EP2458311A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft Download PDF

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EP2458311A1
EP2458311A1 EP10015788A EP10015788A EP2458311A1 EP 2458311 A1 EP2458311 A1 EP 2458311A1 EP 10015788 A EP10015788 A EP 10015788A EP 10015788 A EP10015788 A EP 10015788A EP 2458311 A1 EP2458311 A1 EP 2458311A1
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EP
European Patent Office
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pressure
compressor
partial flow
air
warm
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Withdrawn
Application number
EP10015788A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Dr. 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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    • F25J3/04333—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using quasi-closed loop internal vapor compression refrigeration cycles, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
    • F25J3/04339—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using quasi-closed loop internal vapor compression refrigeration cycles, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of air
    • F25J3/04345—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using quasi-closed loop internal vapor compression refrigeration cycles, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of air and comprising a gas work expansion loop
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    • F25J3/04393—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc. using multiple or multistage gas work expansion
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    • F25J3/04406—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
    • 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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    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/40—Air or oxygen enriched air, i.e. generally less than 30mol% of O2

Definitions

  • the invention relates to a method for obtaining a gaseous printed product by 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 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.
  • a liquid pressurized oxygen product stream is vaporized against a heat carrier and finally recovered as a gaseous pressure product.
  • This method is also called internal compression. It serves for the production of pressure oxygen. In the case of a supercritical pressure, no phase transition takes place in the true sense, the product stream is then "pseudo-evaporated".
  • a high-pressure heat carrier is liquefied (or pseudo-liquefied when it is under supercritical pressure).
  • the heat transfer medium is often formed by part of the air, in the present case by the "second partial flow" of the compressed feed air.
  • EP 1139046 A1 EP 1146301 A1 .
  • expansion machine includes any machine for work-relaxing a process stream.
  • the expansion machines are formed in the invention by expansion turbines.
  • 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. It serves to cool the feed air streams in indirect heat exchange with return streams from the distillation column system.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method of the type mentioned above and a corresponding device, which are economically particularly favorable to operate.
  • At least a portion of the air from the second expansion machine (third partial flow) is not discarded, but used in the rectification, more precisely in the low pressure column.
  • the yield of the system is increased and the already put into the third partial flow cleaning effort is not lost;
  • the second expansion machine can still be operated with a particularly low outlet pressure, ie with relatively high power.
  • the outlet pressure of the second expansion machine is approximately equal to the operating pressure of the low-pressure column (plus line losses).
  • it may be higher than the low pressure column pressure, but this would be associated with energy losses and may only be useful in special circumstances.
  • the entire third partial flow can be performed in the low-pressure column.
  • at least 30%, in particular at least 50%, of the work-performing expanded third partial stream are introduced into the low-pressure column.
  • third partial flow here refers to the entire air flow guided through the second expansion machine.
  • the rest of the working part of the relaxed third partial stream or a part thereof can be returned to the air compressor.
  • it is fed to the air compressor at the inlet or at an intermediate stage, usually at the inlet.
  • a part of the work-performing expanded third partial flow is discharged into the atmosphere. This may be useful, in particular, when the outlet pressure of the second expansion machine is at the level of the low-pressure column pressure.
  • the total feed air can be compressed together in the warm after-compressor, ie in particular the first, the second and the third partial flow.
  • Air ducts possibly diverted for other purposes, so-called instrument air, are not counted here as "total feed air”.
  • the diversion of the third partial flow from other air parts then takes place downstream of the warm after-compressor. This procedure is particularly useful for serial connection of the turbines, but can also be used in parallel connection.
  • the first and the second partial flow are recompressed in the warm after-compressor, and the third partial flow is conducted past the warm after-compressor.
  • the diversion of the third partial flow of other air parts takes place here upstream of the warm after-compressor.
  • the second partial flow is recompressed in the warm after-compressor, and the first and the third partial flow are conducted past the warm after-compressor.
  • the diversion of the third partial flow of other parts of the air also takes place here upstream of the warm after-compressor or downstream of the common branch of the first and third partial flow from the purified, but not recompressed feed air flow.
  • the third partial flow is introduced into the second expansion machine at approximately the outlet pressure of the air compressor or below approximately the outlet pressure of the warm after-compressor.
  • the splitting into the first and third partial flow takes place upstream of the work-performing depressions.
  • the two relaxation machines are connected in parallel.
  • the third partial flow is expanded together with the first partial flow in the first expansion machine and fed downstream of the first expansion machine separately from the first partial flow of the second expansion machine.
  • the splitting into the first and third partial flow is therefore carried out only upstream of the first expansion machine.
  • the two expansion machines are connected in series.
  • the air compressor is the only external energy driven machine for compressing air.
  • a single machine is meant here a single stage or multi-stage compressor whose stages are all connected to the same drive, all stages in the same Housing housed or connected to the same gear.
  • the entire feed air is compressed to a pressure which is significantly above the highest pressure of the distillation column system, in particular significantly above the operating pressure of the high-pressure column.
  • This pressure difference between the outlet pressure of the air compressor and the operating pressure of the high-pressure column is, for example, at least 4 bar and is preferably between 6 and 16 bar.
  • the compressed in the air compressor total air (except for possible smaller proportions such as instrument air) is preferably completely divided among the three sub-streams.
  • a nitrogen internal compression can be supplemented by removing a liquid nitrogen product stream from the distillation column system, brought to elevated pressure in the liquid state, vaporized or pseudo-evaporated under this elevated pressure in the main heat exchanger, warmed to about ambient temperature and finally withdrawn as a gaseous nitrogen pressure product stream.
  • the invention also relates to a device according to claim 12.
  • the device according to the invention can be supplemented by the following features, which can be applied individually independently of each other or in any combination.
  • the distillation column system is designed as a classic Linde double column system in which the low-pressure column 90 and the high-pressure column 80 are arranged one above the other and are in heat exchanging connection via a main condenser.
  • the first and the third partial flow 11, 13 are here jointly led by the outlet of the cleaning device 5 via line 10 to the warm end of the main heat exchanger 14.
  • a liquid oxygen product stream 30 is withdrawn from the low pressure column 90, pressurized (52) in a liquid state pump (52), vaporized under this elevated pressure in the main heat exchanger or, if the pressure is higher than the critical pressure, pseudo-liquid. evaporated, warmed to about ambient temperature and finally withdrawn as a gaseous oxygen pressure product stream 33.
  • a nitrogen-pressure product can also be obtained by means of internal compression.
  • a liquid nitrogen product stream from the high-pressure column or its top condenser, the main condenser is brought in a pump in the liquid state to an elevated pressure, evaporated under this increased pressure in the main heat exchanger or, if the pressure is higher than the critical pressure, pseudo -Vaporized, warmed to about ambient temperature and finally withdrawn as a gaseous nitrogen pressure product stream.
  • the second partial flow 7 can be precooled upstream of the hot secondary compressor 8.
  • the aftercooler may then be omitted under certain circumstances.
  • FIG. 2 differs from FIG. 1 exclusively in that the third partial flow 13 upstream of the second expansion machine 25 is not cooled in the main heat exchanger 14, but is led directly below approximately ambient temperature for work-performing expansion. Accordingly, the exit temperature of the expansion machine 25 is greater and line 28 is therefore introduced at a higher intermediate temperature in the main heat exchanger as-stream 20 from the cold compressor 19th
  • FIG. 3 differs from FIG. 1 solely in that the remainder 28 of the work-performing expanded third partial stream 26, which does not pass via line 27 into the low-pressure column 90, is not supplied to the air compressor, but is discharged via line 329 into the atmosphere.
  • FIG. 4 differs from FIG. 1 exclusively in that not only the second partial flow 12, but also the first partial flow 11 in the warm secondary compressor 8 is recompressed.
  • the third partial stream 413 is branched off directly downstream of the cleaning device 5.
  • FIGS. 2 to 4 can be combined with one another as desired.
  • the common recompression of the first and the second partial flow according to FIG. 4 also in the method according to Figures 2 and 3 be applied.
  • FIG. 5 corresponds largely to a combination of FIG. 2 (Blowing the remainder 28, 329 of the working expanded third partial stream 26 into the atmosphere; alternatively, the stream 329 could also be analogous to FIG. 1 be led to the air compressor) with the FIG. 4 (common warm re-compression of the first partial flow 11 and the second partial flow 413), however, are in FIG. 5 the two expansion machines 16, 525 not parallel, but connected in series.
  • the first and the third partial flow are here jointly (lines 510 and 515) of the first expansion machine 16 fed.
  • the work-relaxing relaxed common flow 516 is in the Example introduced into the high-pressure column 80, wherein the first partial flow ascends as steam in the interior of the high-pressure column.
  • the third partial flow 513 is removed again directly at the feed point. (Equivalently, the division between the first and third partial streams could also be carried out upstream of the high-pressure column 80, the third partial stream would then be conducted past the high-pressure column 80.
  • FIG. 6 represents a modification of the FIG. 5 Here is - analogous to FIG. 1 - Only the second partial flow 12 in the warm booster 8 nachverêtt. The first and the third partial flow are passed together via line 610 to the secondary compressor 8.

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Erzeugung eines gasförmigen Sauerstoff-Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System, das mindestens eine Niederdrucksäule (90) und eine Hochdrucksäule (80) aufweist. Einsatzluft (1) wird in einem Luftverdichter (2) verdichtet. Die verdichtete Einsatzluft (3) wird gereinigt. Mindestens ein Teil (7) der gereinigten Einsatzluft (6) wird in einem warmen Nachverdichter (8) nachverdichtet. Ein erster Teilstrom (11, 15) der gereinigten Einsatzluft (6) wird in einer ersten Entspannungsmaschine (16) arbeitsleistend entspannt und mindestens zum Teil in die Hochdrucksäule (80) eingeleitet (17). Ein zweiter Teilstrom (12, 18) der gereinigten Einsatzluft (6) wird in einem Hauptwärmetauscher (14) auf eine Zwischentemperatur abgekühlt, in einem Kaltverdichter (19) nachverdichtet, im Hauptwärmetauscher (14) weiter abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt und anschließend in das Destilliersäulen-System eingeleitet (21, 23). Ein dritter Teilstrom (13, 413, 513, 24) der gereinigten Einsatzluft (6) wird in einer zweiten Entspannungsmaschine (25) arbeitsleistend entspannt. Ein flüssiger Sauerstoff-Produktstrom (30, 32) wird aus dem Destilliersäulen-System entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (31), unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher (14) verdampft oder pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiger Sauerstoff-Druckproduktstrom (33) abgezogen. Die beiden Entspannungsmaschinen (16, 25) sind mit je einer der beiden Verdichtungsmaschinen, dem warmen Nachverdichter (8) und dem Kaltverdichter (19), gekoppelt. Mindestens ein Teil (27) des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms (26) wird in die-Niederdrucksäule (90) eingeleitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind 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 (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem) ausgebildet sein, 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.
  • Bei dem Prozess wird ein flüssig auf Druck gebrachter Sauerstoff-Produktstrom gegen einen Wärmeträger verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen. Diese Methode wird auch als Innenverdichtung bezeichnet. Sie dient zur Gewinnung von Drucksauerstoff. Für den Fall eines überkritischen Drucks findet kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne statt, der Produktstrom wird dann "pseudo-verdampft".
  • Gegen den (pseudo-)verdampfenden Produktstrom wird ein unter hohem Druck stehender Wärmeträger verflüssigt (beziehungsweise pseudo-verflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht). Der Wärmeträger wird häufig durch einen Teil der Luft gebildet, im vorliegenden Fall von dem "zweiten Teilstrom" der verdichteten Einsatzluft.
  • Innenverdichtungsverfahren sind zum Beispiel bekannt aus DE 830805 , DE 901542 (= US 2712738 / US 2784572 ), DE 952908 , DE 1103363 (= US 3083544 ), DE 1112997 (= US 3214925 ), DE 1124529 , DE 1117616 (= US 3280574 ), DE 1226616 (= US 3216206 ), DE 1229561 (= US 3222878 ), DE 1199293 , DE 1187248 (= US 3371496 ), DE 1235347 , DE 1258882 (= US 3426543 ), DE 1263037 (= US 3401531 ), DE 1501722 (= US 3416323 ), DE 1501723 (= US 3500651 ), DE 253132 (= US 4279631 ), DE 2646690 , EP 93448 B1 (= US 4555256 ), EP 384483 B1 (= US 5036672 ), EP 505812 B1 (= US 5263328 ), EP 716280 B1 (= US 5644934 ), EP 842385 B1 (= US 5953937 ), EP 758733 B1 (= US 5845517 ), EP 895045 B1 (= US 6038885 ), DE 19803437 A1 , EP 949471 B1 (= US 6185960 B1 ), EP 955509 A1 (= US 6196022 B1 ), EP 1031804 A1 (= US 6314755 ), DE 19909744 A1 , EP 1067345 A1 (= US 6336345 ), EP 1074805 A1 (= US 6332337 ), DE 19954593 A1 , EP 1134525 A1 (= US 6477860 ), DE 10013073 A1 , EP 1139046 A1 , EP 1146301 A1 , EP 1150082 A1 , EP 1213552 A1 , DE 10115258 A1 , EP 1284404 A1 (= US 2003051504 A1 ). EP 1308680 A1 (= US 6612129 B2 ), DE 10213212 A1 , DE 10213211 A1 , EP 1357342 A1 oder DE 10238282 A1 DE 10302389 A1 , DE 10334559 A1 , DE 10334560 A1 , DE 10332863 A1 , EP 1544559 A1 , EP 1585926 A1 , DE 102005029274 A1 EP 1666824 A1 , EP 1672301 A1 , DE 102005028012 A1 , WO 2007033838 A1 , WO 2007104449 A1 , EP 1845324 A1 , DE 102006032731 A1 , EP 1892490 A1 , DE 102007014643 A1 , A1, EP 2015012 A2 , EP 2015013 A2 , EP 2026024 A1 , WO 2009095188 A2 oder DE 102008016355 A1 .
  • Der Begriff "Entspannungsmaschine" umfasst jede Maschine zur arbeitsleistenden Entspannung eines Prozessstroms. Bevorzugt werden die Entspannungsmaschinen bei der Erfindung durch Expansionsturbinen gebildet.
  • Der "Hauptwärmetauscher" kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken. Er dient zur Abkühlung der Einsatzluftströme in indirektem Wärmeaustausch mit Rückströmen aus dem Destilliersäulen-System.
  • Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus WO 2008110734 A2 bekannt. Bei diesem Prozess ist entscheidend, dass die zweite Entspannungsmaschine abschaltbar ist und der gesamte dritte Teilstrom stromabwärts der zweiten Entspannungsmaschine in die Atmosphäre abgeblasen wird, damit er die Rektifikation nicht stört.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig zu betreiben sind.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein Teil der Luft aus der zweiten Entspannungsmaschine (dritter Teilstrom) nicht verworfen, sondern in der Rektifikation verwendet, genauer in der Niederdrucksäule. Damit wird einerseits die Ausbeute der Anlage erhöht und der bereits in den dritten Teilstrom gesteckte Reinigungsaufwand geht nicht verloren; andererseits kann die zweite Entspannungsmaschine nach wie vor mit einem besonders niedrigen Austrittsdruck, also mit relativ hoher Leistung, betrieben werden.
  • Vorzugsweise ist der Austrittsdruck der zweiten Entspannungsmaschine etwa gleich dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule (plus Leitungsverlusten). Alternativ kann er auch höher als der Niederdrucksäulendruck sein, dies wäre jedoch mit energetischen Verlusten verbunden und kann nur unter besonderen Umständen sinnvoll sein.
  • Im Rahmen der Erfindung kann der gesamte dritte Teilstrom in de Niederdrucksäule geführt werden. Vorzugsweise werden mindestens 30 %, insbesondere mindestens 50 %, des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms in die Niederdrucksäule eingeleitet. (Als "dritter Teilstrom" wird an dieser Stelle der gesamte durch die zweite Entspannungsmaschine geführte Luftstrom bezeichnet.)
  • Der Rest des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms oder ein Teil davon kann in den Luftverdichter zurückgeführt werden. Je nach Austrittsdruck der zweiten Entspannungsmaschine wird er dem Luftverdichter am Eintritt oder an einer Zwischenstufe zugeführt, normalerweise am Eintritt.
  • Alternativ oder zusätzlich ein Teil des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms in die Atmosphäre abgelassen wird. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn der Austrittsdruck der zweiten Entspannungsmaschine auf dem Niveau des Niederdrucksäulendrucks liegt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die gesamte Einsatzluft gemeinsam in dem warmen Nachverdichter nachverdichtet werden, also insbesondere der erste, der zweite und der dritte Teilstrom. (Eventuell für andere Zwecke abgezweigte Luftteile, so genannte Instrumentenluft, werden hier nicht zur "gesamten Einsatzluft" gezählt.) Die Abzweigung des dritten Teilstroms von anderen Luftteilen findet dann stromabwärts des warmen Nachverdichters statt. Diese Verfahrensweise ist insbesondere bei serieller Verbindung der Turbinen sinnvoll, kann aber auch bei Parallelschaltung eingesetzt werden.
  • Alternativ werden der erste und der zweite Teilstrom in dem warmen Nachverdichter nachverdichtet, und der dritte Teilstrom wird an dem warmen Nachverdichter vorbeigeführt. Die Abzweigung des dritten Teilstroms von anderen Luftteilen findet hier stromaufwärts des warmen Nachverdichters statt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Teilstrom in dem warmen Nachverdichter nachverdichtet wird, und der erste und der dritte Teilstrom werden an dem warmen Nachverdichter vorbeigeführt. Die Abzweigung des dritten Teilstroms von anderen Luftteilen findet hier ebenfalls stromaufwärts des warmen Nachverdichters beziehungsweise stromabwärts der gemeinsamen Abzweigung von erstem und drittem Teilstrom aus dem gereinigten, aber nicht nachverdichteten Einsatzluftstrom statt.
  • Zum Beispiel wird der dritte Teilstrom unter etwa dem Austrittsdruck des Luftverdichters beziehungsweise unter etwa dem Austrittsdruck des warmen Nachverdichters in die zweite Entspannungsmaschine eingeführt. In diesem Fall findet die Aufspaltung in den ersten und dritten Teilstrom stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannungen statt. Die beiden Entspannungsmaschinen sind parallel geschaltet.
  • Alternativ wird der dritte Teilstrom gemeinsam mit dem ersten Teilstrom in der ersten Entspannungsmaschine entspannt und stromabwärts der ersten Entspannungsmaschine getrennt von dem ersten Teilstrom der zweiten Entspannungsmaschine zugeleitet. Die Aufspaltung in den ersten und dritten Teilstrom wird also erst stromaufwärts der ersten Entspannungsmaschine durchgeführt. Die beiden Entspannungsmaschinen sind seriell geschaltet.
  • Vorzugsweise stellt bei dem Verfahren der Luftverdichter die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft dar. Unter einer "einzigen Maschine" wird hier ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter verstanden, dessen Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind, wobei alle Stufen in demselben Gehäuse untergebracht oder mit demselben Getriebe verbunden sind. In diesem Luftverdichter wird vorzugsweise die gesamte Einsatzluft auf einen Druck verdichtet, der deutlich über dem höchsten Druck des Destilliersäulen-Systems, insbesondere deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt. Dieser Druckunterschied zwischen dem Austrittsdruck des Luftverdichters und dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise mindestens 4 bar und liegt vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar. In dieser Variante wird die im Luftverdichter verdichtete Gesamtluft (bis auf mögliche kleinere Anteile wie zum Beispiel Instrumentenluft) vorzugsweise vollständig auf die drei Teilströme aufgeteilt.
  • Außerdem kann bei dem Verfahren eine Stickstoff-Innenverdichtung ergänzt werden, indem ein flüssiger Stickstoff-Produktstrom aus dem Destilliersäulen-System entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher verdampft oder pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiger Stickstoff-Druckproduktstrom abgezogen wird.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch die folgenden Merkmale ergänzt werden, die einzeln unabhängig voneinander oder in beliebiger Kombination angewendet werden können.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figuren 1 bis 4
    vier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Parallelschaltung der Entspannungsmaschinen und
    Figuren 5 und 6
    zwei weitere Ausführungsbeispiel mit serieller Schaltung der Entspannungsmaschinen.
  • In seiner Funktion nicht dargestellt ist in den Figuren das Destilliersäulen-System; es ist als klassisches Linde-Doppelsäulensystem ausgestaltet, bei dem Niederdrucksäule 90 und Hochdrucksäule 80 übereinander angeordnet sind und über einen Hauptkondensator in wärmetauschender Verbindung stehen.
  • In Figur 1 wird atmosphärische Luft als Einsatzluft über Leitung 1 von einem Luftverdichter 2 angesaugt und dort auf einen Druck verdichtet, der deutlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule 80 ist. Der Luftverdichter ist in der Regel mehrstufig, insbesondere vier-, fünf- oder sechsstufig ausgebildet. In der Figur 1 ist ein vierstufiger Luftverdichter gezeichnet, wobei sich zwischen den Stufen je ein Zwischenkühler befindet. Die verdichtete Einsatzluft 3 wird einer Vorkühlung 4 ("Precooling") zugeführt, in dem die Verdichtungswärme der letzten Stufe des Luftverdichters in direktem oder indirektem Wärmeaustausch mit Kühlwasser entfernt wird. Die vorgekühlte Einsatzluft wird in einer Reinigungseinrichtung 5, die vorzugsweise als Molekularsieb-Adsorber ausgebildet ist, gereinigt. Die gereinigte Einsatzluft 6 wird in dem Ausführungsbeispiel drei Teilströme aufgeteilt, die alle in einem Hauptwärmetauscher 14 abgekühlt werden:
    • Ein erster Teilstrom 11 wird nach Abkühlung im Hauptwärmetauscher 14 auf eine erste Zwischentemperatur über Leitung 15 der arbeitsleistenden Entspannung in einer ersten Entspannungsmaschine 16 zugeführt und anschließend über Leitung 17 in die Hochdrucksäule 80 des Destilliersäulen-Systems eingeleitet.
    • Ein zweiter Teilstrom 12 wird zunächst über Leitung 7 zu einem warmen Nachverdichter 8 mit Nachkühler 9 geführt und dort nachverdichtet; der nachverdichtete zweite Teilstrom 12 wird im Hauptwärmetauscher 14 auf eine zweite Zwischentemperatur abgekühlt, über Leitung 18 aus dem Hauptwärmetauscher 14 entnommen, in einem Kaltverdichter 19 weiter verdichtet, bei einer dritten Zwischentemperatur über Leitung 20 wieder in den Hauptwärmetauscher 14 eingeführt und dort weiter abgekühlt und schließlich verflüssigt beziehungsweise - falls der Druck des zweiten Teilstroms überkritisch ist
    • pseudo-verflüssigt. Der (pseudo-)verflüssigte zweite Teilstrom 21 wird in einem Drosselventil 22 auf etwa den Druck der Hochdrucksäule 80 entspannt und schließlich in die Hochdrucksäule 80 eingeleitet. Ein Teil des entspannten dritten Teilstroms 23 kann auch direkt in die Niederdrucksäule 90 eingespeist werden.
    • Ein dritter Teilstrom 13 der gereinigten Einsatzluft 6 wird nach Abkühlung im Hauptwärmetauscher 14 auf eine vierte Zwischentemperatur abgekühlt, und über Leitung 24 der arbeitsleistenden Entspannung in einer zweiten Entspannungsmasphine 25 zugeführt. Der arbeitsleistend auf etwas über Niederdrucksäulendruckentspannte dritte Teilstrom 26 wird zu einem ersten Teil, der etwa 50 % umfasst, über Leitung 27 in die Niederdrucksäule 90 des Destilliersäulen-Systems eingeleitet. Der Rest 28 wird im Hauptwärmetauscher 14 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über Leitung 29 dem Luftverdichter am Eintritt zugeführt.
  • Der erste und der dritte Teilstrom 11, 13 werden hier gemeinsam vom Austritt der Reinigungseinrichtung 5 über Leitung 10 zum warmen Ende des Hauptwärmetauschers 14 geführt.
  • Ein flüssiger Sauerstoff-Produktstrom 30 wird aus der Niederdrucksäule 90 entnommen, in einer Pumpe 31 in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (52), unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher verdampft oder, falls der Druck höher als der kritische Druck ist, pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiger Sauerstoff-Druckproduktstrom 33 abgezogen.
  • Auch ein Stickstoff-Druckprodukt kann mittels Innenverdichtung gewonnen werden. Hierzu wird ein flüssiger Stickstoff-Produktstrom aus der Hochdrucksäule oder deren Kopfkondensator, dem Hauptkondensator entnommen, in einer Pumpe in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher verdampft oder, falls der Druck höher als der kritische Druck ist, pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiger Stickstoff-Druckproduktstrom abgezogen werden.
  • Weitere Rückströme aus dem Destilliersäulen-System sind gasförmiger Sauerstoff 36, unreiner Stickstoff 35 und reiner Stickstoff 36. Außerdem können Flüssigsauerstoff und Flüssigstickstoff sowohl aus der Hochdrucksäule als auch aus der Niederdrucksäule entnommen werden. Die gasförmigen Produkte werden im Hauptwärmetauscher 14 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über die Leitungen 37,-38 und 39 abgezogen.
  • In der fakultativen Passagengruppe 40 des Hauptwärmetauschers 14 kann der zweite Teilstrom 7 stromaufwärts des warmen Nachverdichters 8 vorgekühlt werden. Der Nachkühler kann dann unter Umständen entfallen.
  • Figur 2 unterscheidet sich von Figur 1 ausschließlich dadurch, dass der dritte Teilstrom 13 stromaufwärts der zweiten Entspannungsmaschine 25 nicht im Hauptwärmetauscher 14 abgekühlt wird, sondern direkt unter etwa Umgebungstemperatur zur arbeitsleistenden Entspannung geführt wird. Entsprechend ist auch die Austrittstemperatur der Entspannungsmaschine 25 größer und Leitung 28 wird daher bei einer höheren Zwischentemperatur in dem Hauptwärmetauscher eingeführt als-Strom 20 aus dem Kaltverdichter 19.
  • Figur 3 unterscheidet sich von Figur 1 ausschließlich dadurch, dass der Rest 28 des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms 26, der nicht über Leitung 27 in die Niederdrucksäule 90 geht, nicht dem Luftverdichter zugeführt, sondern über Leitung 329 in die Atmosphäre abgelassen wird.
  • Figur 4 unterscheidet sich von Figur 1 ausschließlich dadurch, dass nicht nur der zweite Teilstrom 12, sondern auch der erste Teilstrom 11 im warmen Nachverdichter 8 nachverdichtet wird. Der dritte Teilstrom 413 wird direkt stromabwärts der Reinigungseinrichtung 5 abgezweigt.
  • Die speziellen Merkmale der Figuren 2 bis 4 können selbstverständlich untereinander beliebig kombiniert werden. Insbesondere kann die gemeinsam Nachverdichtung des ersten und des zweiten Teilstroms gemäß Figur 4 auch in den Verfahren gemäß den Figuren 2 und 3 angewendet werden.
  • Figur 5 entspricht weitgehend einer Kombination der Figur 2 (Abblasen des Rests 28, 329 des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms 26 in die Atmosphäre; alternativ könnte der Strom 329 auch analog zu Figur 1 zum Luftverdichter geführt werden) mit der Figur 4 (gemeinsame warme Nachverdichtung des ersten Teilstroms 11 und des zweiten Teilstroms 413), allerdings sind in Figur 5 die beiden Entspannungsmaschinen 16, 525 nicht parallel, sondern seriell verbunden. Der erste und der dritte Teilstrom werden hier gemeinsam (Leitungen 510 und 515) der ersten Entspannungsmaschine 16 zugeleitet. Der arbeitsleistend entspannte gemeinsame Strom 516 wird in dem Beispiel in die Hochdrucksäule 80 eingeleitet, wobei der erste Teilstrom als Dampf im Inneren der Hochdrucksäule aufsteigt. Der dritte Teilstrom 513 wird unmittelbar an der Einspeisestelle wieder entnommen. (Äquivalent dazu könnte die Aufteilung zwischen erstem und drittem Teilstrom auch stromaufwärts der Hochdrucksäule 80 durchgeführt werden; der dritte Teilstrom würde dann an der Hochdrucksäule 80 vorbeigeführt.
  • Figur 6 stellt eine Abwandlung der Figur 5 dar. Hier wird - analog zu Figur 1 - nur der zweite Teilstrom 12 in dem warmen Nachverdichter 8 nachverdichtet. Der erste und der dritte Teilstrom werden gemeinsam über Leitung 610 am Nachverdichter 8 vorbeigeführt.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines gasförmigen Sauerstoff-Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System, das mindestens eine Niederdrucksäule (90) und eine Hochdrucksäule (80) aufweist, wobei bei dem Verfahren
    - Einsatzluft (1) in einem Luftverdichter (2) verdichtet wird,
    - die verdichtete Einsatzluft (3) gereinigt wird,
    - mindestens ein Teil (7) der gereinigten Einsatzluft (6) in einem warmen Nachverdichter (8) nachverdichtet wird,
    - ein erster Teilstrom (11, 15) der gereinigten Einsatzluft (6) in einer ersten Entspannungsmaschine (16) arbeitsleistend entspannt wird, und mindestens zum Teil in die Hochdrucksäule (80) eingeleitet (17) wird,
    - ein zweiter Teilstrom (12, 18) der gereinigten Einsatzluft (6) in einem Hauptwärmetauscher (14) auf eine Zwischentemperatur abgekühlt, in einem Kaltverdichter (19) nachverdichtet, im Hauptwärmetauscher (14) weiter abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt und anschließend in das Destilliersäulen-System eingeleitet (21, 23) wird,
    - ein dritter Teilstrom (13, 413, 513, 24) der gereinigten Einsatzluft (6) in einer zweiten Entspannungsmaschine (25) arbeitsleistend entspannt wird,
    - ein flüssiger Sauerstoff-Produktstrom (30, 32) aus dem Destilliersäulen-System entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (31), unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher (14) verdampft oder pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiger Sauerstoff-Druckproduktstrom (33) abgezogen wird,
    - die beiden Entspannungsmaschinen (16, 25) mit je einer der beiden Verdichtungsmaschinen, dem warmen Nachverdichter (8) und dem Kaltverdichter (19), gekoppelt sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - mindestens ein Teil (27) des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms (26) in die Niederdrucksäule (90) eingeleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 30 %, insbesondere mindestens 50 % des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms in die Niederdrucksäule eingeleitet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (28, 29) des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms (26) in den Luftverdichter zurückgeführt wird, insbesondere zu dessen Eintritt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (28, 329) des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms (26) in die. Atmosphäre abgelassen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, der zweite und der dritte Teilstrom in dem warmen Nachverdichter (8) nachverdichtet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Teilstrom in dem warmen Nachverdichter (8) nachverdichtet werden und der dritte Teilstrom (13, 413) an dem warmen Nachverdichter (8) vorbeigeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilstrom in dem warmen Nachverdichter nachverdichtet wird und der erste und der dritte Teilstrom an dem warmen Nachverdichter (8) vorbeigeführt (10, 510) werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teilstrom (13, 413) unter etwa dem Austrittsdruck des Luftverdichters (2) beziehungsweise unter etwa dem Austrittsdruck des warmen Nachverdichters (8) in die zweite Entspannungsmaschine eingeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teilstrom (513) gemeinsam (510, 515) mit dem ersten Teilstrom in der ersten Entspannungsmaschine (16) entspannt wird und stromabwärts der ersten Entspannungsmaschine (16) getrennt von dem ersten Teilstrom der zweiten Entspannungsmaschine (24) zugeleitet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftverdichter (2) die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft darstellt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Stickstoff-Produktstrom aus dem Destilliersäulen-System entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher verdampft oder pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiger Stickstoff-Druckproduktstrom abgezogen wird.
  12. Vorrichtung zur Erzeugung eines gasförmigen Sauerstoff-Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft
    - mit einem Destilliersäulen-System, das mindestens eine Niederdrucksäule (90) und eine Hochdrucksäule (80) aufweist,
    - mit einem Luftverdichter (2) zum Verdichten von Einsatzluft (1),
    - mit einer Reinigungseinrichtung (5) zum Reinigen der verdichteten Einsatzluft,
    - mit einem warmen Nachverdichter (8) zum Nachverdichten mindestens eines Teils (7) der gereinigten Einsatzluft (6),
    - mit einer ersten Entspannungsmaschine (16) zum arbeitsleistenden Entspannen eines ersten Teilstroms (11, 15) der gereinigten Einsatzluft (6),
    - mit Mitteln zum Einleiten (17) des entspannten ersten Teilstroms in die Hochdrucksäule (80),
    - mit einem Hauptwärmetauscher (14) zum Abkühlen eines zweiten Teilstrom (12, 18) der gereinigten Einsatzluft (6) auf eine Zwischentemperatur
    - mit einem Kaltverdichter (19) zum Nachverdichten des abgekühlten zweiten Teilstroms,
    - mit Mitteln zum weiteren Abkühlen und Verflüssigen oder Pseudo-Verflüssigen des nachverdichteten zweiten Teilstroms,
    - mit Mitteln zum Einleiten (21, 23) des (pseudo-)verflüssigten zweiten Teilstroms in das Destilliersäulen-System,
    - mit einer zweiten Entspannungsmaschine (25) zum arbeitsleistenden Entspannen eines dritten Teilstroms (13, 413, 513, 24) der gereinigten Einsatzluft (6),
    - mit Mitteln, um einen flüssigen Sauerstoff-Produktstrom (30, 32) aus dem Destilliersäulen-System zu entnehmen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck zu bringen (31), unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher (14) zu verdampfen oder zu pseudo-verdampfen, auf etwa Umgebungstemperatur anzuwärmen und schließlich als gasförmiger Sauerstoff-Druckproduktstrom (33) abzuziehen,
    - mit Mitteln zur Kopplung der beiden Entspannungsmaschinen (16, 25) mit je einer der beiden Verdichtungsmaschinen, dem warmen Nachverdichter (8) und dem Kaltverdichter (19),
    gekennzeichnet durch
    - Mittel zum Einleiten mindestens eines Teils (27)des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms (26) in die Niederdrucksäule (90).
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