EP2312247A1 - Method and device for generating liquid nitrogen from low temperature air separation - Google Patents

Method and device for generating liquid nitrogen from low temperature air separation Download PDF

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EP2312247A1
EP2312247A1 EP10013337A EP10013337A EP2312247A1 EP 2312247 A1 EP2312247 A1 EP 2312247A1 EP 10013337 A EP10013337 A EP 10013337A EP 10013337 A EP10013337 A EP 10013337A EP 2312247 A1 EP2312247 A1 EP 2312247A1
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EP
European Patent Office
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pressure column
pressure
low
nitrogen
top condenser
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10013337A
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German (de)
French (fr)
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Alexander Alekseev
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1.
  • the "first pressure”, in which the feed air is cleaned for example, 5 to 12 bar, preferably 5.5 to 7.0 bar. He is about equal to the operating pressure of the high pressure column or is slightly above.
  • the "second pressure" is well above the first pressure. It is for example at least 50 bar, in particular 50 to 80 bar, preferably 55 to 70 bar.
  • the "main heat exchanger” may be formed of one or more parallel and / or serially connected heat exchanger sections, for example one or more plate heat exchanger blocks.
  • distillation column system for nitrogen-oxygen separation has exactly two distillation columns, namely a high-pressure column and a low-pressure column (30). Other distillation columns for nitrogen-oxygen separation do not exist in the system. Further distillation columns for other separation tasks, for example for the noble gas production can be provided in principle. Preferably, however, the invention relates to methods and devices which have no further separation columns apart from the high-pressure column and the low-pressure column.
  • the "nitrogen-oxygen separation distillation column system” also includes a single high-pressure column top condenser for liquefying overhead gas of the high-pressure column, which is designed as a condenser-evaporator and has a liquefaction space and a single evaporation space.
  • the high-pressure column head condenser has only a single evaporation space, that is, all parts of the evaporation space are in communication with each other.
  • the high-pressure column top condenser does not use multiple cooling media operated different composition, but preferably only with a single cooling medium.
  • the high-pressure column top condenser also has only a single liquefaction space, in which at least part of the top gas of the high-pressure column becomes liquefied.
  • the "choke flow” is cooled in the main heat exchanger by indirect heat exchange and liquefied or - at supercritical pressure - pseudo-liquefied.
  • the relaxation of the inductor current prior to its introduction into the denitration system for nitrogen-oxygen separation is usually carried out in a throttle valve; Alternatively, a work-performing relaxation can be made in a liquid turbine. In the relaxation of the inductor current creates a two-phase mixture, which consists predominantly of liquid.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method of the type mentioned above and a corresponding device, which have a very low energy consumption. In this case, the expenditure on equipment should be kept within limits.
  • the high-pressure column top condenser is not cooled with a throttled air flow, but with bottom liquid from the high-pressure column.
  • the invention has the advantage that a fraction having a constant composition (and thus a constant boiling temperature) is used on the evaporation side of the high-pressure column top condenser. Especially with changing load (underload / overload), this results in a particularly stable operation of the columns. Even if the composition of the fractions in the columns changes during a load change, the head temperature of the high-pressure column remains constant and the operating pressures of the columns need not be readjusted.
  • liquid air from the reactor flow (about 21 mol% oxygen content) boils at a lower temperature than the bottom liquid of the high-pressure column (minimum 32 mol%, usually 36 to 40 mol% oxygen content), so that the operating pressure of the high-pressure column at the Invention are kept relatively low and the process works energetically particularly favorable.
  • the relaxed throttle flow can be fed directly or indirectly into the evaporation chamber of the high-pressure column top condenser.
  • the refrigerant flow is introduced immediately downstream of the expansion of the throttle flow directly into the evaporation space of the high-pressure column top condenser.
  • the refrigerant flow can be formed by the entire throttle flow or by a part which is branched off immediately after the relaxation.
  • the phase separation is carried out at an intermediate point of the high-pressure column.
  • the inductor current (or a part thereof) at an intermediate point in the High pressure column introduced and the refrigerant flow from a arranged at this intermediate point collecting device for liquid (for example cup) again taken.
  • the intermediate point is, for example, immediately above the sixth to twelfth, preferably the eighth to the eleventh theoretical bottom from below with a total circumference of, for example 40 to 90, preferably 40 to 60 theoretical plates in the high pressure column (depending on the desired product purity).
  • the cold required for the product liquefaction is generated in a two-turbine air cycle, as described in claim 4.
  • the two expansion machines are usually formed by expansion turbines. They preferably have the same inlet pressure (at the level of the intermediate pressure or above) and / or the same outlet pressure (at the level of the first pressure).
  • the mechanical energy generated in the expansion machines is transmitted by mechanical coupling to two serial booster in which a portion of the air from the intermediate pressure to the high pressure is further compressed, as is the subject of claim 5.
  • the high pressure stream can then be used as a throttle current; alternatively or additionally, the two turbine streams are formed by the high-pressure stream; In this case, the refrigeration and thus the liquid production can be further increased, without having to be supplied with energy from the outside.
  • the entire cold used in the high-pressure column top condenser is provided by the refrigerant flow.
  • the refrigerant flow formed from the throttle flow thus represents the some feed stream for the evaporation space of the high-pressure column top condenser.
  • the vapor generated in the evaporation chamber of the high-pressure column head condenser can be introduced into the low-pressure column, in particular at its bottom. He serves there as ascending steam, preferably it forms the entire rising in the low pressure column steam.
  • neither the high-pressure column nor the low-pressure column have a reboiler for producing ascending vapor from liquid of the corresponding column.
  • At least part of the liquid obtained in the liquefaction space of the high-pressure column overhead condenser can be introduced into the low-pressure column and further separated there.
  • a liquid crude oxygen stream from the bottom of the high-pressure column is preferably introduced into the low-pressure column.
  • a decomposition air flow which is formed by another part of the purified feed air, is introduced in a gaseous state into the high-pressure column, in particular at its bottom.
  • the decomposition airflow may be formed by a portion of the two turbine streams downstream of the work-performing expansion.
  • At least 50 mol%, especially 50 to 60 mol%, of the total amount of feed air introduced into the nitrogen-oxygen separation distillation column system is introduced in the liquid state distillation column system for nitrogen-oxygen separation ,
  • the invention also relates to a process for the recovery of liquid nitrogen by cryogenic air separation according to claim 14.
  • FIG. 1 is divided by three dashed rectangles into the process parts pretreatment of air, refrigeration system and distillation column system for nitrogen-oxygen separation (from left to right).
  • the incoming air 1 is fed via a filter 2 to a main air compressor 3 and there compressed to a first pressure of 5.5 to 7.0 bar and cooled in a pre-cooler 4 back to about ambient temperature, for example by indirect heat exchange in a heat exchanger or through direct heat exchange in a direct contact cooler.
  • the precooled air is purified under the first pressure in a purifier 5 containing molecular sieve adsorber.
  • the purified air 6 (AIR) is supplied to the refrigeration system, which serves to cool the feed air and to generate liquefaction refrigeration.
  • the purified feed air 6 is first at least partially mixed with a recycle stream 7 to a circulation stream 8.
  • the circulation stream 8 is further compressed in a cycle compressor 9 with aftercooler 10 to an intermediate pressure of 30 to 40 bar.
  • the entire intermediate compressed air 11 is further compressed in two serially connected after-compressors 12, 14 to a high pressure of at least 50 bar, in particular between 50 and 80 bar, preferably to 55 to 70 bar.
  • the after-compressors 12, 14 are each followed by an after-cooler 13, 15.
  • the high-pressure air 16 is divided into two partial streams 17, 18.
  • the first partial flow 17 includes a throttle flow and a first turbine flow, which enter together in the warm end of a main heat exchanger 19 and are cooled to a first intermediate temperature which is between ambient temperature and dew point of the air. At this intermediate temperature, the first turbine stream 20 is branched off from the first partial stream. The remainder is further cooled to the cold end in the main heat exchanger and pseudo-liquefied and forms the inductor 21, which comprises slightly more than half of the total amount of air 1.
  • the first Turbine stream 20 is in a first (cold) turbine 22 working to relax to about the first pressure and to a temperature which is a few degrees above the tau.
  • the expanded first turbine stream 23 is completely or substantially completely gaseous and forms a gaseous decomposition air stream 24 to a first part.
  • the remainder 25 is supplied to the cold end of the main heat exchanger 19 and reheated to approximately ambient temperature.
  • the second partial flow of the high-pressure air 16 forms a second turbine stream 18. This is expanded from about ambient temperature and the high pressure in a second (warm) turbine 26 work, also about the first pressure.
  • the relaxed second turbine stream 27 re-enters the main heat exchanger 19 at a second intermediate temperature where it is combined with the part 25 of the expanded first substream 23 to form the recycle stream 7 and recycled to the cycle compressor 9.
  • the operating pressure of the high-pressure column 28 is between 5.5 and 7.0 bar.
  • the decomposition air stream 24 is fed in gaseous form directly at the bottom of the high-pressure column 28.
  • the throttle flow 21 is expanded in a throttle valve 32 to a pressure of below 4 bar and completely introduced as a refrigerant flow 33 in the evaporation chamber of the high-pressure column top condenser.
  • the head gas 34 of the high-pressure column 28 consists of virtually pure nitrogen and is led to a first part 35 (in a molar amount which is slightly less than half of the incoming air quantity 1) in the liquefaction space of the high-pressure column top condenser 29 and there substantially completely liquefied.
  • Liquid 36 produced in the high-pressure column overhead condenser is fed to a first part 37 as reflux to the high-pressure column 28.
  • the remainder 38 is cooled after cooling in a subcooling countercurrent 39 and fed via a throttle valve 40 as reflux to the low pressure column 30, which is operated at a pressure below 4 bar.
  • the accumulating in the bottom of the high pressure column 28 liquid is as a liquid crude oxygen stream 41 on the Subcooling countercurrent 39 and a throttle valve 42 is fed into the evaporation space of the low-pressure column top condenser 31.
  • the refrigerant flow 33 is almost completely evaporated in the high-pressure column top condenser, only a relatively small amount, required for rinsing and regulating, is removed in liquid form.
  • the vapor 43 generated in the evaporation space of the high-pressure column overhead condenser 29 is introduced directly into the bottom region of the low-pressure column 30.
  • the liquid remaining fraction 44 from the evaporation space of the high-pressure column top condenser 29 is guided via a throttle valve 45 into the evaporation space of the low-pressure column top condenser 31.
  • the oxygen-enriched liquid 80 which accumulates in the bottom of the low-pressure column 30, is also introduced into the evaporation space of the low-pressure column top condenser 31 after being supercooled in the subcooling countercurrent 39 and throttling.
  • the top nitrogen 46 of the low-pressure column 30 is guided into the liquefaction space of the low-pressure column top condenser 31 and is substantially completely liquefied there.
  • the liquid obtained in the sump of the high-pressure column 28 is fed as liquid crude oxygen stream 41 via the subcooling countercurrent 39 and a throttle valve 42 into the evaporation chamber of the low-pressure column top condenser 31, which is under a pressure of 1.4 to 1.6 bar.
  • the cold gas from the low pressure column top condenser 31 is first passed through the subcooling countercurrent 39 thereby cooling the liquids. Thereafter, it flows via lines 56 and 57 to the main heat exchanger and cools the warm air streams there. Via line 62 and the low-pressure column top condenser 31 is flushed by a small amount of liquid (purge) is removed.
  • the residual gas 57/58 (Waste / Reg gas) is discharged in hot directly (60) or indirectly (61) after use as a regeneration gas 59 in the cleaning device 5 in the environment (amb).
  • the liquid 47 from the liquefaction space of the low-pressure column top condenser 31 is returned to a first part 48 as reflux to the first Low pressure column 30 abandoned.
  • the residue 49, 51 is available at a pressure of more than 3 bar as a liquid nitrogen product (LlN to storage) and is stored in a liquid tank, not shown.
  • By throttling 53 a small subset 52 it is possible to subcool the liquid nitrogen 49, 51 in a nitrogen subcooler 50.
  • the thereby evaporated nitrogen 54 is mixed with the residual gas 56 from the low-pressure column top condenser 31 (Waste).
  • a small amount of the top gas 35 of the high-pressure column 28 can be obtained as compressed nitrogen product 63, 64 in gaseous form.
  • This fraction (PGAN) from the high-pressure column 28 is also passed through the main heat exchanger 19 and helps to cool the warm air streams.
  • the throttling flow 21 in the throttle valve 232 is initially only expanded up to the operating pressure of the high-pressure column 28 and fed to it at an intermediate point. In the high pressure column, a phase separation takes place. At least a portion of the liquid portion of the expanded throttle flow is then introduced as refrigerant stream 270, 233 into the evaporation space of the high-pressure column top condenser after corresponding further throttling 271. The gaseous portion of the throttle flow 21 is thus available as ascending vapor in the high-pressure column 28.
  • FIGS. 3 to 7 various circuits of the refrigeration system are shown, each with in the FIGS. 1 and 2 described distillation column systems can be combined.
  • FIG. 3 represents only an enlarged detail of FIG. 1
  • This variant has the advantage that the warm turbine 26 is relaxed by a particularly high pressure (the high pressure under which the throttle flow 21 is also located) and correspondingly higher temperature. Pre-cooling of the second turbine stream 18 in the main heat exchanger 19 is not required in this case. It takes no line from the main heat exchanger 19 to the hot turbine 26, the heat exchanger is simple and inexpensive to manufacture.
  • the inlet pressure of the second (warm) turbine 26 is lower and is at the level of the intermediate pressure.
  • the second turbine stream 518 is already branched off upstream of the two secondary compressors 12, 14 from the circulating stream 11 compressed to the intermediate pressure, precooled in the main heat exchanger 19 and finally fed to the turbine 26.
  • the main heat exchanger 19 is additionally cooled by a refrigerator 666.
  • a chiller can also in the variant of FIG. 4 be supplemented.

Abstract

The liquid nitrogen obtaining method involves expanding liquefied or pseudoliquefied throttle stream before introducing into evaporation compartment of high-pressure column top condenser (29). Overhead gas (34) flows into liquefaction compartment of high-pressure column top condenser. Overhead nitrogen (46) flows into liquefaction compartment of low-pressure column top condenser (31), and oxygen-enriched liquid is supplied into evaporation compartment of low-pressure column top condenser. Nitrogen product (64) is generated in low pressure column (30) and then removed as liquid product. An independent claim is included for the device for obtaining liquid nitrogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1.

Der "erste Druck", bei dem die Einsatzluft gereinigt wird, beträgt beispielsweise 5 bis 12 bar, vorzugsweise 5,5 bis 7,0 bar. Er ist etwa gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule oder liegt etwas darüber.The "first pressure", in which the feed air is cleaned, for example, 5 to 12 bar, preferably 5.5 to 7.0 bar. He is about equal to the operating pressure of the high pressure column or is slightly above.

Der "zweite Druck" liegt deutlich über dem ersten Druck. Er beträgt beispielsweise mindestens 50 bar, insbesondere 50 bis 80 bar, vorzugsweise 55 bis 70 bar.The "second pressure" is well above the first pressure. It is for example at least 50 bar, in particular 50 to 80 bar, preferably 55 to 70 bar.

Der "Hauptwärmetauscher" kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken.The "main heat exchanger" may be formed of one or more parallel and / or serially connected heat exchanger sections, for example one or more plate heat exchanger blocks.

Das "Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung" weist genau zwei Destilliersäulen auf, nämlich eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule (30). Weitere Destilliersäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung existieren in dem System nicht. Weitere Destilliersäulen für andere Trennaufgaben, beispielsweise zur Edelgasgewinnung können grundsätzlich vorgesehen sein. Vorzugsweise betrifft die Erfindung jedoch Verfahren und Vorrichtungen, die außer der Hochdrucksäule und der Niederdrucksäule überhaupt keine weiteren Trennsäulen aufweisen.The "distillation column system for nitrogen-oxygen separation" has exactly two distillation columns, namely a high-pressure column and a low-pressure column (30). Other distillation columns for nitrogen-oxygen separation do not exist in the system. Further distillation columns for other separation tasks, for example for the noble gas production can be provided in principle. Preferably, however, the invention relates to methods and devices which have no further separation columns apart from the high-pressure column and the low-pressure column.

Außerdem umfasst das "Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung" auch einen einzigen Hochdrucksäulen-Kopfkondensator zur Verflüssigung von Kopfgas der Hochdrucksäule, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und einen Verflüssigungsraum und einen einzigen Verdampfungsraum aufweist, Bei dem Verfahren und der Vorrichtung werden also keine weiteren Kondensatoren zur Verflüssigung von Kopfgas der Hochdrucksäule eingesetzt. Der Hochdrucksäulen-Kopfkondensator weist nur einen einzigen Verdampfungsraum auf, das heißt alle Teile des Verdampfungsraums stehen miteinander in Kommunikation. Der Hochdrucksäulen-Kopfkondensator wird insbesondere nicht mit mehreren Kühlmedien verschiedener Zusammensetzung betrieben, sondern vorzugsweise nur mit einem einzigen Kühlmedium. Im Regelfall weist der Hochdrucksäulen-Kopfkondensator auch nur einen einzigen Verflüssigungsraum auf, in dem mindestens ein Teil des Kopfgases der Hochdrucksäule verflüssig wird.In addition, the "nitrogen-oxygen separation distillation column system" also includes a single high-pressure column top condenser for liquefying overhead gas of the high-pressure column, which is designed as a condenser-evaporator and has a liquefaction space and a single evaporation space. In the method and apparatus So no other condensers for liquefaction of top gas of the high pressure column used. The high-pressure column head condenser has only a single evaporation space, that is, all parts of the evaporation space are in communication with each other. In particular, the high-pressure column top condenser does not use multiple cooling media operated different composition, but preferably only with a single cooling medium. As a rule, the high-pressure column top condenser also has only a single liquefaction space, in which at least part of the top gas of the high-pressure column becomes liquefied.

Der "Drosselstrom" wird in dem Hauptwärmetauscher durch indirekten Wärmeaustausch abgekühlt und verflüssigt oder - bei überkritischem Druck - pseudo-verflüssigt. Die Entspannung des Drosselstroms vor seiner Einleitung in das Destittiersäuten-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung wird üblicherweise in einem Drosselventil durchgeführt; alternativ kann eine arbeitsleistende Entspannung in einer Flüssigturbine vorgenommen werden. Bei der Entspannung des Drosselstroms entsteht ein Zwei-Phasen-Gemisch, das überwiegend aus Flüssigkeit besteht.The "choke flow" is cooled in the main heat exchanger by indirect heat exchange and liquefied or - at supercritical pressure - pseudo-liquefied. The relaxation of the inductor current prior to its introduction into the denitration system for nitrogen-oxygen separation is usually carried out in a throttle valve; Alternatively, a work-performing relaxation can be made in a liquid turbine. In the relaxation of the inductor current creates a two-phase mixture, which consists predominantly of liquid.

Derartige Flüssigstickstoffverfahren, bei denen Kälte in einem Hauptwärmetauscher auf einen unter sehr hohem Druck stehenden Luftstrom (den "Drosselstrom") übertragen wird, sind aus EP 316768 A2 (Figur 1), US 5660059 oder DE 102004046344 bekannt. Alle diese Verfahren weisen ein konventionelles Zwei-Säulen-System auf, bei denen der Hochdrucksäulen-Köpfkondensatör (Hauptkondensator) durch die Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule gekühlt wird.Such liquid nitrogen processes in which cold is transferred in a main heat exchanger to a very high pressure air flow (the "choke flow") are out EP 316768 A2 ( FIG. 1 ) US 5660059 or DE 102004046344 known. All of these methods have a conventional two-column system in which the high pressure column overhead condenser (main condenser) is cooled by the bottoms liquid of the low pressure column.

Nachteil dieser bekannten Verfahren ist die hohe Vorverflüssigung der in das Destilliersäulen-System eingeleiteten Luft. Dies führt zu einer verminderten Trennleistung und damit zu einem relativ hohen Energieverbrauch des Systems.Disadvantage of these known methods is the high pre-liquefaction of the introduced into the distillation column system air. This leads to a reduced separation efficiency and thus to a relatively high energy consumption of the system.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die einen besonders geringen Energieverbrauch aufweisen. Dabei soll der apparative Aufwand in Grenzen gehalten werden.The invention is therefore based on the object to provide a method of the type mentioned above and a corresponding device, which have a very low energy consumption. In this case, the expenditure on equipment should be kept within limits.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst, also durch ein Verfahren, bei dem die klassische Doppelsäule durch zwei Säulen ersetzt wird, die beide einen Kopfkondensator aufweisen. Dabei wird der entspannte Drosselstrom mindestens teilweise in den Hochdrucksäulen-Kopfkondensator eingeleitet und bewirkt dort die Erzeugung von flüssigem Stickstoff, der als Rücklauf auf die Hochdrucksäule und/oder die Niederdrucksäule aufgegeben und/oder direkt als Druckflüssigprodukt gewonnen werden kann. Auf diese Weise wird die in dem Drosselstrom enthaltene Kälte besonders effizient eingesetzt und es ergibt sich ein besonders niedriger Energieverbrauch.This object is achieved by the features of the characterizing part of patent claim 1, that is by a method in which the classic double column is replaced by two columns, both having a top condenser. In this case, the relaxed throttle flow is at least partially introduced into the high-pressure column top condenser and there causes the production of liquid nitrogen, which is used as reflux to the high-pressure column and / or Low pressure column abandoned and / or can be obtained directly as a pressure liquid product. In this way, the cold contained in the inductor current is used particularly efficiently and results in a particularly low energy consumption.

Derartige Säulensysteme sind zwar an sich bekannt, zum Beispiel aus US 6499312 . Bei diesen bekannten Verfahren wird der Hochdrucksäulen-Kopfkondensator aber nicht mit einem Drosselluftstrom gekühlt, sondern mit Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule. Demgegenüber weist die Erfindung den Vorteil auf, dass eine Fraktion mit konstanter Zusammensetzung (und damit konstanter Siedetemperatur) auf der Verdampfungsseite des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators eingesetzt wird. Insbesondere bei wechselnder Last (Unterlast/Überlast) ergibt sich damit ein besonders stabiler Betrieb der Kolonnen. Auch wenn sich bei einer Laständerung die Zusammensetzung der Fraktionen in den Säulen ändert, bleibt die Kopftemperatur der Hochdrucksäule konstant und die Betriebsdrücke der Säulen müssen nicht nachreguliert werden. Außerdem siedet die Flüssigluft aus dem Drosselstrom (ca. 21 mol-% Sauerstoffgehalt) bei niedrigerer Temperatur als die Sumpfflüssigkeit der Hochdrucksäule (minimal 32 mol-%, in der Regel 36 bis 40 mol-% Sauerstoffgehalt; damit kann der Betriebsdruck der Hochdrucksäule bei der Erfindung relativ niedrig gehalten werden und das Verfahren arbeitet energetisch besonders günstig.Although such column systems are known per se, for example US 6499312 , In these known methods, however, the high-pressure column top condenser is not cooled with a throttled air flow, but with bottom liquid from the high-pressure column. In contrast, the invention has the advantage that a fraction having a constant composition (and thus a constant boiling temperature) is used on the evaporation side of the high-pressure column top condenser. Especially with changing load (underload / overload), this results in a particularly stable operation of the columns. Even if the composition of the fractions in the columns changes during a load change, the head temperature of the high-pressure column remains constant and the operating pressures of the columns need not be readjusted. In addition, the liquid air from the reactor flow (about 21 mol% oxygen content) boils at a lower temperature than the bottom liquid of the high-pressure column (minimum 32 mol%, usually 36 to 40 mol% oxygen content), so that the operating pressure of the high-pressure column at the Invention are kept relatively low and the process works energetically particularly favorable.

Der entspannte Drosselstrom kann dabei direkt oder indirekt in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators eingespeist werden.The relaxed throttle flow can be fed directly or indirectly into the evaporation chamber of the high-pressure column top condenser.

Im ersten Fall wird der Kältemittelstrom unmittelbar stromabwärts der Entspannung des Drosselstroms direkt in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators eingeleitet wird. Der Kältemittelstrom kann dabei durch den gesamten Drosselstrom gebildet werden oder durch einen Teil, der unmittelbar nach der Entspannung abgezweigt wird.In the first case, the refrigerant flow is introduced immediately downstream of the expansion of the throttle flow directly into the evaporation space of the high-pressure column top condenser. The refrigerant flow can be formed by the entire throttle flow or by a part which is branched off immediately after the relaxation.

Alternativ oder zusätzlich wird mindestens ein Teil des entspannten Drosselstroms einer Phasentrennung unterworfen, und der Kältemittelstrom wird durch mindestens einen Teil der Flüssigphase aus der Phasentrennung gebildet. Vorzugsweise wird die Phasentrennung an einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule vorgenommen wird. Hierbei wird der Drosselstrom (oder ein Teil davon) an einer Zwischenstelle in die Hochdrucksäule eingeleitet und der Kältemittelstrom aus einer an dieser Zwischenstelle angeordneten Auffangeinrichtung für Flüssigkeit (zum Beispiel Tasse) wieder entnommen. Die Zwischenstelle befindet sich beispielsweise unmittelbar oberhalb des sechsten bis zwölften, vorzugsweise des achten bis elften theoretischen Bodens von unten bei einem Gesamtumfang von beispielsweise 40 bis 90, vorzugsweise 40 bis 60 theoretischen Böden in der Hochdrucksäule (je nach gewünschter Produktreinheit).Alternatively or additionally, at least part of the relaxed throttle flow is subjected to phase separation, and the refrigerant flow is formed by at least part of the liquid phase from the phase separation. Preferably, the phase separation is carried out at an intermediate point of the high-pressure column. Here, the inductor current (or a part thereof) at an intermediate point in the High pressure column introduced and the refrigerant flow from a arranged at this intermediate point collecting device for liquid (for example cup) again taken. The intermediate point is, for example, immediately above the sixth to twelfth, preferably the eighth to the eleventh theoretical bottom from below with a total circumference of, for example 40 to 90, preferably 40 to 60 theoretical plates in the high pressure column (depending on the desired product purity).

Vorzugsweise wird die für die Produktverflüssigung benötigte Kälte in einem Zwei-Turbinen-Luftkreislauf erzeugt, wie er in Patentanspruch 4 beschrieben ist. Die beiden Entspannungsmaschinen werden im Regelfall durch Expansionsturbinen gebildet. Sie weisen vorzugsweise denselben Eintrittsdruck (auf dem Niveau des Zwischendrucks oder darüber) und/oder denselben Austrittsdruck (auf dem Niveau des ersten Drucks) auf.Preferably, the cold required for the product liquefaction is generated in a two-turbine air cycle, as described in claim 4. The two expansion machines are usually formed by expansion turbines. They preferably have the same inlet pressure (at the level of the intermediate pressure or above) and / or the same outlet pressure (at the level of the first pressure).

Es ist günstig, wenn die in den Entspannungsmaschinen erzeugte mechanische Energie durch mechanische Kopplung an zwei serielle Nachverdichter übertragen wird, in denen ein Teil der Luft von dem Zwischendruck auf den Hochdruck weiterverdichtet wird, wie es Gegenstand des Patentanspruchs 5 ist. Der Hochdruckstrom kann dann als Drosselstrom genutzt werden; alternativ oder zusätzlich werden die beiden Turbinenströme durch den Hochdruckstrom gebildet; in diesem Fall kann die Kälteerzeugung und damit die Flüssigkeitsproduktion weiter erhöht werden, ohne dass Energie von außen zugeführt werden muss.It is advantageous if the mechanical energy generated in the expansion machines is transmitted by mechanical coupling to two serial booster in which a portion of the air from the intermediate pressure to the high pressure is further compressed, as is the subject of claim 5. The high pressure stream can then be used as a throttle current; alternatively or additionally, the two turbine streams are formed by the high-pressure stream; In this case, the refrigeration and thus the liquid production can be further increased, without having to be supplied with energy from the outside.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird dass die gesamte im Hochdrucksäulen-Kopfkondensator eingesetzte Kälte durch den Kältemittelstrom zur Verfügung gestellt. Der aus dem Drosselstrom gebildete Kältemittelstrom stellt also den einigen Einsatzstrom für den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators dar.In a preferred embodiment, the entire cold used in the high-pressure column top condenser is provided by the refrigerant flow. The refrigerant flow formed from the throttle flow thus represents the some feed stream for the evaporation space of the high-pressure column top condenser.

Außerdem kann der im Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators erzeugte Dampf in die Niederdrucksäule eingeleitet werden, insbesondere an deren Sumpf. Er dient dort als aufsteigender Dampf, vorzugsweise bildet er den gesamten in der Niederdrucksäule aufsteigenden Dampf.In addition, the vapor generated in the evaporation chamber of the high-pressure column head condenser can be introduced into the low-pressure column, in particular at its bottom. He serves there as ascending steam, preferably it forms the entire rising in the low pressure column steam.

In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen weder die Hochdrucksäule noch die Niederdrucksäule einen Aufkocher zur Erzeugung von aufsteigendem Dampf aus Flüssigkeit der entsprechenden Säule auf.In a particular embodiment of the process according to the invention, neither the high-pressure column nor the low-pressure column have a reboiler for producing ascending vapor from liquid of the corresponding column.

Ferner ist es günstig, wenn im Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators nur eine teilweise Verdampfung durchgeführt wird und die flüssig verbliebene Fraktion in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators eingeleitet wird. Von letzterem kann eine kleine Spülmenge flüssig abgezogen werden.Furthermore, it is favorable if only a partial evaporation is carried out in the evaporation space of the high-pressure column overhead condenser and the fraction remaining in liquid form is introduced into the evaporation space of the low-pressure column overhead condenser. From the latter, a small flush volume can be withdrawn liquid.

Mindestens ein Teil der im Verflüssigungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators gewonnenen Flüssigkeit kann in die Niederdrucksäule eingeleitet und dort weiter getrennt werden.At least part of the liquid obtained in the liquefaction space of the high-pressure column overhead condenser can be introduced into the low-pressure column and further separated there.

Ein flüssiger Rohsauerstoffstrom vom Sumpf der Hochdrucksäule wird vorzugsweise in die Niederdrucksäule eingeleitet.A liquid crude oxygen stream from the bottom of the high-pressure column is preferably introduced into the low-pressure column.

Zusätzlich zum Drosselstrom wird ein Zerlegungsluftstrom, der durch einen anderen Teil der gereinigten Einsatzluft gebildet wird, in gasförmigem Zustand in die Hochdrucksäule eingeleitet, insbesondere an deren Sumpf. Der Zerlegungsluftstrom kann durch einen Teil der beiden Turbinenströme stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung gebildet werden.In addition to the inductor current, a decomposition air flow, which is formed by another part of the purified feed air, is introduced in a gaseous state into the high-pressure column, in particular at its bottom. The decomposition airflow may be formed by a portion of the two turbine streams downstream of the work-performing expansion.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise mindestens 50 mol-%, insbesondere 50 bis 60 mol-% der Gesamtmenge der in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeführten Einsatzluft in flüssigem Zustand in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet.In the process of the present invention, preferably at least 50 mol%, especially 50 to 60 mol%, of the total amount of feed air introduced into the nitrogen-oxygen separation distillation column system is introduced in the liquid state distillation column system for nitrogen-oxygen separation ,

Die Erfindung betrifft außerdem eine zur Gewinnung von flüssigem Stickstoff durch Tieftemperatur-Luftzerlegung gemäß Patentanspruch 14.The invention also relates to a process for the recovery of liquid nitrogen by cryogenic air separation according to claim 14.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2
ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem nur das das Destilliersäulen- System dargestellt ist,
Figur 3
das Kältesystem des ersten Ausführungsbeispiels im Detail und
Figuren 4 bis 6
weitere Varianten des Kältesystems.
The invention and further details of the invention are explained below with reference to embodiments schematically illustrated in the drawings. Hereby show:
FIG. 1
A first embodiment of a method according to the invention,
FIG. 2
A second embodiment, in which only the distillation column system is shown,
FIG. 3
the refrigeration system of the first embodiment in detail and
FIGS. 4 to 6
other variants of the refrigeration system.

Figur 1 ist durch drei gestrichelte Rechtecke in die Verfahrensteile Vorbehandlung der Luft, Kältesystem und Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung unterteilt (von links nach rechts). FIG. 1 is divided by three dashed rectangles into the process parts pretreatment of air, refrigeration system and distillation column system for nitrogen-oxygen separation (from left to right).

Die eintretende Luft 1 wird über ein Filter 2 einem Hauptluftverdichter 3 zugeführt und dort auf einen ersten Druck von 5,5 bis 7,0 bar verdichtet und in einer Vorkühlungseinrichtung 4 wieder auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt, zum Beispiel durch indirektem Wärmeaustausch in einem Wärmetauscher oder durch direkten Wärmeaustausch in einem Direktkontaktkühler.The incoming air 1 is fed via a filter 2 to a main air compressor 3 and there compressed to a first pressure of 5.5 to 7.0 bar and cooled in a pre-cooler 4 back to about ambient temperature, for example by indirect heat exchange in a heat exchanger or through direct heat exchange in a direct contact cooler.

Die vorgekühlte Luft wird unter dem ersten Druck in einer Reinigungseinrichtung 5 gereinigt, die Molekularsieb-Adsorber enthält. Die gereinigte Luft 6 (AIR) wird dem Kältesystem zugeführt, das zur Abkühlung der Einsatzluft und zur Erzeugung von Verflüssigungskälte dient. Dort wird die gereinigte Einsatzluft 6 zunächst mindestens teilweise mit einem Rückführstrom 7 zu einem Kreislaufstrom 8 vermischt. Der Kreislaufstrom 8 wird in einem Kreislaufverdichter 9 mit Nachkühler 10 weiter auf einen Zwischendruck von 30 bis 40 bar verdichtet. Die gesamte Zwischendruckluft 11 wird in zwei seriell verbundenen Nachverdichtern 12, 14 weiter auf einen Hochdruck von mindestens 50 bar, insbesondere zwischen 50 und 80 bar, vorzugsweise auf 55 bis 70 bar verdichtet. Den Nachverdichtern 12, 14 folgt jeweils ein Nachkühler 13, 15.The precooled air is purified under the first pressure in a purifier 5 containing molecular sieve adsorber. The purified air 6 (AIR) is supplied to the refrigeration system, which serves to cool the feed air and to generate liquefaction refrigeration. There, the purified feed air 6 is first at least partially mixed with a recycle stream 7 to a circulation stream 8. The circulation stream 8 is further compressed in a cycle compressor 9 with aftercooler 10 to an intermediate pressure of 30 to 40 bar. The entire intermediate compressed air 11 is further compressed in two serially connected after-compressors 12, 14 to a high pressure of at least 50 bar, in particular between 50 and 80 bar, preferably to 55 to 70 bar. The after-compressors 12, 14 are each followed by an after-cooler 13, 15.

Die Hochdruckluft 16 wird in zwei Teilströme 17, 18 aufgeteilt. Der erste Teilstrom 17 umfasst einen Drosselstrom und einen ersten Turbinenstrom, die gemeinsam in das warme Ende eines Hauptwärmetauschers 19 eintreten und auf eine erste Zwischentemperatur abgekühlt werden, die zwischen Umgebungstemperatur und Taupunkt der Luft liegt. Bei dieser Zwischentemperatur wird der erste Turbinenstrom 20 aus dem ersten Teilstrom abgezweigt. Der Rest wird weiter bis zum kalten Ende im Hauptwärmetauscher abgekühlt und pseudo-verflüssigt und bildet den Drosselstrom 21, der etwas mehr als die Hälfte der Gesamtluftmenge 1 umfasst. Der erste Turbinenstrom 20 wird in einer ersten (kalten) Turbine 22 arbeitsleistend auf etwa den ersten Druck und auf eine Temperatur entspannt, die wenige Grad über der Tautemperatur liegt. Der entspannte erste Turbinenstrom 23 ist vollständig oder im Wesentlichen vollständig gasförmig und bildet zu einem ersten Teil einen gasförmigen Zerlegungsluftstrom 24. Der Rest 25 wird dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 19 zugeführt und wieder auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt.The high-pressure air 16 is divided into two partial streams 17, 18. The first partial flow 17 includes a throttle flow and a first turbine flow, which enter together in the warm end of a main heat exchanger 19 and are cooled to a first intermediate temperature which is between ambient temperature and dew point of the air. At this intermediate temperature, the first turbine stream 20 is branched off from the first partial stream. The remainder is further cooled to the cold end in the main heat exchanger and pseudo-liquefied and forms the inductor 21, which comprises slightly more than half of the total amount of air 1. The first Turbine stream 20 is in a first (cold) turbine 22 working to relax to about the first pressure and to a temperature which is a few degrees above the tau. The expanded first turbine stream 23 is completely or substantially completely gaseous and forms a gaseous decomposition air stream 24 to a first part. The remainder 25 is supplied to the cold end of the main heat exchanger 19 and reheated to approximately ambient temperature.

Der zweite Teilstrom der Hochdruckluft 16 bildet einen zweiten Turbinenstrom 18. Dieser wird von etwa Umgebungstemperatur und dem Hochdruck aus in einer zweiten (warmen) Turbine 26 arbeitsleistend entspannt, ebenfalls etwa auf den ersten Druck. Der entspannte zweite Turbinenstrom 27 tritt mit einer zweiten Zwischentemperatur wieder in den Hauptwärmetauscher 19 ein und wird dort mit dem Teil 25 des entspannten ersten Teilstroms 23 vereinigt, um den Rückführstrom 7 zu bilden und erneut dem Kreislaufverdichter 9 zugeführt zu werden.The second partial flow of the high-pressure air 16 forms a second turbine stream 18. This is expanded from about ambient temperature and the high pressure in a second (warm) turbine 26 work, also about the first pressure. The relaxed second turbine stream 27 re-enters the main heat exchanger 19 at a second intermediate temperature where it is combined with the part 25 of the expanded first substream 23 to form the recycle stream 7 and recycled to the cycle compressor 9.

Der gasförmige Zerlegungsluftstrom 24 (AIR) und der Drosselstrom 21 (JT-AIR) treten in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung ein, das eine Hochdrucksäule 28, einen Hochdrucksäulen-Kopfkondensator 29, eine Niederdrucksäule 30 und einen Niederdrucksäulen-Kopfkondensator 31 aufweist. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule 28 liegt zwischen 5,5 und 7,0 bar. Der Zerlegungsluftstrom 24 wird gasförmig unmittelbar am Sumpf der Hochdrucksäule 28 eingespeist. Der Drosselstrom 21 wird in einem Drosselventil 32 auf einen Druck von unterhalb von 4 bar entspannt und vollständig als Kältemittelstrom 33 in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators eingeleitet.The gaseous decomposition airflow 24 (AIR) and the choke flow 21 (JT-AIR) enter the nitrogen-oxygen separation distillation column system comprising a high pressure column 28, a high pressure column top condenser 29, a low pressure column 30, and a low pressure column top condenser 31 having. The operating pressure of the high-pressure column 28 is between 5.5 and 7.0 bar. The decomposition air stream 24 is fed in gaseous form directly at the bottom of the high-pressure column 28. The throttle flow 21 is expanded in a throttle valve 32 to a pressure of below 4 bar and completely introduced as a refrigerant flow 33 in the evaporation chamber of the high-pressure column top condenser.

Das Kopfgas 34 der Hochdrucksäule 28 besteht aus praktisch reinem Stickstoff und wird zu einem ersten Teil 35 (in einer molaren Menge, die etwas weniger als die Hälfte der eintretenden Luftmenge 1 beträgt) in den Verflüssigungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators 29 geführt und dort im Wesentlichen vollständig verflüssigt. In dem Hochdrucksäulen-Kopfkondensator erzeugte Flüssigkeit 36 wird zu einem ersten Teil 37 als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 28 aufgegeben. Der Rest 38 wird nach Abkühlung in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 39 abgekühlt und über ein Drosselventil 40 als Rücklauf auf die Niederdrucksäule 30 aufgegeben, die bei einem Druck unterhalb von 4 bar betrieben wird. Die im Sumpf der Hochdrucksäule 28 anfallende Flüssigkeit wird als flüssiger Rohsauerstoffstrom 41 über den Unterkühlungs-Gegenströmer 39 und ein Drosselventil 42 in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators 31 eingespeist.The head gas 34 of the high-pressure column 28 consists of virtually pure nitrogen and is led to a first part 35 (in a molar amount which is slightly less than half of the incoming air quantity 1) in the liquefaction space of the high-pressure column top condenser 29 and there substantially completely liquefied. Liquid 36 produced in the high-pressure column overhead condenser is fed to a first part 37 as reflux to the high-pressure column 28. The remainder 38 is cooled after cooling in a subcooling countercurrent 39 and fed via a throttle valve 40 as reflux to the low pressure column 30, which is operated at a pressure below 4 bar. The accumulating in the bottom of the high pressure column 28 liquid is as a liquid crude oxygen stream 41 on the Subcooling countercurrent 39 and a throttle valve 42 is fed into the evaporation space of the low-pressure column top condenser 31.

Der Kältemittelstrom 33 wird im Hochdrucksäulen-Kopfkondensator fast vollständig verdampft, nur eine relativ kleine Menge, erforderlich zum Spülen und Regeln, wird flüssig entnommen. Der im Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators 29 erzeugte Dampf 43 wird direkt in den Sumpfbereich der Niederdrucksäule 30 eingeleitet. Die flüssig verbliebene Fraktion 44 aus dem Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators 29 wird über ein Drosselventil 45 in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators 31 geführt.The refrigerant flow 33 is almost completely evaporated in the high-pressure column top condenser, only a relatively small amount, required for rinsing and regulating, is removed in liquid form. The vapor 43 generated in the evaporation space of the high-pressure column overhead condenser 29 is introduced directly into the bottom region of the low-pressure column 30. The liquid remaining fraction 44 from the evaporation space of the high-pressure column top condenser 29 is guided via a throttle valve 45 into the evaporation space of the low-pressure column top condenser 31.

Die sauerstoffangereicherte Flüssigkeit 80, die im Sumpf der Niederdrucksäule 30 anfällt, wird nach Unterkühlung im Unterkühlungs-Gegenströmer 39 und Drosselung ebenfalls in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators 31 eingeleitet.The oxygen-enriched liquid 80, which accumulates in the bottom of the low-pressure column 30, is also introduced into the evaporation space of the low-pressure column top condenser 31 after being supercooled in the subcooling countercurrent 39 and throttling.

Der Kopfstickstoff 46 der Niederdrucksäule 30 wird in den Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators 31 geführt und dort im Wesentlichen vollständig verflüssigt. Die im Sumpf der Hochdrucksäule 28 anfallende Flüssigkeit wird als flüssiger Rohsauerstoffstrom 41 über den Unterkühlungs-Gegenströmer 39 und ein Drosselventil 42 in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators 31 eingespeist, der unter einem Druck von 1,4 bis 1,6 bar steht.The top nitrogen 46 of the low-pressure column 30 is guided into the liquefaction space of the low-pressure column top condenser 31 and is substantially completely liquefied there. The liquid obtained in the sump of the high-pressure column 28 is fed as liquid crude oxygen stream 41 via the subcooling countercurrent 39 and a throttle valve 42 into the evaporation chamber of the low-pressure column top condenser 31, which is under a pressure of 1.4 to 1.6 bar.

Das kalte Gas aus dem Niederdrucksäulen-Kopfkondensator 31 wird zuerst durch den Unterkühlungs-Gegenströmer 39 geleitet und kühlt dabei die Flüssigkeiten. Danach strömt es über die Leitungen 56 und 57 zum Hauptwärmetauscher und kühlt dort die warmen Luftströme. Über Leitung 62 wird auch der Niederdrucksäulen-Kopfkondensator 31 gespült, indem eine kleine Flüssigmenge (Purge) entnommen wird. Das Restgas 57/58 (Waste/Reg Gas) wird im Warmen direkt (60) oder indirekt (61) nach Verwendung als Regeneriergas 59 in der Reinigungseinrichtung 5 in die Umgebung (amb) abgegeben.The cold gas from the low pressure column top condenser 31 is first passed through the subcooling countercurrent 39 thereby cooling the liquids. Thereafter, it flows via lines 56 and 57 to the main heat exchanger and cools the warm air streams there. Via line 62 and the low-pressure column top condenser 31 is flushed by a small amount of liquid (purge) is removed. The residual gas 57/58 (Waste / Reg gas) is discharged in hot directly (60) or indirectly (61) after use as a regeneration gas 59 in the cleaning device 5 in the environment (amb).

Die Flüssigkeit 47 aus dem Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators 31 wird zu einem ersten Teil 48 als Rücklauf auf die Niederdrucksäule 30 aufgegeben. Der Rest 49, 51 steht bei einem Druck von über 3 bar als flüssiges Stickstoffprodukt (LlN to storage) zur Verfügung und wird in einem nicht dargestellten Flüssigtank gespeichert. Durch Abdrosseln 53 einer kleinen Teilmenge 52 kann man den Flüssigstickstoff 49, 51 in einem Stickstoffunterkühler 50 unterkühlen. Der dabei verdampfte Stickstoff 54 wird mit dem Restgas 56 aus dem Niederdrucksäulen-Kopfkondensator 31 vermischt (Waste).The liquid 47 from the liquefaction space of the low-pressure column top condenser 31 is returned to a first part 48 as reflux to the first Low pressure column 30 abandoned. The residue 49, 51 is available at a pressure of more than 3 bar as a liquid nitrogen product (LlN to storage) and is stored in a liquid tank, not shown. By throttling 53 a small subset 52, it is possible to subcool the liquid nitrogen 49, 51 in a nitrogen subcooler 50. The thereby evaporated nitrogen 54 is mixed with the residual gas 56 from the low-pressure column top condenser 31 (Waste).

Eine kleine Menge des Kopfgases 35 der Hochdrucksäule 28 kann als Druckstickstoffprodukt 63, 64 gasförmig gewonnen werden. Diese Fraktion (PGAN) aus der Hochdrucksäule 28 wird ebenfalls durch den Hauptwärmetauscher 19 geführt und trägt dazu bei, die warmen Luftströme abzukühlen.A small amount of the top gas 35 of the high-pressure column 28 can be obtained as compressed nitrogen product 63, 64 in gaseous form. This fraction (PGAN) from the high-pressure column 28 is also passed through the main heat exchanger 19 and helps to cool the warm air streams.

In Figur 2 wir der Drosselstrom 21 in dem Drosselventil 232 zunächst nur bis auf den Betriebsdruck der Hochdrucksäule 28 entspannt und dieser an einer Zwischenstelle zugeleitet. In der Hochdrucksäule findet eine Phasentrennung statt. Mindestens ein Teil des flüssigen Anteils des entspannten Drosselstroms wird dann als Kältemittelstrom 270, 233 nach entsprechender weiterer Drosselung 271 in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators eingeleitet. Der gasförmige Anteil des Drosselstroms 21 steht damit als aufsteigender Dampf in der Hochdrucksäule 28 zur Verfügung.In FIG. 2 the throttling flow 21 in the throttle valve 232 is initially only expanded up to the operating pressure of the high-pressure column 28 and fed to it at an intermediate point. In the high pressure column, a phase separation takes place. At least a portion of the liquid portion of the expanded throttle flow is then introduced as refrigerant stream 270, 233 into the evaporation space of the high-pressure column top condenser after corresponding further throttling 271. The gaseous portion of the throttle flow 21 is thus available as ascending vapor in the high-pressure column 28.

In den Figuren 3 bis 7 sind verschiedene Schaltungen des Kältesystems dargestellt, die jeweils mit jedem der in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Destilliersäulen-Systeme kombiniert werden können.In the FIGS. 3 to 7 various circuits of the refrigeration system are shown, each with in the FIGS. 1 and 2 described distillation column systems can be combined.

Figur 3 stellt lediglich eine Ausschnittsvergrößerung der Figur 1 dar. Diese Variante hat den Vorteil, dass die warme Turbine 26 von einem besonders hohen Druck (dem Hochdruck, unter dem auch der Drosselstrom 21 steht) und entsprechend höherer Temperatur entspannt. Eine Vorkühlung des zweiten Turbinenstroms 18 im Hauptwärmetauscher 19 ist in diesem Fall nicht erforderlich. Man braucht keine Leitung vom Hauptwärmetauscher 19 zur warmen Turbine 26, der Wärmetauscher ist einfach und kostengünstig herzustellen. FIG. 3 represents only an enlarged detail of FIG. 1 This variant has the advantage that the warm turbine 26 is relaxed by a particularly high pressure (the high pressure under which the throttle flow 21 is also located) and correspondingly higher temperature. Pre-cooling of the second turbine stream 18 in the main heat exchanger 19 is not required in this case. It takes no line from the main heat exchanger 19 to the hot turbine 26, the heat exchanger is simple and inexpensive to manufacture.

In Figur 4 wird abweichend auch der zweite Turbinenstroms 18 im Hauptwärmetauscher 419 vorgekühlt.In FIG. 4 deviating also the second turbine stream 18 is pre-cooled in the main heat exchanger 419.

In dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist der Eintrittsdruck der zweiten (warmen) Turbine 26 niedriger und liegt auf dem Niveau des Zwischendrucks. Dazu wird der zweite Turbinenstrom 518 bereits stromaufwärts der beiden Nachverdichter 12, 14 aus dem auf den Zwischendruck verdichteten Kreislaufstrom 11 abgezweigt, im Hauptwärmetauscher 19 vorgekühlt und schließlich der Turbine 26 zugeführt.In the embodiment of FIG. 5 the inlet pressure of the second (warm) turbine 26 is lower and is at the level of the intermediate pressure. For this purpose, the second turbine stream 518 is already branched off upstream of the two secondary compressors 12, 14 from the circulating stream 11 compressed to the intermediate pressure, precooled in the main heat exchanger 19 and finally fed to the turbine 26.

In Figur 6 wird der Hauptwärmetauscher 19 zusätzlich mit einer Kältemaschine 666 gekühlt. Eine solche Kältemaschine kann auch in der Variante der Figur 4 ergänzt werden.In FIG. 6 the main heat exchanger 19 is additionally cooled by a refrigerator 666. Such a chiller can also in the variant of FIG. 4 be supplemented.

Claims (14)

Verfahren zur Gewinnung von flüssigem Stickstoff durch Tieftemperatur-Luftzerlegung in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das genau zwei Destilliersäulen aufweist, nämlich eine Hochdrucksäule (28), eine Niederdrucksäule (30), sowie einen einzigen Hochdrucksäulen-Kopfkondensator (29) zur Verflüssigung von Kopfgas (34) der Hochdrucksäule (28), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und einen Verflüssigungsraum und einen einzigen Verdampfungsraum aufweist, wobei bei dem Verfahren - Einsatzluft (1) in einem Hauptluftverdichfer (3) auf einen ersten Druck verdichtet und anschließend gereinigt (5) wird, - ein Drosselstrom (21), der durch einen Teil der gereinigten Einsatzluft (6) gebildet wird, unter einem zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, in einem Hauptwärmetauscher (19) verflüssigt oder pseudo-verflüssigt wird, - der verflüssigte oder pseudo-verflüssigte Drosselstrom (21) entspannt (33) und anschließend in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet wird, - mindestens ein Teil (35) des Kopfgases (34) der Hochdrucksäule (28) in den Verflüssigungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators (2) eingeleitet und dort mindestens teilweise verflüssigt wird, und - in der Niederdrucksäule (30) ein Stickstoffprodukt (46) erzeugt und mindestens zum Teil als Flüssigprodukt (51) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens ein Teil des entspannten Drosselstroms als Kältemittelstrom (33, 233, 270) in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators (29) eingeleitet wird, - das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung außerdem einen Niederdrucksäulen-Kopfkondensator (31) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist, - mindestens ein Teil des Kopfstickstoffs (46) der Niederdrucksäule (30) in den Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (31) eingeleitet und dort mindestens teilweise verflüssigt wird und - eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit (80) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (30) in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (31) eingeleitet und dort mindestens teilweise verdampft wird. A process for recovering liquid nitrogen by cryogenic air separation in a nitrogen-oxygen separation distillation column system having exactly two distillation columns, namely a high pressure column (28), a low pressure column (30), and a single high pressure column top condenser (29). for liquefying head gas (34) of the high-pressure column (28), which is designed as a condenser-evaporator and has a liquefaction space and a single evaporation space, wherein in the method - compressed air (1) in a Hauptluftverdichfer (3) to a first pressure and then cleaned (5), a throttle flow (21) formed by a part of the purified feed air (6) is liquefied or pseudo-liquefied at a second pressure higher than the first pressure in a main heat exchanger (19), - the liquefied or pseudo-liquefied flow restrictor (21) is expanded (33) and then introduced into the distillation column system for nitrogen-oxygen separation, - At least a portion (35) of the top gas (34) of the high-pressure column (28) in the liquefaction space of the high-pressure column top condenser (2) is introduced and there at least partially liquefied, and a nitrogen product (46) is produced in the low-pressure column (30) and at least partly removed as a liquid product (51), characterized in that - At least a portion of the relaxed throttle flow as a refrigerant stream (33, 233, 270) is introduced into the evaporation space of the high-pressure column top condenser (29), - the distillation column system for nitrogen-oxygen separation also comprises a low-pressure column top condenser (31), which is designed as a condenser-evaporator and has a liquefaction space and an evaporation space, - At least a portion of the top nitrogen (46) of the low-pressure column (30) is introduced into the liquefaction space of the low-pressure column top condenser (31) and is at least partially liquefied there, and - An oxygen-enriched liquid (80) from the lower region of the low-pressure column (30) in the evaporation chamber of the low-pressure column head capacitor (31) initiated and there is at least partially evaporated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelstrom (33) unmittelbar stromabwärts der Entspannung (32) des Drossetstroms (21) direkt in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators (29) eingeleitet wird.A method according to claim 1, characterized in that the refrigerant flow (33) immediately downstream of the expansion (32) of the Drossetstroms (21) is introduced directly into the evaporation space of the high-pressure column top condenser (29). Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des entspannten (232) Drosselstroms einer Phasentrennung unterworfen wird und der Kältemittelstrom (233, 270) durch mindestens einen Teil der Flüssigphase aus der Phasentrennung gebildet wird, wobei die Phasentrennung insbesondere an einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule (28) vorgenommen wird.A method according to claim 1 or 5, characterized in that at least a part of the relaxed (232) throttle flow is subjected to a phase separation and the refrigerant flow (233, 270) is formed by at least a part of the liquid phase from the phase separation, wherein the phase separation in particular at one Intermediate position of the high-pressure column (28) is made. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass - die gereinigte Einsatzluft (6) mindestens teilweise mit einem Rückführstrom (7) zu einem Kreislaufstrom (8) vermischt wird, - der Kreislaufstrom (8) in einem Kreislaufverdichter (9) auf einen Zwischendruck verdichtet wird, der höher als der erste Druck ist, - ein erster Turbinenstrom (20), der durch einen ersten Teil des Kreislaufstroms (11) stromabwärts des Kreislaufverdichters (9) gebildet wird, in einer ersten Entspannungsmaschine (22) arbeitsleistend entspannt wird, - ein zweiter Turbinenstrom (18), der durch einen zweiten Teil des Kreislaufstroms (11) stromabwärts des Kreislaufverdichters (9) gebildet wird, in einer zweiten Entspannungsmaschine (26) arbeitsleistend entspannt wird, und - mindestens ein Teil (25) des arbeitsleistend entspannten ersten Turbinenstroms (23) und/oder mindestens ein Teil des arbeitsleistend entspannten zweiten Turbinenstroms (27) als Rückführstrom (7) in den Kreislaufstrom (8) zurückgeführt wird. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that - The purified feed air (6) is at least partially mixed with a recycle stream (7) to a circulation stream (8), the recycle stream (8) is compressed in a cycle compressor (9) to an intermediate pressure which is higher than the first pressure, a first turbine stream (20), which is formed by a first part of the cycle stream (11) downstream of the cycle compressor (9), is expanded to perform work in a first expansion machine (22), - A second turbine stream (18), which is formed by a second part of the circulation stream (11) downstream of the cycle compressor (9), is expanded to perform work in a second expansion machine (26), and - At least a portion (25) of the work-performing relaxed first turbine stream (23) and / or at least a portion of the work-performing relaxed second turbine stream (27) is returned as recycle stream (7) in the circulation stream (8). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens ein Teil des auf den Zwischendruck verdichteten Kreislaufstroms (11) in zwei seriell verbundenen Nachverdichtern (12, 14) auf einen Hochdruck verdichtet wird, der höher als der Zwischendruck und insbesondere etwa gleich dem zweiten Druck ist, wobei - die erste Entspannungsmaschine (22) mechanisch mit einem (12) der beiden Nachverdichter gekoppelt ist und - die zweite Entspannungsmaschine (26) mechanisch mit dem anderen (14) der beiden Nachverdichter gekoppelt ist. A method according to claim 4, characterized in that - At least a portion of the compressed to the intermediate pressure circuit flow (11) is compressed in two serially connected after-compressors (12, 14) to a high pressure which is higher than the intermediate pressure and in particular approximately equal to the second pressure, wherein - The first expansion machine (22) is mechanically coupled to one (12) of the two booster and - The second expansion machine (26) is mechanically coupled to the other (14) of the two booster. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte im Hochdrucksäulen-Kopfkondensator (29) eingesetzte Kälte durch den Kältemittelstrom (33, 233, 270) zur Verfügung gestellt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the entire used in the high-pressure column top condenser (29) cold by the refrigerant flow (33, 233, 270) is provided. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der im Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators (29) erzeugte Dampf (43) in die Niederdrucksäule (30) eingeleitet wird, insbesondere an deren Sumpf.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the evaporation space of the high-pressure column top condenser (29) generated steam (43) is introduced into the low-pressure column (30), in particular at the bottom thereof. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass weder die Hochdrucksäule (28) noch die Niederdrucksäule (30) einen Aufkocher zur Erzeugung von aufsteigendem Dampf aus-einer Flüssigkeit der entsprechenden Säule aufweisen.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that neither the high-pressure column (28) nor the low-pressure column (30) have a reboiler for generating ascending vapor from a liquid of the corresponding column. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine flüssig verbliebene Fraktion (44) aus dem Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators (28) in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (31) eingeleitet wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that a liquid remaining fraction (44) from the evaporation space of the high-pressure column top condenser (28) is introduced into the evaporation space of the low-pressure column top condenser (31). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil (38) der im Verflüssigungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators (28) gewonnenen Flüssigkeit (36) in die Niederdrucksäule (31) eingeleitet wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least a part (38) of the liquefaction space of the high-pressure column top condenser (28) obtained liquid (36) is introduced into the low-pressure column (31). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Rohsauerstoffstrom (41) vom Sumpf der Hochdrucksäule (28) in die Niederdrucksäule (30) eingeleitet wird,Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that a liquid crude oxygen stream (41) from the bottom of the high pressure column (28) is introduced into the low pressure column (30), Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zerlegungsluftstrom (24), der durch einen anderen Teil der gereinigten Einsatzluft (6) gebildet wird als der Drosselstrom (21), in gasförmigem Zustand in die Hochdrucksäule (28) eingeleitet wird, insbesondere an deren Sumpf; wobei der Zerlegungsluftstrom (24) insbesondere mindestens einen Teil des arbeitsleistend entspannten ersten Turbinenstroms (23) und/oder mindestens ein Teil des arbeitsleistend entspannten zweiten Turbinenstroms (27) umfasst.Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that a decomposition air flow (24) by another part of the purified feed air (6) is formed as the throttle flow (21) is introduced in a gaseous state in the high pressure column (28), in particular at the bottom thereof; wherein the decomposing air flow (24) comprises in particular at least a part of the first turbine flow (23) which is released in terms of work and / or at least part of the second turbine flow (27) which works to release the work. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 40 mol-%, insbesondere mindestens 50 mol-% der Gesamtmenge der in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeführten Einsatzluft (1) in flüssigem Zustand in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet (33, 232) werden.Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that at least 40 mol%, in particular at least 50 mol% of the total amount of introduced into the distillation column system for nitrogen-oxygen separation feed air (1) in the liquid state in the distillation column System for nitrogen-oxygen separation initiated (33, 232). Vorrichtung zur Gewinnung von flüssigem Stickstoff durch Tieftemperatur-Luftzerlegung mit - einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung das genau zwei Destilliersäulen aufweist, nämlich eine Hochdrucksäule (28), eine Niederdrucksäule (30) sowie einen einzigen Hochdrucksäulen-Kopfkondensator (29) zur Verflüssigung von Kopfgas (34) der Hochdrucksäule (28), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und einen Verflüssigungsraum und einen einzigen Verdampfungsraum aufweist, - einem Hauptluftverdichter (3) zum Verdichten von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck verdichtet, - einer Reinigungseinrichtung zum Reinigen (5) der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft, - Mitteln zur Bildung eines Drosselstroms (21) durch einen Teil der gereinigten Einsatzluft (6),
einem Hauptwärmetauscher (19) zum Verflüssigen oder Pseudo-Verflüssigen des Drosselstroms unter einem zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, - Mitteln zum Entspannen (32) des verflüssigten oder pseudo-verflüssigten Drosselstroms (21), - Mitteln zum Einleiten des entspannten Drosselstroms in das Destilliersäuien-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, - Mitteln zum Einleiten mindestens eines Teils (35) des Kopfgases (34) der Hochdrucksäule (28) in den Verflüssigungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators (2) und mit - Mitteln zum Abführen eines in der Niederdrucksäule (30) erzeugten Stickstoffprodukts (46) als Flüssigprodukt (51), gekennzeichnet durch - Mittel zum Einleiten mindestens ein Teil des entspannten Drosselstroms als Kältemittelstrom (33, 233, 270) in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators (29), - einem Niederdrucksäulen-Kopfkondensator (31), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist, - Mitteln zum Einleiten mindestens eines Teils des Kopfstickstoffs (46) der Niederdrucksäule (30) in den Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (31) und durch - Mittel zum Einleiten einer sauerstoffangereicherte Flüssigkeit (80) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (30) in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (31). Apparatus for recovering liquid nitrogen by cryogenic air separation with - A distillation column system for nitrogen-oxygen separation having exactly two distillation columns, namely a high pressure column (28), a low pressure column (30) and a single high pressure column top condenser (29) for liquefying overhead gas (34) of the high pressure column (28) formed as a condenser-evaporator and having a liquefaction space and a single evaporation space, - a main air compressor (3) for compressing feed air (1) compressed to a first pressure, a cleaning device for cleaning (5) the feed air compressed to the first pressure, Means for forming a throttle flow (21) through part of the purified feed air (6),
a main heat exchanger (19) for liquefying or pseudo-liquefying the throttle flow at a second pressure higher than the first pressure, Means for releasing (32) the liquefied or pseudo-liquefied restrictor flow (21), Means for introducing the relaxed throttle flow into the distillation system for nitrogen-oxygen separation, - Means for introducing at least a portion (35) of the top gas (34) of the high-pressure column (28) in the liquefaction space of the high-pressure column top condenser (2) and with Means for discharging a nitrogen product (46) generated in the low-pressure column (30) as a liquid product (51), marked by Means for introducing at least part of the expanded throttle flow as the refrigerant flow (33, 233, 270) into the evaporation space of the high-pressure column top condenser (29), a low-pressure column top condenser (31), which is designed as a condenser-evaporator and has a liquefaction space and an evaporation space, - Means for introducing at least a portion of the top nitrogen (46) of the low-pressure column (30) in the liquefaction space of the low-pressure column top condenser (31) and by - means for introducing an oxygen-enriched liquid (80) from the lower region of the low-pressure column (30) in the evaporation space of the low-pressure column top condenser (31).
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