EP2369281A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

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EP2369281A1
EP2369281A1 EP10002439A EP10002439A EP2369281A1 EP 2369281 A1 EP2369281 A1 EP 2369281A1 EP 10002439 A EP10002439 A EP 10002439A EP 10002439 A EP10002439 A EP 10002439A EP 2369281 A1 EP2369281 A1 EP 2369281A1
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EP
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air
pressure
heat exchanger
main heat
compressed
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EP10002439A
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Lochner Stefan
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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    • F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
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    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/20—Integrated compressor and process expander; Gear box arrangement; Multiple compressors on a common shaft

Definitions

  • the invention relates to a method for the cryogenic separation of air according to the preamble of patent claim 1.
  • the distillation column system of the invention can be designed as a two-column system for nitrogen-oxygen separation (for example as a classic Linde double column system) or as a three-column or multi-column system. It may in addition to the columns for nitrogen-oxygen separation, further devices for obtaining high purity products and / or other air components, in particular of noble gases, for example, an argon production and / or a krypton-xenon recovery.
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned above and a corresponding device, which are economically particularly favorable to operate by having an increased product yield, a particularly high product purity, lower energy consumption and / or lower investment costs.
  • This object is achieved in that the second air flow is formed by a different part of the compressed feed air than the first air flow.
  • the invention waives this increase in pressure in the turbine flow.
  • Both air streams are preferably introduced into the high-pressure column in the process according to the invention after their (pseudo) liquefaction) or work-performing expansion.
  • at least a portion of the first and / or the second air stream may be introduced into the low-pressure column, in particular after flowing through a separator for phase separation and optionally after supercooling.
  • 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.
  • the first pressure, to which the total air is compressed is "significantly higher” than the operating pressure of the high-pressure column.
  • the pressure difference between the first pressure and the operating pressure of the high-pressure column not only corresponds to the natural pressure drop through lines, heat exchangers and other apparatus, but at least 1 bar, preferably at least 3 bar, most preferably at least 5 bar.
  • the pressure difference between the first pressure and the operating pressure of the high-pressure column is, for example, 5 to 25 bar, preferably 7 to 15 bar. (All pressures given here and below are absolute pressures.)
  • the first pressure is 10 to 25 bar, preferably 13 to 20 bar
  • the operating pressure of the high-pressure column is 4 to 8 bar, preferably 5 to 7 bar.
  • the second pressure downstream of the Cold compressor is for example 11.5 to 55 bar, preferably 21 to 44 bar, the increased pressure of the product pressure stream, for example 6 to 50 bar, preferably 6 to 35 bar.
  • every level of product pressure is possible, in particular also a plurality of pressure levels.
  • liquid oxygen can be brought to 30 bar in an internal compression pump and divided in cold into two partial streams upstream of the main heat exchanger, one of which is throttled to a lower pressure before it is vaporized and warmed in the main heat exchanger.
  • one or more liquid nitrogen streams in the main heat exchanger are evaporated.
  • the pressures of the pressurized product stream and the first air stream are subcritical, they are vaporized or liquefied in the main heat exchanger. At supercritical pressure no real phase transition takes place, then the corresponding stream is pseudo-vaporized or pseudo-liquefied.
  • the entire introduced into the main heat exchanger compressed feed air divided into the first and the second air flow. So there is no third air flow, but the entire feed air is either under the second pressure (pseudo) liquefied (first air flow) or supplied under the first pressure of the work-performing expansion (second air flow).
  • first air flow the second pressure liquefied
  • second air flow the first pressure of the work-performing expansion
  • a second part of the process is used to generate process refrigeration transferred during the work-relaxing relaxation generated mechanical energy to a warm braking device.
  • This can basically be formed by a compressor operating in warm, by an electric generator or a dissipative braking device.
  • a dissipative brake for example an oil brake, or an electric generator is used in the invention. Ideal would be an oil brake or a high-frequency generator, which sits on the shaft between the wheels for turbine and cold compressor.
  • the outlet pressure of the work-performing expansion is preferably approximately equal to the operating pressure of the high-pressure column. "About equal to” includes small pressure differences on the order of magnitude of the natural pressure drop between the discharge pressure of the work-performing expansion and the operating pressure of the high-pressure column.
  • total amount of liquid products is meant here the molar amount of liquid products such as liquid oxygen, liquid nitrogen and possibly liquid argon, which are obtained in the process as a final product.
  • the invention also relates to a device for cryogenic separation of air according to claims 8 to 11.
  • Atmospheric air 1 is sucked in via a filter 2 from an air compressor 3 and there compressed as feed air to a first pressure of about 17 bar. Subsequently, the compressed feed air flows through a direct contact cooler 4 and is cooled there in direct contact with cooling water 5.
  • the cooled feed air 6 is cleaned in a cleaning device 7.
  • the cleaning device 7 comprises a pair of containers filled with adsorbent material, preferably molecular sieve.
  • the purified feed air 8 is - apart from a not shown Removal possibility for instrument air - completely divided into a first air flow 9 and a second air flow 10. Both air streams are then fed to the warm end of a main heat exchanger 11 and cooled there against backflow.
  • the first air stream is removed via line 12 at a first intermediate temperature of about 140 K from the corresponding cooling passage of the main heat exchanger 11 and densified in a cold compressor 13 from the first pressure to a second pressure of about 31 bar.
  • a second intermediate temperature of about 170 K the recompressed second air stream 14 is again introduced into the main heat exchanger 11 where it is further cooled and liquefied and finally introduced via line 15 and a throttle valve 16 in the high pressure column 17 of a distillation column system for nitrogen-oxygen separation , which also has a low-pressure column 18 and a main condenser 19, which is designed as a condenser-evaporator.
  • the operating pressures are (at the top of the head) 5 to 6.5 bar in the high-pressure column and 1.3 bar in the low-pressure column.
  • the second air stream 10 is cooled in the embodiment separately from the first air stream 9 in the main heat exchanger 11 to a third intermediate temperature of about 139 K. Typically, this temperature is in the range of the boiling temperature (s) of the vaporized product stream (s).
  • the second air flow is supplied under this intermediate temperature and the first pressure of a relaxation machine 21 and there relaxes work to about the operating pressure of the high pressure column.
  • the working expanded second air stream 22 occurs immediately above the sump in the high-pressure column 17 a.
  • the expansion machine 21 is formed in the embodiment by a TurboExpander. It is mechanically coupled to the cold compressor 13 and an oil brake 23 via a common shaft. Contrary to the drawing, the oil brake is arranged directly on the shaft, the turbine 21 and cold compressor 13 connects and is located between them.
  • the head nitrogen 24 of the high-pressure column is introduced to a first part 25 in the liquefaction space of the main condenser 19 and practically completely liquefied there.
  • the resulting liquid nitrogen 26 is fed to a first part 27 as reflux to the high-pressure column 17, to a second part 28 it is fed via a supercooling countercurrent 29, line 30 and throttle valve 31 in the head of the low pressure column 18.
  • the oxygen-enriched bottom product 32 of the high pressure column 17 is also cooled in the subcooling countercurrent 29 and then fed via line 33 and throttle valve 34 of the low pressure column 18 at an intermediate point.
  • a second part 35 of the top nitrogen 24 of the high-pressure column 17 is warmed in the main heat exchanger 11 to about ambient temperature and finally discharged via line 36 as a pressure nitrogen product or as instrument or sealing gas (seal gas).
  • the oxygen in the bottom of the low pressure column 18 is removed via line 37 as a liquid product stream, brought in a pump 38 to an elevated pressure of 30 bar, evaporated under this increased pressure in the main heat exchanger and finally withdrawn as gaseous pressure product stream 39 (GOX IC).
  • a gaseous nitrogen stream 40 is removed, slightly below a gaseous impure nitrogen stream 41. Both are heated in the supercooling countercurrent 29 and further in the main heat exchanger 11.
  • the warm pure nitrogen 42 from the low-pressure column head is obtained downstream of the main heat exchanger to a first part 43 as a gaseous low pressure product (GAN); the remainder 44 is brought in a nitrogen compressor 45 to a product pressure of, for example, 15 bar and withdrawn downstream of an aftercooler 46 via line 47 as another gaseous pressure product (GAN EC).
  • the impure nitrogen 48 is vented downstream of the main heat exchanger 11 into the atmosphere (line 49) and / or used as regeneration gas 50, 51 in the cleaning device 7, optionally after heating in a heater 52nd
  • a second embodiment corresponds largely to the first, but a portion of the liquid nitrogen 26 is brought from the main condenser as a further liquid product stream in a nitrogen pump to an elevated product pressure and in the main heat exchanger 11 (pseudo) evaporated and heated to about ambient temperature and finally as a further gaseous Obtained compressed product stream in the form of high-pressure nitrogen.
  • a portion of the liquid high-pressure oxygen downstream of the oxygen pump 38 is throttled to a pressure which is between the "elevated pressure" (the discharge pressure of the oxygen pump 38) and the operating pressure of the low-pressure column 18.
  • This stream is also vaporized and warmed in the main heat exchanger and finally recovered as the third pressure product stream in the form of intermediate pressure oxygen.

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (17) und eine Niederdrucksäule (18) aufweist. Einsatzluft (1) wird in einem Hauptluftverdichter (3) auf einen ersten Druck verdichtet, der deutlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (17) ist. Die verdichtete Einsatzluft (8) wird in einen Hauptwärmetauscher (11) eingeleitet, um dort gegen Rückströme abgekühlt zu werden. Ein erster Luftstrom (9), der durch einen Teil der verdichteten Einsatzluft (8) gebildet wird, wird nach teilweiser Abkühlung im Hauptwärmetauscher (11) bei einer ersten Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (11) entnommen (12) und in einem Kaltverdichter (13) auf einen zweiten Druck nachverdichtet. Der kaltverdichtete erste Luftstrom (14) wird bei einer zweiten Zwischentemperatur, die höher als die erste Zwischentemperatur ist, dem Hauptwärmetauscher (11) wieder zugeführt und im Hauptwärmetauscher (11) weiter abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt. Der (pseudo-)verflüssigte erste Luftstrom (15) wird in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet. Ein zweiter Luftstrom (10), der durch einen Teil der verdichteten Einsatzluft (8) gebildet wird, wird bei einer dritten Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (11) entnommen (20) und anschließend arbeitsleistend entspannt (21). Der arbeitsleistend entspannte zweite Luftstrom (22) wird ebenfalls in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet. Ein flüssiger Produktstrom (37) aus dem Destilliersäulen-System entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (38) und unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher (11) verdampft oder pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiger Druckproduktstrom (39) abgezogen wird. Ein erster Teil der bei der arbeitsleistenden Entspannung (21) erzeugten mechanischen Energie wird zum Antrieb des Kaltverdichters (13) eingesetzt. Der zweite Luftstrom (10) wird durch einen anderen Teil der verdichteten Einsatzluft (8) gebildet als der erste Luftstrom (9).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein derartiges Verfahren ist aus US 5475980 (Figur 7) bekannt. WO 2004099691 A1 (Figuren 3 und 4) zeigt einen ähnlichen Prozess mit Kaltverdichter und Turbine; hier wird der Kaltverdichter allerdings entweder von einem Elektromotor oder einer zweiten Turbine angetrieben.
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind allgemein zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt. Das Destilliersäulen-System der Erfindung kann als Zwei-Säulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung ausgebildet sein, (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehr-Säulen-System. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung hochreiner Produkte und/oder anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung und/oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig zu betreiben sind, indem sie eine erhöhte Produktausbeute, eine besonders hohe Produktreinheit, geringeren Energieverbrauch und/oder geringere Investitionskosten aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der zweite Luftstrom durch einen anderen Teil der verdichteten Einsatzluft gebildet wird als der erste Luftstrom.
  • Während bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auch der zweite Luftstrom (die Turbinenluft) in dem Kaltverdichter nachverdichtet wird, wird bei der Erfindung auf diese Druckerhöhung im Turbinenstrom verzichtet.
  • Dies erscheint auf den ersten widersinnig, weil dadurch das Druckverhältnis an der Turbine verringert und damit der dort erzeugte Betrag an mechanischer Energie verkleinert wird. Dies führt auf den ersten Blick zu einer Verringerung der Kälteleistung und/oder der Antriebsleistung für den Kaltverdichter. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, dass gerade bei diesem Verfahren mit Verdichtung der Gesamtluft auf einen relativ hohen Druck Vorteile erzielt werden, wenn nur der zu (pseudo-)verflüssigende Luftstrom (Drosselstrom) durch den Kaltverdichter wird und nicht die Turbinenluft. Überraschenderweise hat sich ergeben, dass hierdurch die Ausgestaltung und der Betrieb der Maschinen, die arbeitsleistende Entspannung und Kaltverdichtung realisieren, besonders günstig werden.
  • Beide Luftströme werden den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach ihrer (Pseudo-)Verflüssigung) beziehungsweise arbeitsleistenden Entspannung vorzugsweise in die Hochdrucksäule eingeleitet. Alternativ dazu kann mindestens ein Teil des ersten und/oder des zweiten Luftstroms in die Niederdrucksäule eingeleitet werden, insbesondere nach Durchströmen eines Abscheiders zur Phasentrennung und gegebenenfalls nach Unterkühlung.
  • Der "Hauptwärmetauscher" kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der erste Druck, auf den die Gesamtluft verdichtet wird, "deutlich höher" als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule. Dies bedeutet hier, dass die Druckdifferenz zwischen dem erstem Druck und dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule nicht nur dem natürlichen Druckabfall durch Leitungen, Wärmetauscher und andere Apparate entspricht, sondern mindestens 1 bar, vorzugsweise mindestens 3 bar, höchst vorzugsweise mindestens 5 bar beträgt. Die Druckdifferenz zwischen erstem Druck und Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 5 bis 25 bar, vorzugsweise 7 bis 15 bar. (Alle hier und im Folgenden angegeben Drücke sind Absolutdrücke.)
  • Im Allgemeinen betragen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der erste Druck 10 bis 25 bar, vorzugsweise 13 bis 20 bar und der Betriebsdruck der Hochdrucksäule 4 bis 8 bar, vorzugsweise 5 bis 7 bar. Der zweite Druck stromabwärts des Kaltverdichters beträgt beispielsweise 11,5 bis 55 bar, vorzugsweise 21 bis 44 bar, der erhöhte Druck des Produktdruckstroms beispielsweise 6 bis 50 bar, vorzugsweise 6 bis 35 bar. Beim Produktdruck ist grundsätzlich jedes Niveau möglich, insbesondere auch eine Mehrzahl von Druckniveaus. Zum Beispiel kann flüssiger Sauerstoff in einer Innenverdichtungspumpe auf 30 bar gebracht und vor dem Hauptwärmetauscher im Kalten in zwei Teilströmen aufgeteilt werden, von denen einer auf einen niedrigeren Druck abgedrosselt wird, bevor er im Hauptwärmetauscher verdampft und angewärmt wird. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere flüssige Stickstoffströme im Hauptwärmetauscher (pseudo-)verdampft werden.
  • Wenn die Drücke des Druckproduktstroms und des ersten Luftstroms unterkritisch sind, werden diese im Hauptwärmetauscher verdampft oder verflüssigt. Bei überkritischem Druck findet kein echter Phasenübergang statt, dann wird der entsprechende Strom pseudo-verdampft beziehungsweise pseudo-verflüssigt.
  • Es ist günstig, wenn der gesamte kaltverdichtete zweite Luftstrom im Hauptwärmetauscher (pseudo-)verflüssigt wird. Dadurch wird die gesamte Druckerhöhung, die durch den Kaltverdichter bewirkt wird auf denjenigen Luftteil konzentriert, der zur (Pseudo-)Verdampfung des flüssigen Produktstroms eingesetzt wird. Dadurch kann der erste Druck kann entsprechend niedriger gewählt und Energie gespart werden.
  • Vorzugsweise die gesamte in den Hauptwärmetauscher eingeführte verdichtete Einsatzluft auf den ersten und den zweiten Luftstrom aufgeteilt. Es gibt also keinen dritten Luftstrom, sondern die gesamte Einsatzluft wird entweder unter dem zweiten Druck (pseudo-)verflüssigt (erster Luftstrom) oder unter dem ersten Druck der arbeitsleistenden Entspannung zugeführt (zweiter Luftstrom). Hierbei spielt es natürlich keine Rolle, ob die beiden Luftströme gemeinsam in den Hauptwärmetauscher eingeführt oder bereits vor dem Hauptwärmetauscher voneinander abgeteilt werden. Auch kann ein kleinerer Teil der auf den ersten Druck verdichteten Luft stromaufwärts des Hauptwärmetauschers als Instrumentenluft abgezweigt werden.
  • Durch die Übertragung mechanischer Energie auf den Kaltverdichter wird dem Bilanzkreis keine Wärme entzogen. Da der erfindungsgemäße Prozess nur über eine einzige Turbine verfügt, wird zur Erzeugung von Verfahrenskälte ein zweiter Teil der bei der arbeitsleistenden Entspannung erzeugten mechanischen Energie auf eine warme Bremseinrichtung übertragen. Diese kann grundsätzlich durch einen im Warmen arbeitenden Verdichter, durch einen elektrischen Generator oder eine dissipative Bremseinrichtung gebildet sein. Bevorzugt wird bei der Erfindung eine dissipative Bremse, zum Beispiel eine Ölbremse, oder ein elektrischer Generator verwendet. Ideal wären eine Ölbremse oder ein Hochfrequenz-Generator, die beziehungsweise der auf der Welle zwischen den Laufrädern für Turbine und Kaltverdichter sitzt.
  • Der Austrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung ist vorzugsweise etwa gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule. "Etwa gleich" schließt geringe Druckdifferenzen in der Größenordnung des natürlichen Druckabfalls zwischen dem Austrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung und dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule ein.
  • Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 6 und 7 genannt. Unter "Gesamtmenge an flüssig erzeugten Produkten" wird hier die molare Menge an Flüssigprodukten wie Flüssigsauerstoff, Flüssigstickstoff und gegebenenfalls Flüssigargon verstanden, die in dem Prozess als Endprodukt gewonnen werden.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 8 bis 11.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten ersten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Atmosphärische Luft 1 wird über ein Filter 2 von einem Luftverdichter 3 angesaugt und dort als Einsatzluft auf einen ersten Druck von etwa 17 bar verdichtet. Anschließend durchströmt die verdichtete Einsatzluft einen Direktkontaktkühler 4 und wird dort in direktem Kontakt zu Kühlwasser 5 abgekühlt. Die abgekühlte Einsatzluft 6 wird in einer Reinigungsvorrichtung 7 gereinigt. Die Reinigungsvorrichtung 7 weist ein Paar von Behältern auf, die mit Adsorptionsmaterial, vorzugsweise Molekularsieb, gefüllt sind. Die gereinigte Einsatzluft 8 wird - abgesehen von einer nicht dargestellten Entnahmemöglichkeit für Instrumentenluft - vollständig in einen ersten Luftstrom 9 und einen zweiten Luftstrom 10 aufgeteilt. Beide Luftströme werden anschließend dem warmen Ende eines Hauptwärmetauschers 11 zugeleitet und dort gegen Rückströme abgekühlt.
  • Aufgrund des hohen Drucks sind hier alle folgenden Variationen für die Vorkühlung der Luft aus dem Luftverdichter 3 sinnvoll:
    1. 1. Luftverdichter mit Nachkühler, anschließend Wasserabscheider danach direkt zur Reinigungsvorrichtung.
    2. 2. Luftverdichter mit Nachkühler, anschließend weiterer indirekter Kaltwassernachkühler, der mit Kaltwasser aus einem Verdunstungskühler betrieben wird.
    3. 3. Luftverdichter ohne Nachkühler, aber mit Direktkontaktkühler (wie in der Zeichnung dargestellt), wobei der Direktkontaktkühler vorzugsweise mit einer Kühlwasseranwärmung von mehr als 10°C betrieben wird.
    4. 4. Wie Variante 3 mit zusätzlichem Verdunstungskühler für die Erzeugung von Kaltwasser für den Direktkontaktkühler.
    5. 5. Zusätzlich kann bei allen Varianten eine Kälteanlage zur Vorkühlung der Einsatzluft eingesetzt werden.
  • Der erste Luftstrom wird über Leitung 12 bei einer ersten Zwischentemperatur von etwa 140 K aus der entsprechenden Abkühlpassage des Hauptwärmetauschers 11 entnommen und in einem Kaltverdichter 13 von dem ersten Druck auf einen zweiten Druck von etwa 31 bar nachverdichtet. Bei einer zweiten Zwischentemperatur von etwa 170 K wird der nachverdichtete zweite Luftstrom 14 wieder in den Hauptwärmetauscher 11 eingeführt und dort weiter abgekühlt und verflüssigt und schließlich über Leitung 15 und ein Drosselventil 16 in die Hochdrucksäule 17 eines Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeführt, das außerdem eine Niederdrucksäule 18 und einen Hauptkondensator 19 aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist. Die Betriebsdrücke betragen (jeweils am Kopf) 5 bis 6,5 bar in der Hochdrucksäule und 1,3 bar in der Niederdrucksäule.
  • Der zweite Luftstrom 10 wird in dem Ausführungsbeispiel separat vom ersten Luftstrom 9 im Hauptwärmetauscher 11 auf eine dritte Zwischentemperatur von etwa 139 K abgekühlt. Typischerweise liegt diese Temperatur im Bereich der Siedetemperatur(en) des oder der verdampften Produktströme. Über Leitung 20 wird der zweite Luftstrom unter dieser Zwischentemperatur und dem ersten Druck einer Entspannungsmaschine 21 zugeführt und dort arbeitsleistend auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt. Der arbeitsleistend entspannte zweite Luftstrom 22 tritt unmittelbar oberhalb des Sumpfs in die Hochdrucksäule 17 ein.
  • Die Entspannungsmaschine 21 wird in dem Ausführungsbeispiel durch einen TurboExpander gebildet. Sie ist über eine gemeinsame Welle mechanisch mit dem Kaltverdichter 13 und einer Ölbremse 23 gekoppelt. Entgegen der zeichnerischen Darstellung ist die Ölbremse unmittelbar auf der Welle angeordnet, die Turbine 21 und Kaltverdichter 13 verbindet und befindet sich zwischen diesen.
  • Der Kopfstickstoff 24 der Hochdrucksäule wird zu einem ersten Teil 25 in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 19 eingeleitet und dort praktisch vollständig verflüssigt. Der dabei gebildete Flüssigstickstoff 26 wird zu einem ersten Teil 27 als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 17 aufgegeben, zu einem zweiten Teil 28 wird er über einen Unterkühlungs-Gegenströmer 29, Leitung 30 und Drosselventil 31 in den Kopf der Niederdrucksäule 18 eingespeist. Das sauerstoffangereicherte Sumpfprodukt 32 der Hochdrucksäule 17 wird ebenfalls im Unterkühlungs-Gegenströmer 29 abgekühlt und dann über Leitung 33 und Drosselventil 34 der Niederdrucksäule 18 an einer Zwischenstelle zugeführt.
  • Ein zweiter Teil 35 des Kopfstickstoffs 24 der Hochdrucksäule 17 wird im Hauptwärmetauscher 11 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung 36 als Druckstickstoffprodukt oder als Instrumenten- beziehungsweise Sperrgas (Sealgas) abgegeben.
  • Der Sauerstoff im Sumpf der Niederdrucksäule 18 wird über Leitung 37 als flüssiger Produktstrom entnommen, in einer Pumpe 38 auf einen erhöhten Druck von 30 bar gebracht, unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher verdampft und schließlich als gasförmiger Druckproduktstrom 39 (GOX IC) abgezogen.
  • Vom Kopf der Niederdrucksäule 18 wird ein gasförmiger Stickstoffstrom 40 entnommen, etwas darunter ein gasförmiger Unreinstickstoffstrom 41. Beide werden im Unterkühlungs-Gegenströmer 29 und weiter im Hauptwärmetauscher 11 angewärmt. Der warme Reinstickstoff 42 vom Niederdrucksäulenkopf wird stromabwärts des Hauptwärmetauschers zu einem ersten Teil 43 als gasförmiges Niederdruckprodukt (GAN) gewonnen; der Rest 44 wird in einem Stickstoffverdichter 45 auf einen Produktdruck von beispielsweise 15 bar gebracht und stromabwärts eines Nachkühlers 46 über Leitung 47 als weiteres gasförmiges Druckprodukt (GAN EC) abgezogen. Der Unreinstickstoff 48 wird stromabwärts des Hauptwärmetauschers 11 in die Atmosphäre abgeblasen (Leitung 49) und/oder als Regeneriergas 50, 51 in der Reinigungsvorrichtung 7 eingesetzt, gegebenenfalls nach Erhitzung in einer Heizeinrichtung 52.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem ersten, jedoch wird ein Teil des flüssigen Stickstoffs 26 aus dem Hauptkondensator als weiterer flüssiger Produktstrom in einer Stickstoffpumpe auf einen erhöhten Produktdruck gebracht und im Hauptwärmetauscher 11 (pseudo-)verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als weiterer gasförmiger Druckproduktstrom in Form von Hochdruck-Stickstoff gewonnen. Außerdem wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Teil des flüssigen Hochdruck-Sauerstoffs stromabwärts der Sauerstoffpumpe 38 auf einen Druck gedrosselt, der zwischen dem "erhöhten Druck" (dem Austrittsdruck der Sauerstoffpumpe 38) und dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule 18 liegt. Dieser Strom wird ebenfalls im Hauptwärmetauscher verdampft und angewärmt und schließlich als dritter Druckproduktstrom in Form von Zwischendruck-Sauerstoff gewonnen. Grundsätzlich ist es auch möglich, weitere Druckproduktströme durch Innenverdichtung zu gewinnen, beispielsweise Argon, wenn eine Argongewinnung angeschlossen ist.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (17) und eine Niederdrucksäule (18) aufweist, bei dem
    - Einsatzluft (1) in einem Hauptluftverdichter (3) auf einen ersten Druck verdichtet wird, der deutlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (17) ist,
    - die verdichtete Einsatzluft (8) in einen Hauptwärmetauscher (11) eingeleitet wird, um dort gegen Rückströme abgekühlt zu werden,
    - ein erster Luftstrom (9), der durch einen Teil der verdichteten Einsatzluft (8) gebildet wird, nach teilweiser Abkühlung im Hauptwärmetauscher (11) bei einer ersten Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (11) entnommen (12) und in einem Kaltverdichter (13) auf einen zweiten Druck nachverdichtet wird,
    - der kaltverdichtete erste Luftstrom (14) bei einer zweiten Zwischentemperatur, die höher als die erste Zwischentemperatur ist, dem Hauptwärmetauscher (11) wieder zugeführt und im Hauptwärmetauscher (11) weiter abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt wird,
    - der (pseudo-)verflüssigte erste Luftstrom (15) in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet wird,
    - ein zweiter Luftstrom (10), der durch einen Teil der verdichteten Einsatzluft (8) gebildet wird, in dem Hauptwärmetauscher (11) auf eine dritte Zwischentemperatur abgekühlt, unter der dritten Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (11) entnommen (20) und anschließend arbeitsleistend entspannt (21) wird,
    - der arbeitsleistend entspannte zweite Luftstrom (22) ebenfalls in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet wird,
    - ein flüssiger Produktstrom (37) aus dem Destilliersäulen-System entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (38) und unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher (11) verdampft oder pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiger Druckproduktstrom (39) abgezogen wird und
    - ein erster Teil der bei der arbeitsleistenden Entspannung (21) erzeugten
    mechanischen Energie zum Antrieb des Kaltverdichters (13) eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftstrom (10) durch einen anderen Teil der verdichteten Einsatzluft (8) gebildet wird als der erste Luftstrom (9).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte kaltverdichtete zweite Luftstrom (14) im Hauptwärmetauscher (11) (pseudo-)verflüssigt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte in den Hauptwärmetauscher (11) eingeführte verdichtete Einsatzluft (8) auf den ersten und den zweiten Luftstrom (9, 10) aufgeteilt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Teil der bei der arbeitsleistenden Entspannung erzeugten mechanischen Energie auf eine warme Bremseinrichtung (23), insbesondere auf eine dissipative Bremse, insbesondere eine Ölbremse, oder einen elektrischen Generator, insbesondere einen hochfrequenten Generator, übertragen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Austrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung etwa gleich.dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltverdichter mit einem Druckverhältnis von 1,6 bis 2,4 betrieben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Gesamtmenge an flüssig erzeugten Produkten nicht mehr als 5 % der Einsatzluftmenge, insbesondere nicht mehr als 4 % der Einsatzluftmenge, insbesondere nicht mehr als 3 % der Einsatzluftmenge beträgt.
  8. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
    - mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist,
    - mit einem Hauptluftverdichter (3) zum Verdichten von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck, der deutlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (17) ist,
    - mit Mitteln zum Einleiten der verdichteten Einsatzluft (8) in einen Hauptwärmetauscher (11) zur Abkühlung gegen Rückströme,
    - mit Mitteln zum Entnehmen (12) eines ersten Luftstroms (9), der durch einen Teil der verdichteten Einsatzluft (8) gebildet wird, nach teilweiser Abkühlung auf eine erste Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (11),
    - mit einem Kaltverdichter (13) zum Nachverdichten des entnommenen ersten Luftstroms auf einen zweiten Druck,
    - mit Mitteln zum Zuführen des kaltverdichteten ersten Luftstroms (14) zum Hauptwärmetauscher (11) bei einer zweiten Zwischentemperatur, die höher als die erste Zwischentemperatur ist, zwecks dessen weiteren Abkühlung und Verflüssigung beziehungsweise Pseudo-Verflüssigung im Hauptwärmetauscher (11),
    - mit Mitteln zum Einleiten des (pseudo-)verflüssigten ersten Luftstroms (15) in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung,
    - mit Mitteln zum Entnehmen (20) eines zweiten Luftstroms (10), der durch einen Teil der verdichteten Einsatzluft (8) gebildet wird, nach teilweiser Abkühlung auf eine dritte Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (11),
    - mit Mitteln zur arbeitsleistenden Entspannung (21) des entnommenen zweiten Luftstroms (20),
    - mit Mitteln zum Einleiten des arbeitsleistend entspannten zweiten Luftstroms (22) in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung,
    - mit Mitteln zum Entnehmen eines flüssigen Produktstroms (37) aus dem Destilliersäulen-System,
    - mit Mitteln (38) zur Druckerhöhung auf einen erhöhten Druck des flüssigen Produktstroms (37)
    - mit Mitteln zum Einleiten des flüssigen Produktstroms unter diesem erhöhten Druck in den Hauptwärmetauscher (11) zwecks Verdampfen oder Pseudo-Verdampfen
    - mit Mitteln zum Abziehen des (pseudo-)verdampften Produktstroms als gasförmiger Druckproduktstrom (39) und
    - mit Mitteln zum Übertragen eines ersten Teils der bei der arbeitsleistenden Entspannung (21) erzeugten mechanischen Energie auf den Kaltverdichter (13),
    dadurch gekennzeichnet, das die Mittel zum Entnehmen (12) eines ersten Luftstroms (9) und die Mittel zum Entnehmen (20) eines zweiten Luftstroms (10) so ausgebildet sind, dass beim Betrieb der Vorrichtung der zweite Luftstrom (10) durch einen anderen Teil der verdichteten Einsatzluft (8) gebildet wird als der erste Luftstrom (9).
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zuführen des kaltverdichteten ersten Luftstroms (14) zum Hauptwärmetauscher (11) so ausgebildet sind, dass beim Betrieb der Vorrichtung der gesamte kaltverdichtete zweite Luftstrom (14) im Hauptwärmetauscher (11) (pseudo-)verflüssigt wird.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Mittel zur Führung von Einsatzluft so ausgebildet sind, dass beim Betrieb der Vorrichtung die gesamte in den Hauptwärmetauscher (11) eingeführte verdichtete Einsatzluft (8) auf den ersten und den zweiten Luftstrom (9, 10) aufgeteilt wird.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel zum Übertragen eines zweiten Teils der bei der arbeitsleistenden Entspannung (21) erzeugten mechanischen Energie auf eine warme Bremseinrichtung (23), insbesondere auf eine dissipative Bremse, insbesondere eine Ölbremse, oder einen elektrischen Generator, insbesondere einen hochfrequenten Generator.
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