EP1363092A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft - Google Patents

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EP1363092A1
EP1363092A1 EP03006695A EP03006695A EP1363092A1 EP 1363092 A1 EP1363092 A1 EP 1363092A1 EP 03006695 A EP03006695 A EP 03006695A EP 03006695 A EP03006695 A EP 03006695A EP 1363092 A1 EP1363092 A1 EP 1363092A1
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EP
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liquid fraction
air
column system
heat exchange
heat exchanger
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Withdrawn
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EP03006695A
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Ralph Spöri
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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    • F25J2240/42—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being air
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    • F25J2245/40—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being air

Definitions

  • the invention relates to a method for the low-temperature separation of air in one Rectification column system, which has at least one separation column, a first Airflow cooled in a main heat exchanger and into the rectification column system is initiated, a second air flow to work relaxed and downstream of the Work-related relaxation through indirect heat exchange with a liquid Fraction from the rectification column system is heated.
  • the rectification column system can be a one, two or more column system act for nitrogen-oxygen separation. If necessary, that can Rectification column system one or more additional columns for the extraction of others Air components, especially noble gases.
  • JP 61079978 A A method of the type mentioned is known from JP 61079978 A. Similar Processes are described in DE 2518557 C and from Rathbone, "Latest developments in the field of cryogenic techniques for gas separation ", Proceedings of the International Symposium on Gas Separation Technology, Antwerp, Belgium, September 10-15, Shown in 1989. The work-relaxed air is not here Rectification column system fed, but warmed in the main heat exchanger and then discarded.
  • the invention is based, such a method and a task specify appropriate device that are particularly economical to operate.
  • the "main heat exchanger” can be in the invention by any known type of Heat exchangers are formed by regenerators or by a recuperative - switchable or non-switchable - heat exchanger. It can be from a block or several blocks connected in parallel and / or in series.
  • the "additional heat exchanger" according to the invention is preferably by a single, separate heat exchanger block formed by no other Process streams as the second air stream and the liquid fraction to be cooled be directed.
  • An alternative is an integration in a supercooling counterflow conceivable through which other process streams of the process flow.
  • the "second air flow” can, for example, be separate from the “first air flow” compressed and / or cleaned. Alternatively, both air flows become common compressed and cleaned and upstream of the cooling in the main heat exchanger or at an intermediate temperature of the main heat exchanger. In a Another variant (for example, when the air cools down in a switchable Main heat exchanger - Revex), the second air flow can also come from one of the columns of the rectification column system, for example above some Plywood floors from the high-pressure column of a two-column system.
  • the "work relaxation” is carried out in a relaxation machine, preferably in an expansion turbine.
  • the second air flow can be downstream of the indirect heat exchange with the liquid fraction partially or completely as a heating stream in the Main heat exchanger to be warmed up.
  • the second air stream is downstream of its heating in the Main heat exchanger removed from the process. This means that he is neither the one Rectification column system, still (in a circulatory system) to the work-related relaxation is returned. He can be in the atmosphere blown off or used as an impure product.
  • the Main heat exchanger can be the second air flow downstream of the indirect Heat exchange with the liquid fraction at least partially in one or several separation columns of the rectification column system are introduced. Doing so at least part of the second air flow of indirect heat exchange with the liquid fraction introduced as a blowing stream into the rectification column system, especially in the low pressure column of a two or more column system.
  • the heating current can be downstream of the indirect heat exchange with the liquid fraction with a product or residual stream from the rectification column system are mixed, for example with an impure nitrogen stream from the Low pressure column of a two-column system.
  • part of the from the Expansion machine exiting air into a column of the rectification column system be introduced, for example in the low pressure column of a two-column system.
  • the mixing can be upstream or downstream of the main heat exchanger take place, but it is preferably between the outlet from the additional heat exchanger carried out. The mixture is then removed from the process and for example blown off into the atmosphere or used as an impure product.
  • this top cold is preferably achieved in that the liquid fraction downstream of the indirect heat exchange in the Additional heat exchanger in the evaporation space of a condenser evaporator is initiated.
  • the cold is caused by indirect heat exchange transferred to a condensing stream.
  • the liquid fraction can be relaxed.
  • Cooling in the additional heat exchanger results in a particularly low level Flash gas amount.
  • the rectification column system for one or more columns Has argon recovery and liquid return for in the condenser-evaporator at least one of the columns for argon production is generated.
  • "Pillars for Argon production represents, for example, a raw argon column (for argon-oxygen separation) and / or a pure argon column (for argon-nitrogen separation). Die supercooled liquid fraction can be used to cool the head of one or both of these columns, especially the crude argon column.
  • Heat exchange in the additional heat exchanger causes the transfer of one increased amount of cold and thus an up to 6% improved argon yield. Due to the increased supercooling of the liquid for the crude argon column head cooling there is also greater flexibility in positioning the Relief valve upstream of the condenser-evaporator.
  • the liquid fraction is preferably in the Bottom evaporator of a pure argon column cooled.
  • This sump evaporator is used for Generation of rising steam for the pure argon column.
  • a liquid from the lower region is, for example, a liquid fraction one of the pillars of the rectification column system, especially from the lower area the high-pressure column of a two-column system for nitrogen-oxygen separation used. It is usually enriched with oxygen, which means that it has one higher oxygen content than air.
  • the generated during the work-relieving relaxation of the second air stream mechanical energy can at least partially compress the first and / or second air flow can be used by an appropriate compressor is mechanically coupled to the relaxation machine.
  • the invention also relates to a device according to claim 13.
  • Atmospheric air 1 is in an air compressor 2 to a pressure of brought, for example, 6 bar, overflows 3 after passing through an after-cooling Line 4 to a post-compressor 5 and there continues to, for example, 16.5 bar compacted. After a further after-cooling 6 is branched out through line 7 flowing air into a first air flow 8 and into a second air flow 201.
  • the cleaning device - usually a molecular sieve station - is preferably located between the after-cooler 3 and the post-compressor 5.
  • the first air flow 8 is approximately in a main heat exchanger 9 Cooled dew point temperature and via line 10 - if necessary after Throttling 11 - fed into the high pressure column 12 of a rectification column system.
  • the rectification column system is in terms of nitrogen-oxygen separation Two-pillar system built, the one next to the high pressure column 12 Has low pressure column 13. These two columns stand above a condenser evaporator 14, the so-called main condenser, in heat exchanging Connection.
  • Oxygenated liquid 15 from the sump of the high pressure column 12 is in cooled a supercooling counterflow 16, via line 17 two later descriptive heat exchangers 18 and 205 passed, there undercooled and then relaxed in a throttle valve 19. (A part of oxygen-enriched liquid can via a bypass line 20 to the Heat exchanger 18 are passed.)
  • the relaxed oxygen-enriched Liquid 21 is divided into a first partial flow 22 and a second partial flow 23 branched.
  • the first partial flow 22 is in a condenser-evaporator 24, which as Pure argon head condenser is formed, partially evaporated and then via line 25 into the evaporation space of a further condenser-evaporator 26, the crude argon overhead condenser, initiated while the first partial flow directly into the raw argon overhead condenser flows.
  • the in the evaporation room of the Crude argon overhead condenser 26 formed vapor 27 and the remaining liquid portion 28 are introduced into the low pressure column at a suitable point.
  • the gaseous nitrogen 29 formed at the top of the high pressure column 12 becomes one first part 30 warmed to about ambient temperature in the main heat exchanger 9 and discharged via line 31 as a gaseous pressure product.
  • a second part 32 it is passed into the liquefaction space of the main condenser 13. That there Part of the condensate 33 formed is returned to the high-pressure column 12 given up.
  • the rest is obtained as a liquid product, partly as liquid pressure nitrogen 36, or after hypothermia 16, throttling 39 and Phase separation 40 (via lines 37 and 38) as pressureless liquid nitrogen 41. Flash gas 42 from the phase separation 40 is together with the top product 43 Low pressure column 14 discharged.
  • Impure nitrogen 44 becomes liquid from an intermediate point of the high-pressure column 12 withdrawn, supercooled (16) and via line 45 and throttle valve 46 as a return abandoned the head of the low pressure column 14.
  • the rectification column system of the embodiment also has one Argon production with a raw argon column consisting of two parts 58 and 59, and with a pure argon column 60.
  • a raw argon column consisting of two parts 58 and 59
  • a pure argon column 60 At an intermediate point of the low pressure column 14 an argon-containing oxygen fraction 61 is drawn off and into the first crude argon column 58 initiated.
  • the top steam 62 of the first crude argon column continues to the bottom of the second raw argon column 59 out.
  • Gaseous raw argon 63 from the head of the second Crude argon column is partially condensed in the crude argon overhead condenser 26. there liquid 64 obtained is returned to the second crude argon column 59 given up.
  • the bottom liquid 65 of the second crude argon column 59 is by means of a Pump 66 is conveyed via line 67 to the top of the first crude argon column 58.
  • the oxygen-rich liquid 68 from the sump of the first ras 58 is finally in the low pressure column 14 is fed back.
  • crude argon 69 remaining in vapor form becomes the Pure argon column 60 supplied at an intermediate point.
  • Head steam 70 the Pure argon column 60 is partially condensed in the pure argon column top condenser 24.
  • the condensate 71 produced in the process is returned to the top of the pure argon column 60 given up.
  • the remaining gas 72 makes them more volatile than argon Components, especially nitrogen, are discharged as residual steam.
  • the Bottom evaporator 18 is used to obtain ascending steam Evaporation of a part 74 of those obtained in the bottom of the pure argon column 60 Liquid 73.
  • the rest forms the liquid pure argon product 75.
  • the second airflow 201 after cooling in Main heat exchanger 9 to an intermediate temperature via line 202 one Work-relieving relaxation fed into a turbine 203 and there to something about Brought atmospheric pressure.
  • the work-relaxed air 204 transfers in the Additional heat exchanger 205 their peak cold at about 91 K by indirect Heat exchange with the liquid fraction 15 - 17 from the bottom of the High pressure column 12.
  • the liquid fraction is in the additional heat exchanger 205 of about 95 cooled to about 93 K. This reduces the flash gas content at Expansion 19 of the liquid fraction downstream of the additional heat exchanger 205, and accordingly more cold is available for head cooling 26/24 of the raw argon column 58/59 or the pure argon column 60 are available.
  • the air flow 206-206 downstream of the additional heat exchanger 205 is at the embodiment offered two ways.
  • line 207 he can - if necessary after throttling 208 - the residual gas (impure nitrogen) 53 from the Low pressure column 14 mixed and together with this from the process removed (line 54/55).
  • line 209 it can pass through valve 210 and above Line 209 are blown into the low-pressure column 13 at a suitable point.
  • the two valves 208, 210 can indicate the quantitative ratio of these two flows any desired value can be set. In extreme cases, one of the two Lines 207, 209 are closed.
  • the turbine 203 is coupled to the post-compressor 5 via a common shaft.

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Rektifiziersäulensystem, das mindestens eine Trennsäule (12, 14, 58, 59, 60) aufweist. Ein erster Luftstrom (8) wird in einem Hauptwärmetauscher (9) abgekühlt und in das Rektifiziersäulensystem eingeleitet (10, 11). Ein zweiter Luftstrom (201, 202) wird arbeitsleistend entspannt (203) und stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung (203) durch indirekten Wärmeaustausch (205) mit einer flüssigen Fraktion (15, 17) aus dem Rektifiziersäulensystem angewärmt. Die flüssige Fraktion (15, 17) wird außerdem stromaufwärts des indirekten Wärmeaustauschs (205) mit dem arbeitsleistend entspannten zweiten Luftstrom (204) in indirekten Wärmeaustausch (16) mit mindestens einem weiteren Prozess-Strom (49, 52) gebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Rektifiziersäulensystem, das mindestens eine Trennsäule aufweist, wobei ein erster Luftstrom in einem Hauptwärmetauscher abgekühlt und in das Rektifiziersäulensystem eingeleitet wird, ein zweiter Luftstrom arbeitsleistend entspannt und stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung durch indirekten Wärmeaustausch mit einer flüssigen Fraktion aus dem Rektifiziersäulensystem angewärmt wird.
Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt. Bei dem Rektifiziersäulensystem kann es sich um Ein-, Zwei- oder Mehr-Säulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung handeln. Gegebenenfalls kann das Rektifiziersäulensystem eine oder mehrere weitere Säulen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus JP 61079978 A bekannt. Ähnliche Prozesse sind in DE 2518557 C und aus Rathbone, "Latest developments in the field of cryogenic techniques for gas separation", Proceedings of the International Symposium on Gas Separation Technology, Antwerp, Belgium, September 10-15, 1989 gezeigt. Die arbeitsleistend entspannte Luft wird hier nicht in das Rektifiziersäulensystem eingespeist, sondern in dem Hauptwärmetauscher angewärmt und anschließend verworfen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die besonders wirtschaftlich zu betreiben sind.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die flüssige Fraktion (15, 17) stromaufwärts des indirekten Wärmeaustauschs (205) mit dem arbeitsleistend entspannten zweiten Luftstrom (204) in indirekten Wärmeaustausch (16) mit mindestens einem weiteren Prozess-Strom (49, 52) gebracht wird.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise wird die bei der arbeitsleistenden Entspannung erzeugte Spitzenkälte gezielt an einer besonders kalten Stelle auf den Flüssigstrom übertragen und kann damit für das Verfahren weiter genutzt werden. Die beiden Wärmeaustausch-Schritte können in getrennten Wärmetauscher-Blöcken durchgeführt werden. (Für diesen Fall wird im folgenden die Bezeichnung "Zusatzwärmetauscher" für den Apparat verwendet, in dem der indirekte Wärmeaustausch zwischen der flüssigen Fraktion und dem entspannten zweiten Luftstrom stattfindet.) Alternativ ist eine Durchführung in einem mindestens teilweise gemeinsamen Block möglich, wobei mindesten in einem relativ kalten Abschnitt dieses Blocks Passagen für den entspannten zweiten Luftstrom, aber nicht für den weiteren Prozess-Strom vorgesehen sind, in einem relativ warmen Abschnitt dagegen Passagen für den weiteren Prozess-Strom, aber nicht für den entspannten zweiten Luftstrom. (In diesem Fall ist der Begriff "Zusatzwärmetauscher" auf den integrierten Wärmeaustauscher-Block zu lesen.)
Der "Hauptwärmetauscher" kann bei der Erfindung durch jede bekannte Art von Wärmetauscher gebildet werden, durch Regeneratoren oder durch einen rekuperativen - umschaltbaren oder nicht umschaltbaren - Wärmetauscher. Er kann aus einem Block oder mehreren, parallel und/oder seriell verbundenen Blöcken bestehen.
Der erfindungsgemäße "Zusatzwärmetauscher" wird vorzugsweise durch einen einzelnen, separaten Wärmetauscher-Block gebildet, durch den keine anderen Prozess-Ströme als der zweite Luftstrom und die zu abzukühlende flüssige Fraktion geleitet werden. Alternativ ist eine Integration in einen Unterkühlungs-Gegenströmer denkbar, durch den auch andere Prozess-Ströme des Verfahrens fließen.
Der "zweite Luftstrom" kann beispielsweise getrennt von dem "ersten Luftstrom" verdichtet und/oder gereinigt werden. Alternativ werden beide Luftströme gemeinsam verdichtet und gereinigt und stromaufwärts der Abkühlung im Hauptwärmetauscher oder bei einer Zwischentemperatur des Hauptwärmetauschers verzweigt. In einer weiteren Variante (beispielsweise bei Abkühlung der Luft in einem umschaltbaren Hauptwärmetauscher - Revex) kann der zweite Luftstrom auch aus einer der Säulen des Rektifiziersäulensystems entnommen werden, beispielsweise oberhalb einiger Sperrböden aus der Hochdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems.
Die "arbeitsleistende Entspannung" wird in einer Entspannungsmaschine durchgeführt, vorzugsweise in einer Expansions-Turbine.
Der zweite Luftstroms kann stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs mit der flüssigen Fraktion teilweise oder vollständig als Anwärmstrom in dem Hauptwärmetauscher angewärmt werden.
Vorzugsweise wird der zweite Luftstrom stromabwärts seiner Anwärmung im Hauptwärmetauscher aus dem Verfahren entfernt. Dies bedeutet, dass er weder dem Rektifiziersäulensystem zugeführt, noch (in einem Kreislaufsystem) zu der arbeitsleistenden Entspannung zurückgeleitet wird. Er kann in die Atmosphäre abgeblasen oder als unreines Produkt verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der (dann teilweisen) Anwärmung im Hauptwärmetauscher kann der zweite Luftstrom stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs mit der flüssigen Fraktion mindestens teilweise in eine oder mehrere Trennsäulen des Rektifiziersäulensystems eingeleitet werden. Dabei wird mindestens ein Teil des zweiten Luftstroms des indirekten Wärmeaustauschs mit der flüssigen Fraktion als Einblasestrom in das Rektifiziersäulensystem eingeleitet, insbesondere in die Niederdrucksäule eines Zwei- oder Mehr-Säulen-Systems.
Der Anwärmstrom kann stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs mit der flüssigen Fraktion mit einem Produkt- oder Reststrom aus dem Rektifiziersäulensystem vermischt werden, beispielsweise mit einem unreinen Stickstoffstrom aus der Niederdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems. Zusätzlich kann ein Teil der aus der Entspannungsmaschine austretenden Luft in eine Säule des Rektifiziersäulensystems eingeführt werden, zum Beispiel in die Niederdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems. Die Vermischung kann stromaufwärts oder stromabwärts des Hauptwärmetauschers erfolgen, vorzugsweise wird sie aber zwischen Austritt aus dem Zusatzwärmetauscher durchgeführt. Anschließend wird das Gemisch aus dem Verfahren entfernt und beispielsweise in die Atmosphäre abgeblasen oder als unreines Produkt verwendet.
Vorzugsweise nehmen an dem indirekten Wärmeaustausch in dem Zusatzwärmetauscher keine weiteren Prozess-Ströme außer dem arbeitsleistend entspannten zweiten Luftstrom und der flüssigen Fraktion teil, das heißt der Zusatzwärmetauscher wird durch einen separaten Wärmetauscher-Block mit genau zwei Gruppen von Passagen gebildet. Die Spitzenkälte aus der arbeitsleistenden Entspannung wird damit vollständig auf die flüssige Fraktion übertragen.
Die weitere Nutzung dieser Spitzenkälte wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die flüssige Fraktion stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs in dem Zusatzwärmetauscher in den Verdampfungsraum eines Kondensator-Verdampfers eingeleitet wird. Bei der Verdampfung wird die Kälte durch indirekten Wärmeaustausch auf einen kondensierenden Strom übertragen. Vor der Einleitung in den Kondensator-Verdampfer kann die flüssige Fraktion entspannt werden. Durch die erfindungsgemäße Abkühlung in dem Zusatzwärmetauscher entsteht dabei eine besonders geringe Flashgas-Menge.
Es ist ferner günstig, wenn das Rektifiziersäulensystem eine oder mehrere Säulen zur Argongewinnung aufweist und in dem Kondensator-Verdampfer flüssiger Rücklauf für mindestens eine der Säulen zur Argongewinnung erzeugt wird. "Säulen zur Argongewinnung" stellen beispielsweise eine Rohargonsäule (zur Argon-Sauerstoff-Trennung) und/oder einer Reinargonsäule (zur Argon-Stickstoff-Trennung) dar. Die unterkühlte flüssige Fraktion kann zur Kopfkühlung einer oder beider dieser Säulen, insbesondere der Rohargonsäule, eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Wärmeaustausch in dem Zusatzwärmetauscher bewirkt dabei die Übertragung einer erhöhten Kältemenge und damit eine um bis zu 6 % verbesserte Argonausbeute. Durch die verstärkte Unterkühlung der Flüssigkeit für die Rohargonsäulen-Kopfkühlung besteht außerdem eine höhere Flexibilität hinsichtlich der Positionierung des Entspannungsventils stromaufwärts des Kondensator-Verdampfers.
Tieftemperatur-Luftzerlegungs-Systeme mit Argongewinnung sind beispielsweise aus DE 2325422 A, EP 171711 A2, EP 377117 B2 (= US 5019145), EP 628777 B1 (= US 5426946), EP 669508 A1 (= US 5592833), EP 669509 B1 (= US 5590544), EP 942246 A2 oder EP 1103772 A1 bekannt.
Stromaufwärts des Zusatzwärmetauschers wird die flüssige Fraktion vorzugsweise im Sumpfverdampfer einer Reinargonsäule abgekühlt. Dieser Sumpfverdampfer dient zur Erzeugung aufsteigenden Dampfs für die Reinargonsäule. Die Flüssigkeit wird bei dem indirekten Wärmeaustausch gibt in dem Sumpfverdampfer fühlbare, aber keine latente Wärme ab. Diese Vorgehensweise an sich ist im Detail in EP 669509 B1 (= US 5590544) beschrieben.
Als flüssige Fraktion wird beispielsweise eine Flüssigkeit aus dem unteren Bereich einer der Säulen des Rektifiziersäulensystems, insbesondere aus dem unteren Bereich der Hochdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingesetzt. Sie ist in der Regel sauerstoffangereichert, das heißt sie weist einen höheren Sauerstoffgehalt als Luft auf.
Die bei der arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Luftstroms erzeugte mechanische Energie kann mindestens teilweise zur Verdichtung des ersten und/oder zweiten Luftstroms eingesetzt werden, indem ein entsprechender Verdichter mechanisch mit der Entspannungsmaschine gekoppelt ist.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 13.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Atmosphärische Luft 1 wird in einem Luftverdichter 2 auf einen Druck von beispielsweise 6 bar gebracht, strömt nach Durchlaufen einer Nachkühlung 3 über Leitung 4 zu einem Nachverdichter 5 und wird dort weiter auf beispielsweise 16,5 bar verdichtet. Nach einer weiteren Nachkühlung 6 wird verzweigt die durch Leitung 7 strömende Luft in einen ersten Luftstrom 8 und in einen zweiten Luftstrom 201.
Vor der Einleitung in den Hauptwärmetauscher 9 wird die Luft gereinigt (nicht dargestellt). Die Reinigungseinrichtung - in der Regel eine Molekularsiebstation - befindet sich vorzugsweise zwischen dem Nachkühler 3 und dem Nachverdichter 5.
Der erste Luftstrom 8 wird in einem Hauptwärmetauscher 9 auf etwa Taupunktstemperatur abgekühlt und über Leitung 10 - gegebenenfalls nach Drosselung 11 - in die Hochdrucksäule 12 eines Rektifiziersäulensystems eingespeist. Das Rektifiziersäulensystem ist hinsichtlich der Stickstoff-Sauerstoff-Trennung als Zwei-Säulen-System aufgebaut, das neben der Hochdrucksäule 12 eine Niederdrucksäule 13 aufweist. Diese beiden Säulen stehen über einen Kondensator-Verdampfer 14, den so genannten Hauptkondensator, in wärmetauschender Verbindung.
Sauerstoffangereicherter Flüssigkeit 15 vom Sumpf der Hochdrucksäule 12 wird in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 16 abgekühlt, über Leitung 17 zwei später zu beschreibenden Wärmetauschern 18 und 205 zugeleitet, dort weiter unterkühlt und anschließend in einem Drosselventil 19 entspannt. (Ein Teil der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit kann über eine Bypass-Leitung 20 an dem Wärmetauscher 18 vorbeigeführt werden.) Die entspannte sauerstoffangereicherte Flüssigkeit 21 wird in einen ersten Teilstrom 22 und einen zweiten Teilstrom 23 verzweigt. Der erste Teilstrom 22 wird in einem Kondensator-Verdampfer 24, der als Reinargon-Kopfkondensator ausgebildet ist, teilweise verdampft und anschließend über Leitung 25 in den Verdampfungsraum eines weiteren Kondensator-Verdampfers 26, des Rohargon-Kopfkondensators, eingeleitet, während der erste Teilstrom direkt in den Rohargon-Kopfkondensator strömt. Der in dem Verdampfungsraum des Rohargon-Kopfkondensators 26 gebildete Dampf 27 und der flüssig verbliebene Anteil 28 werden an geeigneter Stelle in die Niederdrucksäule eingeführt.
Der am Kopf der Hochdrucksäule 12 gebildete gasförmige Stickstoff 29 wird zu einem ersten Teil 30 im Hauptwärmetauscher 9 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über Leitung 31 als gasförmiges Druckprodukt abgeführt. Zu einem zweiten Teil 32 wird er in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 13 geleitet. Das dort gebildete Kondensat 33 wird zu einem Teil 34 als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 12 aufgegeben. Der Rest wird als Flüssigprodukt gewonnen, und zwar teilweise als flüssiger Druckstickstoff 36, oder nach Unterkühlung 16, Drosselung 39 und Phasentrennung 40 ( über Leitungen 37 und 38) als druckloser Flüssigstickstoff 41. Flashgas 42 aus der Phasentrennung 40 wird gemeinsam mit dem Kopfprodukt 43 der Niederdrucksäule 14 abgeführt.
Von einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule 12 wird unreiner Stickstoff 44 flüssig abgezogen, unterkühlt (16) und über Leitung 45 und Drosselventil 46 als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule 14 aufgegeben.
Gasförmig verlassen die Niederdrucksäule 14 Sauerstoff (47 - 48), Kopfstickstoff (43 - 49 - 50 - 51) und unreiner Stickstoff (52 - 53 - 54 - 55 - 56) und werden nach Anwärmung im Unterkühlungs-Gegenströmer 16 und/oder im Hauptwärmetauscher 9 als gasförmige Produkte beziehungsweise Restgas unter Umgebungstemperatur abgezogen. (Die Ströme 49 und 52 stellen je einen "weiteren Prozess-Strom" im Sinne der Erfindung dar.) Außerdem wird flüssiger Sauerstoff 56 vom Sumpf der Niederdrucksäule 14 abgezogen und - gegebenenfalls nach Unterkühlung in 16 - als weiteres Flüssigprodukt 57 gewonnen.
Das Rektifiziersäulensystem des Ausführungsbeispiels weist außerdem eine Argongewinnung mit einer Rohargonsäule, die aus zwei Teilen 58 und 59 besteht, und mit einer Reinargonsäule 60 auf. An einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule 14 wird eine argonhaltige Sauerstofffraktion 61 abgezogen und in die erste Rohargonsäule 58 eingeleitet. Der Kopfdampf 62 der ersten Rohargonsäule wird weiter zum Sumpf der zweiten Rohargonsäule 59 geführt. Gasförmiges Rohargon 63 vom Kopf der zweiten Rohargonsäule wird in dem Rohargon-Kopfkondensator 26 partiell kondensiert. Dabei gewonnene Flüssigkeit 64 wird als Rücklauf auf die zweite Rohargonsäule 59 aufgegeben. Die Sumpfflüssigkeit 65 der zweiten Rohargonsäule 59 wird mittels einer Pumpe 66 über Leitung 67 auf den Kopf der ersten Rohargonsäule 58 gefördert. Die sauerstoffreiche Flüssigkeit 68 aus dem Sumpf der ersten Ras 58 wird schließlich in die Niederdrucksäule 14 zurückgespeist.
Im Rohargon-Kopfkondensator 26 dampfförmig verbliebenes Rohargon 69 wird der Reinargonsäule 60 an einer Zwischenstelle zugeführt. Kopfdampf 70 der Reinargonsäule 60 wird im Reinargonsäule-Kopfkondensator 24 partiell kondensiert. Dabei erzeugtes Kondensat 71 wird als Rücklauf auf den Kopf der Reinargonsäule 60 aufgegeben. Mit dem verbliebenen Gas 72 werden die leichter als Argon flüchtigen Komponenten, insbesondere Stickstoff, als Restdampf ausgeschleust. Der Sumpfverdampfer 18 dient zur Gewinnung von aufsteigendem Dampf durch Verdampfung eines Teils 74 der im Sumpf der Reinargonsäule 60 anfallenden Flüssigkeit 73. Der Rest bildet das flüssige Reinargon-Produkt 75.
Gemäß der Erfindung wird der zweite Luftstrom 201 nach Abkühlung im Hauptwärmetauscher 9 auf eine Zwischentemperatur über Leitung 202 einer arbeitsleistenden Entspannung in einer Turbine 203 zugeführt und dort auf etwas über Atmosphärendruck gebracht. Die arbeitsleistend entspannte Luft 204 überträgt in dem Zusatzwärmetauscher 205 ihre Spitzenkälte bei etwa 91 K durch indirekten Wärmeaustausch mit der flüssigen Fraktion 15 - 17 aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 12. Die flüssige Fraktion wird im Zusatzwärmetauscher 205 von etwa 95 auf etwa 93 K abgekühlt. Damit verringert sich der Flashgas-Anteil bei der Entspannung 19 der flüssigen Fraktion stromabwärts des Zusatzwärmetauschers 205, und entsprechend mehr Kälte steht zur Kopfkühlung 26/24 der Rohargonsäule 58/59 beziehungsweise der Reinargonsäule 60 zur Verfügung.
Dem Luftstrom 206 -206 stromabwärts des Zusatzwärmetauschers 205 werden bei dem Ausführungsbeispiel zwei Wege angeboten. Zum einen (Leitung 207) kann er - gegebenenfalls nach Drosselung 208 - dem Restgas (unreinen Stickstoff) 53 aus der Niederdrucksäule 14 zugemischt und gemeinsam mit diesem aus dem Verfahren entfernt (Leitung 54/55) werden. Zum anderen kann er durch Ventil 210 und über Leitung 209 an geeigneter Stelle in die Niederdrucksäule 13 eingeblasen werden. Über die beiden Ventile 208, 210 kann das Mengenverhältnis dieser beiden Ströme auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden. Im Extremfall kann auch eine der beiden Leitungen 207, 209 geschlossen werden.
Die Turbine 203 ist über eine gemeinsame Welle mit dem Nachverdichter 5 gekoppelt.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Rektifiziersäulensystem, das mindestens eine Trennsäule (12, 14, 58, 59, 60) aufweist, wobei ein erster Luftstrom (8) in einem Hauptwärmetauscher (9) abgekühlt und in das Rektifiziersäulensystem eingeleitet (10, 11) wird, ein zweiter Luftstrom (201, 202) arbeitsleistend entspannt (203) und stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung (203) durch indirekten Wärmeaustausch (205) mit einer flüssigen Fraktion (15, 17) aus dem Rektifiziersäulensystem angewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Fraktion (15, 17) stromaufwärts des indirekten Wärmeaustauschs (205) mit dem arbeitsleistend entspannten zweiten Luftstrom (204) in indirekten Wärmeaustausch (16) mit mindestens einem weiteren Prozess-Strom (49, 52) gebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des zweiten Luftstroms (206) stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs (205) mit der flüssigen Fraktion (15, 17) als Anwärmstrom (207) in dem Hauptwärmetauscher (9) angewärmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anwärmstrom (207) stromabwärts seiner Anwärmung im Hauptwärmetauscher (9) mindestens teilweise aus dem Verfahren entfernt (54, 55) wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des der zweiten Luftstroms (206) des indirekten Wärmeaustauschs (205) mit der flüssigen Fraktion (15, 17) als Einblasestrom (209) in das Rektifiziersäulensystem eingeleitet wird, insbesondere in die Niederdrucksäule (13) eines Zwei- oder Mehr-Säulen-Systems.
  5. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anwärmstrom (207) stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs (205) mit der flüssigen Fraktion (15, 17) mit einem Produkt- oder Reststrom (53) aus dem Rektifiziersäulensystem vermischt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem indirekten Wärmeaustausch (205) mit der flüssigen Fraktion (15, 17) keine weiteren Prozess-Ströme außer dem arbeitsleistend entspannten zweiten Luftstrom (204) und der flüssigen Fraktion (17) teilnehmen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Fraktion (21, 22, 23) stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs (205) mit der flüssigen Fraktion (15, 17) in den Verdampfungsraum eines Kondensator-Verdampfers (24, 26) eingeleitet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rektifiziersäulensystem eine oder mehrere Säulen (58, 59, 60) zur Argongewinnung aufweist und in dem Kondensator-Verdampfer (24, 26) flüssiger Rücklauf (64, 71) für mindestens eine der Säulen (59, 60) zur Argongewinnung erzeugt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rektifiziersäulensystem eine Rohargonsäule (59) zur Argon-Sauerstoff-Trennung aufweist und in dem Kondensator-Verdampfer (26) flüssiger Rücklauf (64) für die Rohargonsäule (59) erzeugt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rektifiziersäulensystem eine Reinargonsäule (60) zur Argon-Stickstoff-Trennung umfasst, wobei die Reinargonsäule (60) einen Sumpfverdampfer (18) aufweist und die flüssige Fraktion (17) stromaufwärts des Zusatzwärmetauschers (205) in dem Sumpfverdampfer (18) abgekühlt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Fraktion (15, 17) aus dem unteren Bereich einer der Säulen des Rektifiziersäulensystem, insbesondere aus dem unteren Bereich der Hochdrucksäule (12) eines Zwei-Säulen-Systems (12/14) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, entnommen wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der arbeitsleistenden Entspannung (203) des zweiten Luftstroms (201, 202) erzeugte mechanische Energie mindestens teilweise zur Verdichtung (5) des ersten und/oder zweiten Luftstroms eingesetzt wird.
  13. Vorrichtung zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft mit einem Rektifiziersäulensystem, das mindestens eine Trennsäule (12, 14, 58, 59, 60) aufweist, mit einer ersten Luftleitung (8, 10) für einen ersten Luftstrom, wobei die erste Luftleitung (8, 10) durch einen Hauptwärmetauscher (9) in das Rektifiziersäulensystem führt, und mit einer zweiten Luftleitung (201, 202, 204, 206, 207, 54, 55) für einen zweiten Luftstrom, wobei die zweite Luftleitung (201, 202, 204, 206, 207, 54, 55) durch eine Entspannungsmaschine (203) und weiter zu einem Zusatzwärmetauscher (205) zur Anwärmung des zweiten Luftstroms (204) stromabwärts der Entspannungsmaschine (203) und stromaufwärts seiner Einleitung in den Hauptwärmetauscher (9) durch indirekten Wärmeaustausch mit einer flüssigen Fraktion (15, 17) aus dem Rektifiziersäulensystem führt, gekennzeichnet durch Mittel (16) zum indirekten Wärmeaustausch eines weiteren Prozess-Stroms (49, 52) mit der flüssigen Fraktion (15, 17) stromaufwärts des indirekten Wärmeaustauschs (205) mit dem arbeitsleistend entspannten zweiten Luftstrom (204).
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