EP2299221A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

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EP2299221A2
EP2299221A2 EP10009045A EP10009045A EP2299221A2 EP 2299221 A2 EP2299221 A2 EP 2299221A2 EP 10009045 A EP10009045 A EP 10009045A EP 10009045 A EP10009045 A EP 10009045A EP 2299221 A2 EP2299221 A2 EP 2299221A2
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EP
European Patent Office
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pressure
stream
turbine
flow
heat exchanger
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10009045A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Alekseev
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
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
    • F25J2240/44—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 nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
    • F25J2240/46—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 oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a process in which a liquid pressurized product stream is vaporized against a heat carrier and finally recovered as a gaseous pressure product, is also referred to as an internal compression process. It is particularly common for the production of pressurized oxygen, but can also be used for the production of pressurized nitrogen or Druckargon. In the case of a supercritical pressure no phase transition takes place in the main heat exchanger in the true sense, the product stream is then "pseudo-evaporated".
  • a high-pressure heat carrier is liquefied (or pseudo-liquefied when it is under supercritical pressure), namely a partial flow of air, which is referred to here as "throttle flow”.
  • the turbine stream is originally used for cooling. In plants with internal compression, however, it has a second function; in fact, it helps the inductor current to vaporize (or pseudo-evaporate) the internally compressed streams (nitrogen, oxygen and / or argon).
  • the average temperature difference in the heat exchanger is smaller, the temperature profile cheaper, the system more efficient. That is, it is always advantageous to cool the turbine flow in the heat exchanger as much as possible. As a rule, this leads to the fact that the stream at the outlet from the turbine is not gaseous, but is even partially liquefied.
  • the lowering of the temperature at the inlet to the turbine is not limitless possible, but given in the commonly used machines by a maximum liquid content of about 6% to a maximum of 10% (design criterion). Higher liquid contents can damage the turbine.
  • z is then limited to, for example, the inlet temperature in an air turbine with 60 bar at the entrance and about 85% efficiency with about 169 K. For an inlet pressure of 20 bar, the lowest possible turbine inlet temperature would be about 125 K. If it were possible to set the turbine inlet temperature lower without violating the turbine design criterion, a more efficient process would result.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an energy-efficient method and a corresponding device, which can be realized with comparatively low expenditure on equipment.
  • the turbine stream is no longer withdrawn in the course of cooling from an intermediate point of the main heat exchanger, but further, passed through the main heat exchanger, so that the turbine stream - at subcritical pressures down to about the taut or lower cooled or - at supercritical pressure - pseudo-liquefied. Subsequently, it is relaxed to an optimized in terms of work-relaxing relaxation and the temperature profile in the main heat exchanger intermediate pressure, preferably in a throttle valve, and warmed in the main heat exchanger back to the intermediate temperature, which corresponds to the inlet temperature of the work-expansion and which is as low as possible, but so that the turbine design criterion not hurt. For example, this intermediate temperature is below 169 K for a 60 bar turbine stream or below 125 K for a 20 bar turbine stream.
  • the cooling and (pseudo) liquefaction of the turbine flow in the main heat exchanger, when its pressure is equal to that of the Drosseistroms, can be done together with the throttle flow or separately from this.
  • the intermediate pressure to which the turbine flow is released prior to its work expansion is equal to or higher than p inductor current ⁇ p High-pressure column , That is, for a 60-bar inductor current, the intermediate pressure would be 18 bar or higher, or 10.5 bar or 20-bar inductor current (assuming that the pressure in the high-pressure column is 5.5 bar).
  • the relaxation to the intermediate pressure is preferably carried out in a throttle valve.
  • the work-performing relaxation is carried out in a relaxation machine, which is preferably designed as a turbine.
  • the secondary compressor is driven with external energy, and both the Drosseistrom and the turbine flow are at the cooling in the main heat exchanger under the second pressure.
  • Powered by external energy means that the corresponding compressor is driven not by means of energy generated in the air separation process itself, but for example by means of an electric motor, a steam turbine or a gas turbine.
  • the reboiler is driven by a flattening machine operated by a process stream of the process, in particular by the flattening machine (12) operated with the turbine stream (70), the air compressor being the only one driven by external energy Represents machine for the compression of air.
  • a “single machine” is understood here to mean a single-stage or multistage compressor whose stages are all connected to the same drive, all stages being accommodated in the same housing or connected to the same gear.
  • the "first pressure” is significantly above the highest pressure of the distillation column system, in particular significantly above the operating pressure of the high-pressure column. This pressure difference is for example at least 4 bar and is preferably between 6 and 16 bar.
  • the total air compressed in the air compressor (with the exception of possible smaller portions such as instrument air) is preferably completely divided between the Drosse flow and the turbine flow.
  • the process stream which is used to drive the secondary compressor, instead of the turbine flow, for example, by a third air stream, which is relaxed to the operating pressure of the low pressure column (Lachmann turbine) or by pressurized nitrogen from the distillation column system, in particular from a high pressure or low pressure column are formed.
  • the pressure nitrogen can be almost at ambient temperature when entering the corresponding expansion machine, or it is heated to well above ambient temperature before entering the expansion machine ("hot gas expander").
  • the throttle flow may be at a higher pressure than the turbine flow, that is, the turbine flow is lower than the second pressure when cooling in the main heat exchanger and the throttle flow is lower than the second pressure or higher during cooling in the main heat exchanger as the second pressure is.
  • a second after-compressor is used in the second variant, which is driven by a relaxation machine, which is operated with a process stream of the process.
  • the secondary compressor which leads to the second pressure, is driven by the expansion machine, which is operated with the turbine flow, and process flow, which is used to drive the second after-compressor, is replaced by a third air flow, which is expanded to the operating pressure of the low-pressure column ( Lachmann turbine) or by pressurized nitrogen from the distillation column system, in particular from a high-pressure or low-pressure column are formed.
  • the two drives can be reversed.
  • the booster on at least two stages and can also be powered by external energy.
  • the recompression to the second pressure then takes place in at least a first stage of the secondary compressor; the inductor current downstream of the branch of the Turbine flow is at least in the last stage of the post-compressor after-compressed to a third pressure which is higher than the second pressure.
  • the intermediate pressure is 1.5 to 5 bar below the second pressure, that is, the turbine stream is relaxed by this pressure difference before entering the expansion machine.
  • This relatively small throttling causes virtually no energy loss at the low temperature and still allows the desired reduction in the inlet temperature of the expansion machine.
  • the distillation column system comprises a high pressure column and a low pressure column which are in heat exchange relationship via a main condenser.
  • the main capacitor is designed as a condenser-evaporator.
  • the turbine stream is preferably expanded in the expansion machine to approximately the operating pressure of the high-pressure column and at least partially fed into the high-pressure column.
  • the liquid product stream from the distillation column system can be a liquid oxygen stream, a liquid nitrogen stream and / or a liquid argon stream. If more than one product is internally compressed, it goes without saying that correspondingly many independent devices for increasing the pressure (as a rule pumps or pump pairs) and independent passages through the main heat exchanger must be provided.
  • a second air stream is formed from another part of the purified main air stream and the second air stream is cooled below the first pressure in the main heat exchanger and fed to the distillation column system.
  • This second airflow is also referred to as direct airflow.
  • the main air flow is - apart from a small proportion of optionally used as instrument air - divided exactly on the three parts mentioned here, namely direct air flow, turbine flow and inductor current.
  • the invention relates to a device for cryogenic separation of air according to the patent claim 11.
  • the distillation column system 50 comprises a high-pressure column 14, a low-pressure column 15, and a main condenser 16 formed as a condenser-evaporator through which the two columns are in heat exchange relationship.
  • Atmospheric air is sucked in as the main air flow via line 1 from an air compressor 2, where it is brought to a first pressure which corresponds approximately to the operating pressure of the high-pressure column 14, cooled to approximately ambient temperature in a precooling 3 and fed to an adsorptive air purification 4.
  • a first part of the purified main air stream 5 is recompressed as "first air stream" 6 in a secondary compressor 7 to a second pressure of at least 50 bar, for example about 60 bar.
  • the high-pressure air 8 is supplied to the warm end of a main heat exchanger 9 and cooled in the main heat exchanger and pseudo-liquefied.
  • the pseudo-liquefied air is withdrawn via line 10 from the cold end of the main heat exchanger and then divided into a throttle flow 11 and a turbine stream 17.
  • throttle and turbine flow after the common recompression 7 also together in Main heat exchanger cooled and pseudo-liquefied.
  • the turbine stream 17 could be removed slightly above the cold end of the main heat exchanger 9 - see FIG. 2 .
  • the throttle flow (“JT-Air”) 11 is expanded in a throttle valve 12 to about the operating pressure of the high-pressure column and introduced via line 13 at least partially in the liquid state in the high-pressure column 14.
  • a liquid turbine can also be used.
  • a part 43 of the throttle current can be immediately withdrawn from the high pressure column and fed after cooling in a subcooling countercurrent 31 via line 44 of the low pressure column 15 at an intermediate point.
  • the main heat exchanger it is reheated to an intermediate temperature between 140 and 150 K.
  • the turbine stream is withdrawn via line 70 from the main heat exchanger 9 and fed to a turbine 19, which is braked in the example of a generator 20.
  • the air is working expanded to about the operating pressure of the high pressure column.
  • the expanded turbine stream 21 is introduced into a separator (phase separator) 22, in order to separate any liquid fractions, if necessary.
  • Such liquid portions 23 are fed via line 24 at a suitable location in the low-pressure column 15.
  • the gaseous fraction 25 is introduced via line 26 as gaseous feed air ("feed-air”) into the high-pressure column 14.
  • the remainder of the purified main air stream 5 is passed through the main heat exchanger 9 without pressure-changing measures as direct air flow ("second air flow") 27, 28 and continues to flow via line 26 into the high-pressure column 14.
  • a first version of the embodiment (system without argon recovery - "Systems w / o argon”) flows liquid crude oxygen 29 from the bottom of the high pressure column 14 via line 30, subcooling countercurrent 31 and on via line 32 to an intermediate point of the low pressure column.
  • the gaseous Head nitrogen 33 of the high-pressure column 14 is condensed at least in part 34 in the liquefaction space of the main condenser 16. Another part can be passed via line 35 through the main heat exchanger 9 and finally withdrawn via line 36 as gaseous medium pressure product (PGAN).
  • GPN gaseous medium pressure product
  • the condensed nitrogen 37 from the main condenser 16 is fed to a first part 38 as reflux to the high-pressure column 14.
  • a second part 39 is cooled in the subcooling countercurrent 31 and fed via line 40 of the low pressure column 15 as reflux.
  • a nitrogen enriched stream 41, 42 may be passed from an intermediate point of the high pressure column 14 via the subcooling countercurrent 31 to an intermediate position of the low pressure column 15.
  • a low-pressure oxygen product 45 (GOX) can be taken directly in gaseous form, heated in the main heat exchanger 9 and withdrawn via line 46 as a low-pressure product.
  • LOX liquid form
  • IC-LOX, IC "Internal Compression”
  • it is brought by means of an oxygen pump 48 in the liquid state to the desired elevated pressure (first elevated pressure) and fed via line 49 to the cold end of the main heat exchanger 9.
  • the liquid oxygen stream 49 is vaporized or pseudo-vaporized under the increased pressure and warmed to approximately ambient temperature. He finally leaves the plant via line 51 as the first gaseous print product (HP-GOX).
  • another gaseous oxygen product 53, 54 may be recovered under an intermediate pressure that is intermediate the operating pressure of the low pressure column 15 and the elevated pressure downstream of the pump 48 by branching off downstream of the pump 48, respectively (52) and finally vaporized and warmed separately in the main heat exchanger 9.
  • nitrogen may be supplied to an internal compression.
  • a third part 55 of the condensed nitrogen 37 as the second "liquid product stream" from the main condenser 16 (HP-LIN) in a nitrogen pump 56 is brought to a second elevated pressure which corresponds to the desired product pressure and does not have to be equal to the first elevated pressure ,
  • the high-pressure nitrogen is fed via line 57, 58 to the cold end of the main heat exchanger 9.
  • the liquid or supercritical nitrogen stream 58 is vaporized or pseudo-evaporated under the increased pressure and warmed to approximately ambient temperature. He finally leaves the plant via line 59 as the second gaseous pressure product (HP-GAN).
  • MP-GAN gaseous nitrogen product 61, 62
  • impure nitrogen 63, 64, 65 and impure nitrogen 66, 67, 68 are withdrawn in gaseous form from the low-pressure column 15, heated in the supercooling countercurrent 31 and further in the main heat exchanger 9 and withdrawn as low-pressure products (GAN, UN2).
  • some of the products may also be obtained in liquid form, for example liquid nitrogen (LIN) 69 or a portion of the liquid oxygen (LOX) 47 from the bottom of the low-pressure column 15.
  • the process of the first version of the embodiment may also be operated with only a liquid product stream and a gaseous pressure product (for example, either oxygen or nitrogen), or alternatively any combination of the illustrated fluidly pressurized streams 49, 53, 58 and 61 ,
  • a gaseous pressure product for example, either oxygen or nitrogen
  • the distillation column system of the embodiment includes, in addition to the nitrogen-oxygen separation means, an argon part 100 for recovering liquid pure argon (LAR) 105.
  • the argon part has one or more argon-oxygen separation argon columns and a Pure argon column for argon nitrogen separation, which are operated in the known manner.
  • the lower end of the crude argon column communicates via the lines 101 and 102 with an intermediate region of the low-pressure column 15.
  • the crude liquid oxygen 29 from the high-pressure column 11 is in this case passed via the line 129 ("Systems with Argon") in the argon part and in particular at least partially partially evaporated in the top condenser of the crude argon column (s) (not shown).
  • the at least partially vaporized crude oxygen is fed via line 103 into the low-pressure column 15, the liquid remaining via line 132.
  • From the argon part 100 also a gaseous residual stream (waste) 104 is withdrawn.
  • the liquid pure argon 105 may be internally compressed by bringing it as a third "liquid product stream" in an argon pump 106 to a third elevated pressure equal to the desired product pressure and not equal to the first and / or second elevated pressure.
  • the high pressure argon is fed via line 107 to the cold end of the main heat exchanger 9.
  • the argon stream 107 is vaporized or pseudo-evaporated under the increased pressure and warmed to approximately ambient temperature. He finally leaves via line 108 as the third gaseous print product (HP-GAR) the plant.
  • the main heat exchanger can be executed either integrated or split, the drawings show only the basic function of the exchanger - warm streams are cooled by cold.
  • FIG. 2 corresponds in many parts FIG. 1 , Therefore, the same reference numerals have been used for the process steps and apparatus parts already explained above, and the air compressor, the air purification and the distillation column system are in FIG. 2 not shown.
  • FIG. 1 The main difference too FIG. 1 is the higher discharge pressure of the air compressor ("first pressure"), which in FIG. 2 is significantly above the operating pressure of the high pressure column and in the specific example is 17 bar. For this reason, the direct air flow (27 in FIG. 1 ). Rather, the total air is 8 downstream of the post-compressor 7 at about 22 bar ("second pressure") at 203 to the turbine stream 10 and the throttle flow 11 split. (In FIG. 2 the cooling of turbine and throttle flow could also be carried out together, the division inside the main heat exchanger 9 could be made just before the cold end.)
  • the temperature of the turbine flow 17 before the throttling 18 is in the example 1 K to 50 K above the temperature of the cold end, ie the temperature at which the inductor current 11 leaves the main heat exchanger. (Alternatively, the turbine stream could also - as in FIG. 1 shown - are led to the cold end of the main heat exchanger 9.)
  • FIG. 2 the aftercooler 202 of the post-compressor 7, which also in the method according to FIG. 1 is used, but not shown in the drawing there.
  • the reference numeral 201 indicates the optional cooling of the main air stream 5 upstream of the secondary compressor 7 in the main heat exchanger 9.
  • FIG. 3 differs from FIG. 3 by a second expansion machine 319, the second booster 304 with aftercooler 305.
  • the branching in turbine flow and throttle flow takes place here in warm at 303, wherein the inductor current in the second booster 304 from the second pressure (here, for example, 22 bar) to a third Pressure (here, for example, 25 bar) is recompressed, the aftercooler 302 behind the first booster 7 can be omitted when the pre-cooling 201 of the main air flow is used.
  • the second pressure here, for example, 22 bar
  • a third Pressure here, for example, 25 bar
  • FIG. 4 is different from this FIG. 3 in that the second after-compressor 403, which only compresses the throttle flow, is designed as a cold compressor.

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System (50), das mindestens eine Trennsäule (14, 15) aufweist. Ein Hauptluftstrom (1, 5) wird in einem Luftverdichter (2) auf einen ersten Druck verdichtet und in anschließend einer Reinigungsvorrichtung (4) gereinigt. Ein erster Luftstrom (6), der aus mindestens einem Teil des gereinigten Hauptluftstroms (5) gebildet wird, wird in einem Nachverdichter (7) auf einen zweiten Druck nachverdichtet, der höher als der erste Druck ist. Aus dem nachverdichteten ersten Luftstrom (10) werden ein Drosselstrom (11) und ein Turbinenstrom (18, 70, 21) abgezweigt. Der Drosselstrom (11) wird in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt und anschließend einer Entspannungseinrichtung (12) zugeführt. Der entspannte Drosselstrom (13) wird in das Destilliersäulen-System (50) eingeleitet. Der Turbinenstrom (70) wird in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und unter einer Zwischentemperatur des Hauptwärmetauschers (9) in eine Entspannungsmaschine (19) eingeleitet und dort arbeitsleistend entspannt. Der arbeitsleistend entspannte Turbinenstrom (21) wird mindestens teilweise in das Destilliersäulen-System (50) eingeleitet. Ein flüssiger Produktstrom (47; 55; 105) wird aus dem Destilliersäulen-System (50) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (48; 56; 106) und unter diesem erhöhten Druck durch indirekten Wärmeaustausch (9) mit dem Drosselstrom verdampft oder pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiger Produktstrom (51; 59; 108) abgezogen. Der Turbinenstrom wird in dem Hauptwärmetauscher (9) so weit abgekühlt wird, dass - falls der Druck des Turbinenstroms unterkritisch ist - die Taupunkttemperatur oder kälter abgekühlt wird. Der verflüssigte oder pseudo-verflüssigte Turbinenstrom (17) wird auf einen Zwischendruck entspannt (18), der zwischen dem ersten und dem zweiten Druck liegt. Der auf den Zwischendruck entspannte Turbinenstrom wird in dem Hauptwärmetauscher (9) auf die Zwischentemperatur angewärmt, bevor er der Entspannungsmaschine (19) zugeleitet (70) wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein solcher Prozess, bei dem ein flüssig auf Druck gebrachter Produktstrom gegen einen Wärmeträger verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen wird, wird auch als Innenverdichtungsverfahren bezeichnet. Es ist insbesondere zur Gewinnung von Drucksauerstoff verbreitet, kann aber auch zur Gewinnung von Druckstickstoff oder Druckargon eingesetzt werden. Für den Fall eines überkritischen Drucks findet im Hauptwärmetauscher kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne statt, der Produktstrom wird dann "pseudo-verdampft".
  • Gegen den (pseudo-)verdampfenden Produktstrom wird im Hauptwärmetauscher ein unter hohem Druck stehender Wärmeträger verflüssigt (beziehungsweise pseudo-verflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht), nämlich ein Teilstrom der Luft, der hier als "Drosselstrom" bezeichnet wird.
  • Hierbei ist es üblich, den Drosselstrom und den Turbinenstrom gemeinsam in einem Nachverdichter oder im Hauptluftverdichter auf einen höheren Druck zu bringen, als für die Destillation benötigt wird. Dieser Druck muss ausreichend hoch für die Verdampfung beziehungsweise Pseudo-Verdampfung des flüssig auf Druck gebrachten Produktstroms sein und kann zum Beispiel 20 oder 60 bar betragen. Der Turbinenstrom wird dann natürlicherweise ebenfalls von diesem Druck ("zweiter Druck") aus auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt; alternativ wird der Drosselstrom auf einen noch höheren Druck nachverdichtet werden ("dritter Druck").
  • Der Turbinenstrom dient ursprünglich der Kälteerzeugung. In Anlagen mit Innenverdichtung hat er aber eine zweite Funktion; er hilft nämlich dem Drosselstrom, die innenverdichtete Ströme (Stickstoff, Sauerstoff und/oder Argon) zu verdampfen (oder zu pseudo-verdampfen). Je größer der Turbinenstrom und je tiefer dieser Strom im Hauptwärmetauscher abgekühlt wird (je größer Temperaturdifferenz zwischen Eintritt und Austritt ist), desto mehr Wärme mit diesem Strom zum (Pseudo-)Verdampfen von innenverdichteten Produktströmen zur Verfügung gestellt wird und desto kleiner wird die Drosselstrommenge. Die mittlere Temperaturdifferenz im Wärmetauscher wird dabei kleiner, das Temperaturprofil günstiger, die Anlage effizienter. Das heißt, es ist immer vorteilhaft, den Turbinenstrom im Wärmetauscher so weit wie möglich abzukühlen. Das führt in der Regel dazu, dass der Strom am Austritt aus der Turbine nicht gasförmig ist, sondern sogar teilweise verflüssigt ist.
  • Die Erniedrigung der Temperatur am Eintritt in die Turbine ist jedoch nicht grenzenlos möglich, sondern bei den üblicherweise verwendeten Maschinen durch einen maximalen Flüssigkeitsanteil von etwa 6 % bis maximal 10 % gegeben (Designkriterium). Höhere Flüssigkeitsanteile können zur Beschädigung der Turbine führen. Durch diese Begrenzung wird dann z um Beispiel die Eintrittstemperatur in eine Luftturbine mit 60 bar am Eintritt und etwa 85 % Wirkungsgrad mit etwa 169 K limitiert. Für einen Eintrittsdruck von 20 bar würde die kleinstmögliche Turbineneintrittstemperatur etwa 125 K betragen. Gelänge es, die Turbineneinstrittstemperatur tiefer zu setzen ohne das Turbinendesignkriterium zu verletzen, entstünde ein effizienteres Verfahren.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein energetisch effizientes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die mit vergleichsweise geringem apparativen Aufwand zu realisieren sind.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Turbinenstrom wird nicht mehr im Zuge des Abkühlens von einer Zwischenstelle des Hauptwärmetauschers entnommen, sondern weiter, durch den Hauptwärmetauscher geführt, sodass der Turbinenstrom - bei unterkritischen Drücken bis auf etwa die Tautemperatur oder tiefer gekühlt oder - bei überkritischem Druck - pseudo-verflüssigt wird. Anschließend wird er auf einen hinsichtlich der arbeitsleistenden Entspannung und des Temperaturprofils im Hauptwärmetauscher optimierten Zwischendruck entspannt, vorzugsweise in einem Drosselventil, und im Hauptwärmetauscher wieder auf die Zwischentemperatur angewärmt, die der Eintrittstemperatur der arbeitsleistenden Entspannung entspricht und die möglichst niedrig liegt, jedoch so dass das Turbinendesignkriterium nicht verletzt wird. Diese Zwischentemperatur liegt beispielsweise unter 169 K bei einem 60-bar-Turbinenstrom oder unter 125 K für einen 20-bar-Turbinenstrom.
  • Die Abkühlung und (Pseudo-)Verflüssigung des Turbinenstroms im Hauptwärmetauscher kann dann, wenn sein Druck gleich dem des Drosseistroms ist, gemeinsam mit dem Drosselstrom oder getrennt von diesem erfolgen. Der Zwischendruck, auf den der Yurbinenstrom vor seiner arbeitsleistenden Entspannung entspannt wird, ist gleich oder höher als p Drosselstrom ⋅ p Hochdrucksäule .
    Figure imgb0001
     Das heißt, für einen 60-bar-Drosselstrom würde der Zwischendruck bei 18 bar oder höher, bei einem 20-bar-Drosselstrom bei 10,5 bar oder liegen (unter der Annahme, dass der Druck in der Hochdrucksäule 5,5 bar beträgt). Die Entspannung auf den Zwischendruck wird vorzugsweise in einem Drosselventil vorgenommen. Die arbeitsleistende Entspannung wird in einer Entspannungsmaschine durchgeführt, die vorzugsweise als Turbine ausgebildet ist.
  • In einer ersten Variante der Erfindung wird der Nachverdichter mit externer Energie angetrieben, und sowohl der Drosseistrom als auch der Turbinenstrom stehen bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher unter dem zweiten Druck. Durch den Einsatz eines Nachverdichters ohne Zwischenabzug kann der apparative Aufwand gering gehalten werden.
  • "Mit externer Energie angetrieben" bedeutet, dass der entsprechende Verdichter nicht mittels im Luftzerlegungsverfahren selbst erzeugter Energie angetrieben wird, sondern beispielsweise mittels eines Elektromotors, einer Dampfturbine oder einer Gasturbine.
  • In einer zweiten Variante der Erfindung wird der Nachverdichter von einer Entspannungsmaschine angetrieben, die mit einem Prozessstrom des Verfahrens betrieben wird, insbesondere von der Entspannungsmaschine (12), die mit dem Turbinenstrom (70) betrieben wird, wobei der Luftverdichter die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft darstellt.
  • Unter einer "einzigen Maschine" wird hier ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter verstanden, dessen Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind, wobei alle Stufen in demselben Gehäuse untergebracht oder mit demselben Getriebe verbunden sind. In dieser zweiten Variante liegt der "erste Druck" deutlich über dem höchsten Druck des Destilliersäulen-Systems, insbesondere deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule. Dieser Druckunterschied beträgt beispielsweise mindestens 4 bar und liegt vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar. In dieser Variante wird die im Luftverdichter verdichtete Gesamtluft (bis auf mögliche kleinere Anteile wie zum Beispiel Instrumentenluft) vorzugsweise vollständig auf den Drosseistrom und den Turbinenstrom aufgeteilt.
  • Der Prozessstrom, der zum Antrieb des Nachverdichters genutzt wird, kann anstelle des Turbinenstroms beispielsweise durch einen dritten Luftstrom, der auf den Betriebsdruck der Niederdrucksäule entspannt wird (Lachmann-Turbine) oder durch Druckstickstoff aus dem Destilliersäulensystem, insbesondere aus einer Hochdruckoder Niederdrucksäule gebildet werden. Der Druckstickstoff kann sich beim Eintritt in die entsprechende Entspannungsmaschine nahezu auf Umgebungstemperatur befinden, oder er wird vor dem Eintritt in die Entspannungsmaschine auf deutlich über Umgebungstemperatur angewärmt ("Hot Gas Expander").
  • Bei beiden Varianten der Erfindung kann der Drosselstrom unter einem höheren Druck als der Turbinenstromstehen, das heißt der Turbinenstrom steht bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher unter dem zweiten Druck und der Drosselstrom bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher unter einem dritten Druck, der gleich dem zweiten Druck oder höher als der zweite Druck ist.
  • Zu der weiteren Nachverdichtung vom zweiten auf den Druck wird bei der zweiten Variante ein zweiter Nachverdichter eingesetzt, der von einer Entspannungsmaschine angetrieben wird, die mit einem Prozessstrom des Verfahrens betrieben wird. Vorzugsweise wird der Nachverdichter, der auf den zweiten Druck führt, von der Entspannungsmaschine angetrieben, die mit dem Turbinenstrom betrieben wird und Prozessstrom, der zum Antrieb des zweiten Nachverdichters genutzt wird, wird durch einen dritten Luftstrom, der auf den Betriebsdruck der Niederdrucksäule entspannt wird (Lachmann-Turbine) oder durch Druckstickstoff aus dem Destilliersäulensystem, insbesondere aus einer Hochdruck- oder Niederdrucksäule gebildet werden. Alternativ können die beiden Antriebe vertauscht werden.
  • In Abwandlung der ersten Variante der Erfinder weist stattdessen der Nachverdichter mindestens zwei Stufen auf und kann auch mit externer Energie angetrieben werden. Die Nachverdichtung auf den zweiten Druck erfolgt dann in mindestens einer ersten Stufe des Nachverdichters; der Drosselstrom stromabwärts der Abzweigung des Turbinenstroms wird mindestens in der letzten Stufe des Nachverdichters auf einen dritten Druck nachverdichtet, der höher als der zweite Druck ist. Die erfindungsgemäßen Schritte der Abkühlung, Entspannung und Anwärmung des Turbinenstroms schaffen so viel zusätzliche Flexibilität, dass eine hohe Effizienz des Verfahrens erreicht werden kann, auch wenn die konstruktionsbedingten Zwischenentnahmedrücke von Nachverdichtern an sich ungünstig sind.
  • Vorzugsweise liegt der Zwischendruck 1,5 bis 5 bar unter dem zweiten Druck, das heißt der Turbinenstrom wird vor dem Eintritt in die Entspannungsmaschine um diese Druckdifferenz entspannt. Diese relativ geringe Drosselung bewirkt bei der niedrigen Temperatur praktisch keinen Energieverlust und erlaubt dennoch die gewünschte Verminderung der Eintrittstemperatur der Entspannungsmaschine.
  • Vorzugsweise weist das Destilliersäulen-System eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule auf, die über einen Hauptkondensator in Wärmeaustauschbeziehung stehen. Der Hauptkondensator ist als Kondensator-Verdampfer ausgebildet. Der Turbinenstrom wird in der Entspannungsmaschine vorzugsweise auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt und mindestens teilweise in die Hochdrucksäule eingespeist.
  • Als flüssiger Produktstrom aus dem Destilliersäulen-System kann ein flüssiger Sauerstoffstrom, ein flüssiger Stickstoffstrom und/oder ein flüssiger Argonstrom eingesetzt werden. Wird mehr als ein Produkt innenverdichtet, müssen selbstverständlich entsprechend viele unabhängige Einrichtungen zur Druckerhöhung (in der Regel Pumpen beziehungsweise Pumpenpaare) und unabhängige Passagen durch den Hauptwärmetauscher vorgesehen werden.
  • Es ist günstig, wenn ein zweiter Luftstrom aus einem anderen Teil des gereinigten Hauptluftstroms gebildet wird und der zweite Luftstrom unter dem ersten Druck im Hauptwärmetauscher abgekühlt und dem Destilliersäulen-System zugeleitet wird. Dieser zweite Luftstrom wird auch als Direktluftstrom bezeichnet. Vorzugsweise wird der Hauptluftstrom - abgesehen von einem kleinen Anteil der gegebenenfalls als Instrumentenluft genutzt wird - genau auf die drei hier genannten Teile aufgeteilt, nämlich Direktluftstrom, Turbinenstrom und Drosselstrom.
  • Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Patentanspruch 11.
  • 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 Ausführungsbeispiel der ersten Variante der Erfindung,
    Figur 2
    ein erstes Ausführungsbeispiel der zweiten Variante der Erfindung mit einer einzigen Turbine,
    Figuren 3 und 4
    zwei weitere Ausführungsbeispiele der zweiten Variante der Erfindung mit jeweils zwei Turbinen.
    Figur 5
    das Wärmeaustauschdiagramm (Temperatur gegen übertragene Enthalpie) bei einem Verfahren nach den Stand der Technik ohne Drosselung des Turbinenstroms und
    Figur 6
    das Wärmeaustauschdiagramm bei dem Verfahren der Figur 2.
  • In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist das Destilliersäulen-System 50 in demjenigen Teil, der zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung dient, eine Hochdrucksäule 14, eine Niederdrucksäule 15 und einen als Kondensator-Verdampfer ausgebildeten Hauptkondensator 16 aus, über den die beiden Säulen in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
  • Atmosphärische Luft wird als Hauptluftstrom über Leitung 1 von einem Luftverdichter 2 angesaugt, dort auf einen ersten Druck gebracht, der etwa dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 14 entspricht, in einer Vorkühlung 3 auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt und einer adsorptiven Luftreinigung 4 zugeführt. Ein erster Teil des gereinigten Hauptluftstroms 5 wird als "erster Luftstrom" 6 in einem Nachverdichter 7 auf einen zweiten Druck von mindestens 50 bar, beispielsweise etwa 60 bar, nachverdichtet. Die Hochdruckluft 8 wird dem warmen Ende eines Hauptwärmetauschers 9 zugeleitet und in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und pseudo-verflüssigt. Die pseudo-verflüssigte Luft wird über Leitung 10 vom kalten Ende des Hauptwärmetauschers abgezogen und anschließend in einen Drosselstrom 11 und einen Turbinenstrom 17 aufgeteilt. Umgekehrt ausgedrückt werden Drossel- und Turbinenstrom nach der gemeinsamen Nachverdichtung 7 auch gemeinsam im Hauptwärmetauscher abgekühlt und pseudo-verflüssigt. (Alternativ könnte der Turbinenstrom 17 etwas oberhalb des kalten Endes des Hauptwärmetauschers 9 entnommen werden - siehe Figur 2.)
  • Der Drosselstrom ("JT-Air") 11 wird in einem Drosselventil 12 auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt und über Leitung 13 mindestens teilweise in flüssigem Zustand in die Hochdrucksäule 14 eingeleitet. Anstelle des Drosselventils 12 kann auch eine Flüssigturbine eingesetzt werden. Ein Teil 43 der Drosselstroms kann sofort wieder aus der Hochdrucksäule abgezogen und nach Abkühlung in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 31 über Leitung 44 der Niederdrucksäule 15 an einer Zwischenstelle zugespeist werden.
  • Der Turbinenstrom 17, der gemeinsam mit dem Drosselstrom pseudo-verflüssigt wurde, wird in einem Drosselventil 18 auf einen Zwischendruck zwischen dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule und dem zweiten Druck entspannt und anschließend wieder dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 zugeleitet. In dem Hauptwärmetauscher wird er wieder auf eine Zwischentemperatur angewärmt, die zwischen 140 und 150 K liegt. Bei dieser Zwischentemperatur wird der Turbinenstrom über Leitung 70 aus dem Hauptwärmetauscher 9 abgezogen und einer Turbine 19 zugeleitet, die in dem Beispiel von einem Generator 20 gebremst wird. In der Turbine 19 wird die Luft arbeitsleistend auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt. Der entspannte Turbinenstrom 21 wird in einen Abscheider (Phasentrenner) 22 eingeleitet, um gegebenenfalls flüssige Anteile abzutrennen. Solche flüssigen Anteile 23 werden über Leitung 24 an geeigneter Stelle in die Niederdrucksäule 15 eingespeist. Der gasförmige Anteil 25 wird über Leitung 26 als gasförmige Einsatzluft ("Feed-Air") in die Hochdrucksäule 14 eingeleitet.
  • Der Rest des gereinigten Hauptluftstroms 5 wird ohne druckverändernde Maßnahmen als Direktluftstrom ("zweiter Luftstrom") 27, 28 durch den Hauptwärmetauscher 9 geführt und strömt weiter über Leitung 26 in die Hochdrucksäule 14.
  • In einer ersten Version des Ausführungsbeispiels (System ohne Argongewinnung - "Systems w/o Argon") strömt flüssiger Rohsauerstoff 29 vom Sumpf der Hochdrucksäule 14 über Leitung 30, Unterkühlungs-Gegenströmer 31 und weiter über Leitung 32 zu einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule. Der gasförmige Kopfstickstoff 33 der Hochdrucksäule 14 wird mindestens zum Teil 34 im Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 16 kondensiert. Ein anderer Teil kann über Leitung 35 durch den Hauptwärmetauscher 9 geführt und schließlich über Leitung 36 als gasförmiges Mitteldruckprodukt (PGAN) abgezogen werden.
  • Der kondensierte Stickstoff 37 aus dem Hauptkondensator 16 wird zu einem ersten Teil 38 als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 14 aufgegeben. Ein zweiter Teil 39 wird im Unterkühlungs-Gegenströmer 31 abgekühlt und über Leitung 40 der Niederdrucksäule 15 als Rücklauf zugeführt.
  • Außerdem kann ein stickstoffangereicherter Strom 41, 42 von einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule 14 über den Unterkühlungs-Gegenströmer 31 zu einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule 15 geleitet werden.
  • Vom Sumpf der Niederdrucksäule kann ein Niederdruck-Sauerstoffprodukt 45 (GOX) direkt gasförmig entnommen, im Hauptwärmetauscher 9 angewärmt und über Leitung 46 als Niederdruckprodukt abgezogen werden.
  • Der als gasförmiges Druckprodukt gewünschte Sauerstoff wird flüssig (LOX) aus der Niederdrucksäule beziehungsweise aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators 16 abgezogen und als ein erster "flüssiger Produktstrom" 47 einer Innenverdichtung zugeführt (IC-LOX, IC = "Internal Compression"). Hierbei wird er mittels einer Sauerstoffpumpe 48 in flüssigem Zustand auf den gewünschten erhöhten Druck (erster erhöhter Druck) gebracht und über Leitung 49 dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 zugeleitet. Im Hauptwärmetauscher 9 wird der flüssige Sauerstoffstrom 49 unter dem erhöhten Druck verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Er verlässt schließlich über Leitung 51 als erstes gasförmiges Druckprodukt (HP-GOX) die Anlage.
  • Falls gewünscht, kann ein weiteres gasförmiges Sauerstoffprodukt 53, 54 (MP-GOX) unter einem Zwischendruck gewonnen werden, der zwischen dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule 15 und dem erhöhten Druck stromabwärts der Pumpe 48 liegt, indem dieser Teil stromabwärts der Pumpe 48 abgezweigt, entsprechend abgedrosselt (52) und schließlich im Hauptwärmetauscher 9 separat verdampft und angewärmt wird. Alternativ oder zusätzlich zu dem oder den innenverdichteten Sauerstoffströmen kann Stickstoff einer Innenverdichtung zugeführt werden. Dazu wird ein dritter Teil 55 des kondensierten Stickstoffs 37 als zweiter "flüssiger Produktstrom" aus dem Hauptkondensator 16 (HP-LIN) in einer Stickstoffpumpe 56 auf einen zweiten erhöhten Druck gebracht, der dem gewünschten Produktdruck entspricht und nicht gleich dem ersten erhöhten Druck sein muss. Der Hochdruckstickstoff wird über Leitung 57, 58 dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 zugeleitet. Im Hauptwärmetauscher 9 wird der flüssige oder überkritische Stickstoffstrom 58 unter dem erhöhten Druck verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Er verlässt schließlich über Leitung 59 als zweites gasförmiges Druckprodukt (HP-GAN) die Anlage.
  • Falls gewünscht, kann ein weiteres gasförmiges Stickstoffprodukt 61, 62 (MP-GAN) unter einem Zwischendruck gewonnen werden, der zwischen dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 16 und dem erhöhten Druck stromabwärts der Pumpe 56 liegt, indem dieser Teil stromabwärts der Pumpe 56 abgezweigt, entsprechend abgedrosselt (60) und schließlich im Hauptwärmetauscher 9 separat verdampft und angewärmt wird.
  • Als weitere Rückströme werden unreiner Stickstoff 63, 64, 65 und unreiner Stickstoff 66, 67, 68 gasförmig aus der Niederdrucksäule 15 abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 31 und weiter im Hauptwärmetauscher 9 angewärmt und als Niederdruckprodukte (GAN, UN2) abgezogen. Schließlich kann ein Teil der Produkte auch flüssig gewonnen werden, zum Beispiel flüssiger Stickstoff (LIN) 69 oder ein Teil des flüssigen Sauerstoffs (LOX) 47 vom Sumpf der Niederdrucksäule 15.
  • Das Verfahren der ersten Version des Ausführungsbeispiels kann beispielsweise auch nur mit einem flüssigen Produktstrom und einem gasförmigen Druckprodukt (zum Beispiel entweder Sauerstoff oder Stickstoff) betrieben werden, oder alternativ mit jeder beliebeigen Kombination der dargestellten flüssig auf Druck gebrachten Ströme 49, 53, 58 und 61.
  • In einer zweiten Version weist das Destilliersäulen-System des Ausführungsbeispiels zusätzlich zu den Einrichtungen für die Stickstoff-Sauerstoff-Trennung einen Argonteil 100 auf, der zur Gewinnung von flüssigem Reinargon (LAR) 105 dient. Der Argonteil weist eine oder mehrere Rohargonsäulen zur Argon-Sauerstoff-Trennung und eine Reinargonsäule zur Argon-Stickstofftrennung, die auf die bekannte Weise betrieben werden. Das untere Ende der Rohargonsäule kommuniziert über die Leitungen 101 und 102 mit einem Zwischenbereich der.Niederdrucksäule 15. Der flüssige Rohsauerstoff 29 aus der Hochdrucksäule 11 wird in diesem Fall über die Leitung 129 ("Systems with Argon") in den Argon-Teil geleitet und insbesondere mindestens teilweise in dem Kopfkondensator der Rohargonsäule(n) teilweise verdampft (nicht dargestellt). Der mindestens teilweise verdampfte Rohsauerstoff wird über Leitung 103 in die Niederdrucksäule 15 eingespeist, der flüssig verbliebene über Leitung 132. Aus dem Argon-Teil 100 wird außerdem ein gasförmiger Reststrom (Waste) 104 abgezogen.
  • Alternativ oder zusätzlich zu den bei der ersten Version beschriebenen Innenverdichtungsprodukten kann das flüssige Reinargon 105 einer Innenverdichtung zugeführt werden, indem es als dritter "flüssiger Produktstrom" in einer Argonpumpe 106 auf einen dritten erhöhten Druck gebracht, der dem gewünschten Produktdruck entspricht und nicht gleich dem ersten und/oder zweiten erhöhten Druck sein muss. Das Hochdruckargon wird über Leitung 107 dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 zugeleitet. Im Hauptwärmetauscher 9 wird der Argonstrom 107 unter dem erhöhten Druck verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Er verlässt schließlich über Leitung 108 als drittes gasförmiges Druckprodukt (HP-GAR) die Anlage.
  • Der Hauptwärmetauscher kann jeweils integriert oder gesplittet ausgeführt werden, die Zeichnungen zeigen nur die Grundfunktion des Tauschers - warme Ströme werden durch kalte gekühlt.
  • Figur 2 entspricht in weiten Teilen Figur 1. Daher wurden für die oben bereits erläuterten Verfahrensschritte und Apparateteile dieselben Bezugszeichen verwendet, und der Luftverdichter, die Luftreinigung und das Destilliersäulen-System sind in Figur 2 nicht dargestellt.
  • Der wesentliche Unterschied zu Figur 1 ist der höhere Austrittsdruck des Luftverdichters ("erster Druck"), der in Figur 2 deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt und in dem konkreten Beispiel 17 bar beträgt. Aus diesem Grunde fehlt auch der Direktluftstrom (27 in Figur 1). Vielmehr wird die Gesamtluft 8 stromabwärts des Nachverdichters 7 unter etwa 22 bar ("zweiter Druck") bei 203 auf den Turbinenstrom 10 und den Drosselstrom 11 aufgeteilt. (In Figur 2 könnte die Abkühlung von Turbinen- und Drosselstrom auch gemeinsam vorgenommen werden, wobei die Aufteilung im Inneren des Hauptwärmetauschers 9 kurz vor dessen kaltem Ende vorgenommen werden könnte.) Die Temperatur des Turbinenstroms 17 vor der Drosselung 18 liegt in dem Beispiel 1 K bis 50 K oberhalb der Temperatur des kalten Endes, also der Temperatur, bei welcher der Drosselstrom 11 den Hauptwärmetauscher verlässt. (Alternativ könnte der Turbinenstrom auch - wie in Figur 1 gezeigt - bis zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 geführt werden.)
  • Darüber hinaus ist in Figur 2 der Nachkühler 202 des Nachverdichters 7 dargestellt, der auch in dem Verfahren nach Figur 1 verwendet wird, aber in der dortigen Zeichnung nicht gezeigt ist. Das Bezugszeichen 201 deutet die fakultative Abkühlung des Hauptluftstroms 5 stromaufwärts des Nachverdichters 7 im Hauptwärmetauscher 9 an.
  • Figur 3 unterscheidet sich von Figur 3 durch eine zweite Entspannungsmaschine 319, die einen zweiten Nachverdichter 304 mit Nachkühler 305. Die Verzweigung in Turbinenstrom und Drosselstrom findet hier im Warmen bei 303 statt, wobei der Drosselstrom in dem zweiten Nachverdichter 304 von dem zweiten Druck (hier beispielsweise 22 bar) auf einen dritten Druck (hier beispielsweise 25 bar) nachverdichtet wird, Der Nachkühler 302 hinter dem ersten Nachverdichter 7 kann weggelassen werden, wenn die Vorkühlung 201 des Hauptluftstroms genutzt wird.
  • Der Protzesstrom 270, mit dem die zweite Entspannungsmaschine betrieben wird, kann durch einen der folgenden Ströme gebildet werden:
    • Teilstrom des Turbinenstroms 70 (In diesem Fall wird der entspannte Strom 325 mit dem Strom 25 aus der ersten Entspannungsmaschine vermischt (beide Entspannungsmaschinen parallel).
    • Weiterer Luftstrom, der unter dem Eintrittsdruck des ersten Nachverdichters 7 oder unter dem Austrittsdruck des ersten 7 oder zweiten 304 Nachverdichters bei einer Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher entnommen und stromabwärts der Entspannungsmaschine 319 in die Niederdrucksäule oder in die Hochdrucksäule (15 bzw. 14 in Figur 1) eingespeist wird (Lachmann- oder zweite Claude-Turbine).
    • Druckstickstoffstrom (35, 64, 67 in Figur 1 oder jeweils ein Teilstrom davon) aus der Hochdrucksäule oder der Niederdrucksäule.
  • Alternativ kann die Kopplung zwischen den Turbinen 19, 319 und den Nachverdichtern 7, 304 auch umgekehrt wie in Figur 3 dargestellt sein.
  • Figur 4 unterscheidet sich dadurch von Figur 3, dass der zweite Nachverdichter 403, der nur den Drosselstrom nachverdichtet, als Kaltverdichter ausgebildet ist.
  • In den Figuren 5 (zum Stand der Technik) und 6 (zu Figur 2) ist die Wirkung der erfindungsgemäßen Drosselung stromaufwärts der Entspannungsmaschine am H-T-Diagramm des Hauptwärmetauschers abzulesen. In Figur 6 liegt die Turbineneintrittstemperatur (Strom 70 in Figur 2, Punkt Tin in den Figuren 5 und 6) deutlich niedriger als Figur 5. Die Kurven der abzukühlenden Ströme (oben) und der anzuwärmenden Ströme (unten) liegen wesentlich näher beieinander; entsprechen geringer sind die Austauschverluste.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System (50), das mindestens eine Trennsäule (14, 15) aufweist, bei dem
    - ein Hauptluftstrom (1, 5) in einem Luftverdichter (2) auf einen ersten Druck verdichtet und in anschließend einer Reinigungsvorrichtung (4) gereinigt wird,
    - ein erster Luftstrom (6), der aus mindestens einem Teil des gereinigten Hauptluftstroms (5) gebildet wird, in einem Nachverdichter (7) auf einen zweiten Druck nachverdichtet wird, der höher als der erste Druck ist,
    - aus dem nachverdichteten ersten Luftstrom (10) ein Drosselstrom (11) und ein Turbinenstrom (18, 70, 21) abgezweigt werden,
    - der Drosselstrom (11) in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt und einer Entspannungseinrichtung (12) zugeführt wird,
    - der entspannte Drosselstrom (13) in das Destilliersäulen-System (50) eingeleitet wird,
    - der Turbinenstrom (70) in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und unter einer Zwischentemperatur des Hauptwärmetauschers (9) in eine Entspannungsmaschine (19) eingeleitet und dort arbeitsleistend entspannt wird,
    - der arbeitsleistend entspannte Turbinenstrom (21) mindestens teilweise in das Destilliersäulen-System (50) eingeleitet wird,
    - ein flüssiger Produktstrom (47; 55; 105) aus dem Destilliersäulen-System (50) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (48; 56; 106) und unter diesem erhöhten Druck durch indirekten Wärmeaustausch (9) mit dem Drosselstrom verdampft oder pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiger Produktstrom (51; 59; 108) abgezogen wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Turbinenstrom in dem Hauptwärmetauscher (9) so weit abgekühlt wird, dass - falls der Druck des Turbinenstroms unterkritisch ist - die Taupunkttemperatur oder eine niedrigere Temperatur erreicht wird, oder - falls der Druck des Turbinenstroms unterkritisch ist - der Turbinenstrom pseudo-verflüssigt wird,
    - der mindestens auf Tautemperatur abgekühlte oder pseudoverflüssigteTurbinenstrom (17) auf einen Zwischendruck entspannt (18) wird, der unterhalb des zweiten Drucks liegt und
    - der auf den Zwischendruck entspannte Turbinenstrom in dem Hauptwärmetauscher (9) auf die Zwischentemperatur angewärmt wird, bevor er der Entspannungsmaschine (19) zugeleitet (70) wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachverdichter (7) mit externer Energie angetrieben wird und sowohl der Drosselstrom (11) als auch der Turbinenstrom (17) bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher (9) unter dem zweiten Druck stehen, wobei der Zwischendruck insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Druck liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachverdichter (7) von einer Entspannungsmaschine (19) angetrieben wird, die mit einem Prozessstrom des Verfahrens betrieben wird, insbesondere von der Entspannungsmaschine (19), die mit dem Turbinenstrom (70) betrieben wird, wobei der Luftverdichter die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft darstellt.
  4. Verfahren nach Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenstrom (17) bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher (9) unter dem zweiten Druck steht und der Drosselstrom (11) bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher (9) unter einem dritten Druck steht, der gleich dem zweiten Druck oder höher als der zweite Druck ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischendruck 1,5 bis 5 bar unter dem zweiten Druck liegt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System (50) eine Hochdrucksäule (14) und eine Niederdrucksäule (15) aufweist, die über einen Hauptkondensator (16) in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Sauerstoffstrom (47) aus der Niederdrucksäule (15) oder dem Hauptkondensator (16) entnommen und als flüssiger Produktstrom eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Stickstoffstrom (55) aus der Hochdrucksäule (14) oder dem Hauptkondensator (16) entnommen und als flüssiger Produktstrom eingesetzt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Argonstrom (105) aus dem Destilliersäulen-System (50) entnommen und als flüssiger Produktstrom eingesetzt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Luftstrom (27) aus einem anderen Teil des gereinigten Hauptluftstroms (5) gebildet wird und der zweite Luftstrom (27) unter dem ersten Druck im Hauptwärmetauscher (9) abgekühlt und dem Destilliersäulen-System (50) zugeleitet wird.
  11. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System (50), das mindestens eine Trennsäule (14, 15) aufweist,
    - mit einem Luftverdichter (2) zum Verdichten eines Hauptluftstroms (1) auf einen ersten Druck
    - mit einer Reinigungsvorrichtung (4) zur Reinigung des auf den ersten Druck verdichteten Hauptluftstroms (1),
    - mit einem Nachverdichter (7) zum Verdichten eines ersten Luftstrom (6), der aus mindestens einem Teil des gereinigten Hauptluftstroms (5) gebildet wird, auf einen zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist,
    - mit Mitteln zum Abzweigen eines Drosselstroms (11) und eines Turbinenstroms (18, 70, 21) aus dem abgekühlten nachverdichteten ersten Luftstrom (10),
    - mit einem Hauptwärmetauscher (9) zum Abkühlen des Drosselstroms (11) und des Turbinenstroms (18, 70, 21),
    - mit Mitteln zum Verflüssigen oder Pseudo-Verflüssigen des Drosselstroms (11) in dem Hauptwärmetauscher,
    - mit einer Entspannungseinrichtung (12) zum Entspannen des verflüssigten oder pseudo-verflüssigten Drosselstroms (11),
    - mit Mitteln zum Einleiten des entspannten Drosselstroms (13) in das Destilliersäulen-System (50),
    - mit Mitteln zur Einleitung des Turbinenstroms (70) unter einer Zwischentemperatur des Hauptwärmetauschers (9) in eine Entspannungsmaschine (19) zur arbeitsleistenden Entspannung des Turbinenstroms (70),
    - mit Mitteln zur Einleitung des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms (21) in das Destilliersäulen-System (50),
    - mit Mitteln zum Entnehmen eines flüssigen Produktstroms (47; 55; 105) aus dem Destilliersäulen-System (50), zur Erhöhung dessen Drucks in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck (48; 56; 106) und zur Verdampfung oder Pseudo-Verdampfung unter diesem erhöhten Druck durch indirekten Wärmeaustausch (9) mit dem Drosselstrom und mit Mitteln zum Abziehen des (pseudo-)verdampften Produktstroms als gasförmigen Produktstrom (51; 59; 108),
    gekennzeichnet durch
    - Mittel zum Abziehen des Turbinenstroms aus dem Hauptwärmetauscher (9) an einer Stelle, an der im Betrieb der Vorrichtung - falls der Druck des Turbinenstrom unterkritisch ist - etwa die Taupunkttemperatur des Turbinenstroms oder eine niedrigere Temperatur erreicht ist beziehungsweisefalls der Druck des Turbinenstroms unterkritisch ist - der Turbinenstrom pseudo-verflüssigt ist,
    - Mittel zum Entspannen (18) des aus dem Hauptwärmetauscher (9) abgezogenen Turbinenstroms (17) auf einen Zwischendruck, der unterhalb des zweiten Drucks liegt, und durch
    - Mittel zum Anwärmen des auf den Zwischendruck entspannten Turbinenstrom in dem Hauptwärmetauscher (9) auf die Zwischentemperatur, wobei diese Mittel stromaufwärts der Entspannungsmaschine (19) angeordnet sind.
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