdampfungsraum des Nebenkondensators 102 abgezogen und entweder verworfen oder (wie in Figur 2 dargestellt) als Flüssigprodukt (LOX) gewonnen; alternativ oder zusätzlich ist eine Eindüsung in Leitung 30 möglich.
Die für den Augleich der Isolationsverluste und für die Produktverflüssigung benötigte Kälte wird bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 durch arbeitsleistende Entspannung eines Prozessstroms erzeugt. Hierzu wird ein Teilstrom 32 der Einsatzluft 1 bei einer Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher 105 abgezogen, einer Entspannungsmaschine (beispielsweise Turbine) 33 zugeführt, dort auf etwa den Betriebsdruck der Niederdrucksäule 107 entspannt und über die Leitungen 34 und 35 in die Niederdrucksäule 107 eingeleitet. Insbesondere bei relativ großer Flüssigproduktion kann ein Teil 36 Turbinenluft 34 dem Restgas 23 zugemischt und gemeinsam mit diesem aus dem Verfahren entfernt werden.
Figur 3 unterscheidet sich von Figur 2 durch die abweichende Form der Kältezufuhr. Hier wird auf eine Turbine verzichtet. Der Kältebedarf wird stattdessen durch Flüssigzufuhr von außen (liquid assist) gedeckt. Hierzu wird flüssiger Sauerstoff 337 aus einem Flüssigtank in den unteren Bereich der Niederdrucksäule 107 eingeleitet. Alternativ oder ergänzend ist die Zufuhr von tiefkalter Flüssigkeit aus einem Stickstoff-Flüssigtank. Der flüssige Stickstoff kann über Leitung 338 in den oberen Bereich der Niederdrucksäule 107 eingeführt werden und/oder über Leitung 339 in den oberen Bereich der Hochdrucksäule 106. Ebenso kann verflüssigte Luft oder jedes andere flüssige Gemisch aus Luftkomponenten zur Deckung des Kältebedarfs eingesetzt werden.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck
    mit einem Destilliersäulen-System, das eine Hochdrucksäule (106) und eine Niederdrucksäule (107) aufweist, wobei die Niederdrucksäule (107) oberhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist,
    mit einem Nebenkondensator (102), der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist und unterhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule (107) angeordnet ist,
    mit einer Einsatzluft-Leitung (1, 2, 3, 4), die mit der Hochdrucksäule (106) verbunden ist,
    mit mindestens einer Übergangsleitung (18-19; 11-14-15) zur Einleitung einer Fraktion aus der Hochdrucksäule (106) in die Niederdrucksäule (107),
    mit einer Flüssigkeitsleitung (28) zum Entnehmen einer flüssigen Sauerstofffraktion aus der Niederdrucksäule (107), wobei die Flüssigkeitsleitung (28) in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators (102) führt, und
    mit einer Produktleitung (29, 30) für gasförmigen Sauerstoff unter erhöhtem Druck, die mit dem Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers (102) verbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkondensator (102) unterhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Niederdrucksäule (107), Hochdrucksäule (106) und Nebenkondensator (102) in einer Linie untereinander angeordnet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft-Leitung (1, 2, 3, 4) durch den Verflüssigungsraum des Nebenkondensators (102) führt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft-Leitung (1, 2, 3, 4) und der Nebenkondensator (102) so ausgebildet sind, dass während des Betriebs der Vorrichtung die Einsatzluft in dem Nebenkondensator (102) nur partiell kondensiert wird.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft-Leitung (1, 2, 3, 4) durch einen Hauptwärmetauscher (105) zur Abkühlung der Einsatzluft gegen Produktströme führt und der Hauptwärmetauscher (105) unterhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist, insbesondere zwischen Hochdrucksäule (106) und Nebenkondensator (102).
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Gasprodukt-Leitung (21-22, 23-24-25) zum Abführen eines gasförmigen Produkts aus der Niederdrucksäule (107), wobei die Gasprodukt-Leitung (21-22, 23-24-25) mit einem Unterkühlungs-Gegenströmer (104) verbunden ist, durch den außerdem die Übergangsleitung (18-19; 11-14-15) führt, und wobei der Unterkühlungs-Gegenströmer (104) zwischen der Hochdrucksäule (106) und dem Nebenkondensator (102) angeordnet ist.
  7. Verfahren zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck in einem Destilliersäulen-System, das eine Hochdrucksäule (106) und eine Niederdrucksäule (107) aufweist, wobei die Niederdrucksäule (107) oberhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist, wobei bei dem Verfahren
    ein Einsatzluftstrom (1, 2, 3, 4) in die Hochdrucksäule (106) eingeleitet wird,
    mindestens eine Fraktion (18-19; 11-14-15) aus der Hochdrucksäule (106) in die Niederdrucksäule (107) geführt wird,
    eine flüssige Sauerstofffraktion der Niederdrucksäule (107) in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators (102) eingeführt wird, der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist und unterhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule (107) angeordnet ist, und
    gasförmiger Sauerstoff (29, 30) aus dem Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers (102) abgezogen wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkondensator (102) unterhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Niederdrucksäule (107), Hochdrucksäule (106) und Nebenkondensator (102) in einer Linie untereinander angeordnet sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Einsatzluft (1, 2, 4) durch den Verflüssigungsraum des Nebenkondensators (102) geführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft in dem Nebenkondensator (102) nur partiell kondensiert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft (1) in einem Hauptwärmetauscher (105) gegen Produktströme (21, 23, 26) abgekühlt wird und der Hauptwärmetauscher (105) unterhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist, insbesondere zwischen Hochdrucksäule (106) und Nebenkondensator (102).
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein gasförmiger Produktstrom (21, 23) aus der Niederdrucksäule (107) abgezogen und in einem Unterkühlungs-Gegenströmer (104) gegen die Fraktion (18-19; 11-14-15) aus der Hochdrucksäule (106) angewärmt wird, wobei der Unterkühlungs-Gegenströmer (104) zwischen der Hochdrucksäule (106) und dem Nebenkondensator (102) angeordnet ist.
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