EP3343159A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von gasförmigem sauerstoff und gasförmigem druckstickstoff - Google Patents

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EP3343159A1
EP3343159A1 EP16020518.3A EP16020518A EP3343159A1 EP 3343159 A1 EP3343159 A1 EP 3343159A1 EP 16020518 A EP16020518 A EP 16020518A EP 3343159 A1 EP3343159 A1 EP 3343159A1
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EP
European Patent Office
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pressure column
nitrogen
low
pressure
oxygen
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16020518.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dimitri GOLUBEV
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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    • F25J2215/54—Oxygen production with multiple pressure O2
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    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/12—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being nitrogen
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    • F25J2250/50—One fluid being oxygen

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention relates in particular to gas and steam power plants (CCGT), internationally most commonly referred to as IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle).
  • CCGT gas and steam power plants
  • IGCC Integrated Gasification Combined Cycle
  • the present invention relates to processes involving relatively high pressure GAN, namely from 0.7.2 to about 1.5 times the amount of oxygen product. So far, this requirement has been conventionally solved, for example, with a double-column method with removal of the pressure GAN from the high-pressure column and injection turbine, ie the introduction of turbine-relaxed air into the low-pressure column, for generating the process refrigeration; Here one achieves only a relatively poor oxygen yield and requires a lot of feed air.
  • Another method employing a dual column method of removing the pressure GAN from the high pressure column includes a low pressure GAN reboiler and an injection turbine for refrigeration. Here also an additional machine is used.
  • the invention is therefore based on the object to find a method which not only efficiently generates the desired product combination, but also requires relatively low investment costs.
  • Refrigeration production is further improved by heating the nitrogen-enriched intermediate fraction upstream of the work-performing expansion.
  • it is heated in the main heat exchanger to an intermediate temperature of, for example, 100 to 120 K, preferably 100 to 110 K.
  • the low-pressure column intermediate evaporator has a particularly efficient evaporation. This is made possible in particular by being designed either as a forced-flow evaporator or as a falling-film evaporator.
  • the entire feed air is compressed in all stages of a three-stage main air compressor to its final pressure.
  • the three-stage main air compressor is the only machine that operates on external energy.
  • the oxygen fraction can be withdrawn directly in gaseous form from the low-pressure column, warmed in the main heat exchanger and recovered as a product.
  • the oxygen fraction is removed in the liquid state from the lower region of the low pressure column and the heating in the main heat exchanger in a secondary condenser, which is designed as a condenser-evaporator, is vaporized in indirect heat exchange with a partial flow of the feed air .
  • the secondary condenser causes a slight increase in the discharge pressure, for example by 0.2 bar and a slight increase in the oxygen content, without the additional energy would be expended.
  • high-pressure oxygen can also be obtained by internal compression of the low-pressure column bottoms liquid or of the liquid from the evaporation space of a secondary condenser.
  • the invention also relates to a device according to claim 10.
  • the device according to the invention can be supplemented by device features that correspond to the characteristics of individual, several or all dependent method claims.
  • atmospheric air (AIR) 1 is compressed via a filter 2 by a three-stage main air compressor 3 with intermediate cooling (not shown).
  • the compressed to about 5.5 bar feed air 4 is further treated in a pre-cooling 5 and a cleaning device 6.
  • the compressed and purified feed air 7 is introduced into a main heat exchanger 8 and cooled there to about dew point.
  • a first portion 10 of the cooled feed air is introduced directly into the high pressure column 11 of a distillation column system for nitrogen-oxygen separation.
  • the distillation column system for nitrogen-oxygen separation also comprises a low-pressure column 12, a main condenser 13 and a low-pressure column intermediate evaporator 14.
  • the two capacitors 13, 14 are each formed as a condenser-evaporator.
  • a second part 15 of the cooled feed air 9 flows through the liquefaction space of a secondary condenser 16, which is likewise designed as a condenser-evaporator and functions as a bath evaporator.
  • the completely or partially liquefied air 17 is supplied to the high-pressure column 11 at an intermediate point. At least a portion 18 of the liquid air is removed again, cooled in a supercooling countercurrent 19 and fed via line 20 of the low pressure column 12.
  • Liquid crude oxygen 21 of the high pressure column 11 is also supercooled in the subcooler countercurrent 19 and then flows via line 22 to the low pressure column 12.
  • Gaseous overhead nitrogen 23 of the high pressure column 11 is completely or almost completely liquefied to a first part 24 in the main condenser.
  • a second part 35 of the gaseous top nitrogen 23 of the high pressure column 11 is warmed in the main heat exchanger 8 and recovered via line 36 as gaseous pressure nitrogen product (PGAN).
  • GPN gaseous pressure nitrogen product
  • a nitrogen-enriched intermediate fraction 26 of the high-pressure column 11 has a nitrogen content of 99 mol% in the example.
  • the warmed intermediate fraction 27 is expanded in an expansion turbine 28 to perform work and then introduced via line 29 into the liquefaction chamber of the low-pressure column intermediate evaporator 14.
  • the turbine 28 is braked by an electric generator.
  • a dissipative brake such as an oil brake could be used.
  • the partially or completely liquefied impure nitrogen 30 is returned according to the invention by means of a pump 31 via line 32 into the high-pressure column 11.
  • the introduction takes place in this illustration in the supercooled state; Alternatively, the stream 32 may be heated prior to its introduction into the high pressure column 11 in the subcooling countercurrent 19 or in a separate subcooling countercurrent.
  • a portion of the fed into the high-pressure column 11 liquid is removed via line 33 again from the high pressure column 11, cooled in the subcooling countercurrent 19 and fed via line 34 of the low pressure column 12 as a head return.
  • the evaporation space of the low-pressure column intermediate evaporator 14 is designed as a forced-flow evaporator. In these, the entire reflux liquid of the low-pressure column 12 is introduced. The liquid remaining portion (L) continues to flow down the low pressure column 12, the vaporized portion (V) flows back into the upper part of the low pressure column 12th
  • an oxygen fraction 37 having an oxygen content of Withdrawn liquid 92.2 mol% passed into the arranged a few meters lower side condenser 16 and there for the most part evaporated under a pressure and with an oxygen content of 95 mol% for the most part.
  • the vaporized oxygen 38 is warmed in the main heat exchanger 8 to about ambient temperature and is recovered via line 39 as a gaseous oxygen product Unoxygen (GOX).
  • GOX gaseous oxygen product Unoxygen
  • a small amount of purging is taken continuously or from time to time via the purge line 40 liquid from the evaporation space of the secondary condenser 16 and introduced into the warm oxygen stream 39. Alternatively, this stream can be brought to supercritical pressure in a pump, heated in the heat exchanger and fed to the oxygen stream 39.
  • impure nitrogen 41 is removed as residual gas and used after heating in supercooling countercurrent 19 and main heat exchanger 8 via line 42 either as a regeneration for the cleaning device 6, used as dry gas in an evaporative cooler or discarded.
  • FIG. 1a only differs from this FIG. 1 in that only a portion 30a of the liquid nitrogen 30 from the low pressure column intermediate evaporator 14 in pump 31 is brought to something above high pressure column pressure.
  • the remainder 30b forms the return liquid for the low pressure column 12 and is cooled as usual in the subcooling countercurrent 19 and fed via line 34 to the top of the low pressure column 12.
  • a first portion 243 is brought to an increased product pressure in an oxygen pump 244, which may be supercritical or subcritical.
  • the high pressure oxygen 245 is fed to the main heat exchanger 8 where it is vaporized (or pseudo vaporized at supercritical pressure) and warmed to ambient temperature.
  • the high pressure oxygen product (GOXIV1) is recovered.
  • a second part 241 of the liquid 240 is obtained - optionally after subcooling in the subcooling countercurrent 19 via line 242 as liquid nitrogen product (LOX).
  • a liquid nitrogen product (LIN) is further recovered from a portion of the nitrogen 225 condensed in the main condenser 13.
  • FIG. 3 Compared to FIG. 2 allows the embodiment of FIG. 3 higher product pressures or larger quantities in the internally compressed product 243, 244, 245, 246 (GOXIV1);
  • an external energy driven air compressor (BAC) 303 is used, which brings a portion 307 of the compressed and cleaned air to a pressure which is significantly higher than the operating pressure of the high pressure column 11.
  • the cold compressor 403 is driven by a second expansion machine, namely an air turbine 450, which injects a portion 451 of the feed air into the low-pressure column 12 (line 452).
  • FIG. 4 Something similar will be in FIG. 4 achieved, but without the consumption of external energy.
  • a part 407 of the Einsetz Kunststoff is recompressed in a cold compressor 403.
  • the post-compressed air is introduced after cooling via line 315 in the liquefaction space of the secondary condenser 16. This is operated altogether at elevated pressure by increasing the pressure of the oxygen 37 for the evaporation side in a pump 444.
  • FIG. 5 the total air in the main air compressor 3 is compressed to a pressure which is at least 3 bar above the operating pressure of the high-pressure column 11.
  • the embodiment is similar FIG. 3
  • the re-compaction is like in FIG. 1 made by turbine-driven machines, namely by two serially connected cold compressors 555, 556.
  • the second cold compressor 556 is in turn driven by a Einblaseturbine 551, ie by an air turbine, which relaxes in the low-pressure column 12.
  • the first cold compressor 555 is coupled to a medium-pressure turbine 552, ie with an air turbine, which relaxes in the high-pressure column 11.
  • the expansion machine 28 is operated not with an intermediate fraction, but with gaseous nitrogen from the top of the high-pressure column 11; However, the remaining features of claim 1 are met here as well.

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Erzeugung von gasförmigem unreinen Sauerstoff und gasförmigem Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft. Ein Destillationssäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weist eine Hochdrucksäule (11), eine Niederdrucksäule (12) sowie einen Hauptkondensator (13) und eine Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (14) auf, die beide als Kondensator-Verdampfer ausgebildet sind. Verdichtete und gereinigte Einsatzluft (7) wird in einem Hauptwärmetauscher (8) abgekühlt. Eine Sauerstofffraktion (37, 38) wird aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (12) abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher (8) angewärmt und als gasförmiges Unreinsauerstoffprodukt (39) gewonnen. Eine Stickstofffraktion (35) wird vom Kopf der Hochdrucksäule (11) abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher (8) angewärmt und als gasförmiges Druckstickstoffprodukt (36) gewonnen. Eine stickstoffangereicherte Zwischenfraktion (26, 27) aus der Hochdrucksäule (11) wird arbeitsleistend entspannt (28) und anschließend in dem Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers (14) mindestens teilweise verflüssigt. Mindestens ein Teil der im Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers (14) gebildeten Flüssigkeit (30) wird in die Hochdrucksäule (11) eingeleitet (32). Der Druck der Flüssigkeit (30; 30a) wird stromaufwärts der Einleitung (32) in die Hochdrucksäule (11) mittels einer Pumpe (31) erhöht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus US 5678427 bekannt.
  • Es gibt Bedarf an Luftzerlegungsanlagen, die neben einem unreinen Sauerstoffprodukt (oftmals unter relativ geringem Druck) auch relativ viel gasförmiges Druckstickstoffprodukt (Druck-GAN) erzeugen. Dabei ist der Stickstoffbedarf allerdings noch deutlich geringer als bei den Spezialfällen mit extrem hohem Druck-GAN-Bedarf, zum Beispiel IGCC-Kraftwerken.
  • Für solche Anwendungen mit relativ hohem Druck-GAN-Bedarf wurden in den letzten Jahren spezielle Lösungen ausgearbeitet, etwa Verfahren mit erhöhtem Betriebsdruck und mehr als zwei Rektifikationskolonnen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Gas-und-Dampf-Kraftwerke (GuD), international meistens als IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) bezeichnet.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren, bei denen relativ viel Druck-GAN, nämlich das 0.7,2- bis ca. 1,5-Fache der Sauerstoffproduktmenge. Bisher wurde diese Anforderung zum Beispiel konventionell gelöst mit einem Doppelsäulen-Verfahren mit Entnahme des Druck-GAN aus der Hochdrucksäule und Einblaseturbine, also der Einleitung von turbinenentspannter Luft in die Niederdrucksäule, zur Erzeugung der Verfahrenskälte; hier erzielt man nur eine relativ schlechte Sauerstoffausbeute und benötig viel Einsatzluft.
  • Alternativ wird - ebenfalls unter Einsatz eines Doppelsäulen-Verfahrens mit Entnahme des Druck-GAN aus der Hochdrucksäule - Luft in einem Luft-Nachverdichter nachverdichtet zwecks Kälteproduktion in einer Mitteldruckturbine, die in die Hochdrucksäule entspannt. Hier wird eine zusätzliche Maschine benötigt.
  • Ein anderes Verfahren mit Einsatz eines Doppelsäulen-Verfahrens mit Entnahme des Druck-GAN aus der Hochdrucksäule weist einen Niederdruck-GAN-Nachverdichter und eine Einblaseturbine zwecks Kälteproduktion auf. Hier wird ebenfalls eine zusätzliche Maschine eingesetzt.
  • Vor Kurzem wurden auch Verfahren entwickelt, bei denen Kälteproduktion □ Niederdruck-GAN-Verdichter wird benötigt, bei denen drei Säulen und ein Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer eingesetzt werden. Diese Verfahren sind zwar effizient, gleichwohl aber aufwendiger durch die Verwendung zweier Luftdrücke.
  • Zusammengefasst weisen energieeffiziente Verfahren hohe Investitionskosten auf und beim klassischen Doppelsäule-Verfahren tritt eine relativ niedrige Effizienz verbunden mit ebenfalls relativ hohen Kosten auf.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, welches die angestrebte Produktkombination nicht nur effizient erzeugt, sondern auch relativ geringe Investitionskosten erfordert.
  • Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Rückführung des Kondensats aus dem Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer in die Hochdrucksäule mittels einer Pumpe entscheidend für die Kälte- und Mengenbilanz des Verfahrens ist. Nur so ist es möglich, die gesamte Verfahrenskälte durch die Turbine bereitzustellen, die zwischen dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule und dem Druck in dem Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers betrieben wird. Dadurch wird weder eine Einblaseturbine noch eine Mitteldruckturbine benötigt. Das Destillationssäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung kommt mit den üblichen zwei Säulen aus.
  • Die Kälteproduktion wird weiter verbessert, indem die stickstoffangereicherte Zwischenfraktion stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung angewärmt wird. Insbesondere wird sie im Hauptwärmetauscher auf eine Zwischentemperatur von beispielsweise 100 bis 120 K, vorzugsweise 100 bis 110 K erwärmt.
  • Bei der Erfindung ist es wichtig, dass der Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer eine besonders effiziente Verdampfung aufweist. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass er entweder als Forced-Flow-Verdampfer oder als Fallfilmverdampfer ausgebildet ist.
  • Besonders niedriger apparativer Aufwand wird im Rahmen der Erfindung erzielt, indem die gesamte Einsatzluft in allen Stufen eines dreistufigen Hauptluftverdichters auf dessen Enddruck verdichtet wird. Vorzugsweise stellt der dreistufige Hauptluftverdichter die einzige Maschine dar, die mit externer Energie betrieben wird.
  • Grundsätzlich kann die Sauerstofffraktion unmittelbar gasförmig aus der Niederdrucksäule abgezogen, im Hauptwärmetauscher angewärmt und als Produkt gewonnen werden. In vielen Fällen ist es jedoch günstiger, wenn die Sauerstofffraktion in flüssigem Zustand aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule abgezogen wird und der Anwärmung in dem Hauptwärmetauscher in einem Nebenkondensator, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, in indirektem Wärmeaustausch mit einem Teilstrom der Einsatzluft verdampft wird. Der Nebenkondensator bewirkt eine leichte Erhöhung des Abgabedrucks, beispielsweise um 0,2 bar und eine leichte Erhöhung des Sauerstoffgehalts, ohne dass dabei zusätzlich Energie aufgewandt werden müsste.
  • Im Rahmen der Erfindung kann auch Hochdrucksauerstoff durch Innenverdichtung der Niederdrucksäulen-Sumpfflüssigkeit oder der Flüssigkeit aus dem Verdampfungsraum eines Nebenkondensators gewonnen werden.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen einzelner, mehrerer oder aller abhängigen Verfahrensansprüche entsprechen.
  • 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 Ausführungsbespiel, bei dem das gesamte Unreinsauerstoffprodukt in einem Nebenkondensator verdampft wird,
    Figuren 1a und 1b
    Abwandlungen des Verfahrens von Figur 1,
    Figur 2
    ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem ein Teil des Unreinsauerstoffprodukts mittels Innenverdichtung unter höherem Druck gewonnen wird und
    Figuren 3 bis 6
    weitere Ausführungsbeispiele, die auf demjenigen von Figur 2 aufbauen.
  • In dem Verfahren von Figur 1 wird atmosphärische Luft (AIR) 1 über ein Filter 2 von einem dreistufigen Hauptluftverdichter 3 mit Zwischenkühlung (nicht dargestellt) verdichtet. Die auf ca. 5,5 bar verdichtete Einsatzluft 4 wird in einer Vorkühlung 5 und einer Reinigungseinrichtung 6 weiter behandelt. Die verdichtete und gereinigte Einsatzluft 7 wird in einen Hauptwärmetauscher 8 eingeleitet und dort auf etwa Taupunkt abgekühlt. Ein erster Teil 10 der abgekühlten Einsatzluft wird direkt in die Hochdrucksäule 11 eines Destillationssäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet.
  • Das Destillationssäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung umfasst außerdem eine Niederdrucksäule 12, einen Hauptkondensator 13 und einen Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer 14. Die beiden Kondensatoren 13, 14 sind jeweils als Kondensator-Verdampfer ausgebildet.
  • Ein zweiter Teil 15 der abgekühlten Einsatzluft 9 strömt durch den Verflüssigungsraum eines Nebenkondensators 16, der ebenfalls als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und als Badverdampfer funktioniert. Die vollständig oder teilweise verflüssigte Luft 17 wird der Hochdrucksäule 11 an einer Zwischenstelle zugeleitet. Mindestens ein Teil 18 der flüssigen Luft wird gleich wieder entnommen, in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 19 abgekühlt und über Leitung 20 der Niederdrucksäule 12 zugeleitet.
  • Flüssiger Rohsauerstoff 21 der Hochdrucksäule 11 wird ebenfalls im Unterkühlungs-Gegenströmer 19 unterkühlt und strömt anschließend über Leitung 22 zur Niederdrucksäule 12. Gasförmiger Kopfstickstoff 23 der Hochdrucksäule 11 wird zu einem ersten Teil 24 im Hauptkondensator vollständig oder fast vollständig verflüssigt.
  • Der dabei gewonnene flüssige Stickstoff 25 wird vollständig als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 11 aufgegeben.
  • Ein zweiter Teil 35 des gasförmigen Kopfstickstoffs 23 der Hochdrucksäule 11 wird im Hauptwärmetauscher 8 angewärmt und über Leitung 36 als gasförmiges Druckstickstoffprodukt (PGAN) gewonnen.
  • Eine stickstoffangereicherte Zwischenfraktion 26 der Hochdrucksäule 11 weist in dem Beispiel einen Stickstoffgehalt von 99 mol-% auf. Man kann sie auch als Unreinstickstoff bezeichnen. Sie wird dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 8 zugeleitet und dort auf eine Zwischentemperatur von beispielsweise104 K angewärmt. Die angewärmte Zwischenfraktion 27 wird in einer Expansionsturbine 28 arbeitsleistend entspannt und anschließend über Leitung 29 in den Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers 14 eingeleitet. Die Turbine 28 wird von einem elektrischen Generator gebremst. Alternativ könnte auch eine dissipative Bremse wie zum Beispiel eine Ölbremse eingesetzt werden.
  • Der teilweise oder vollständig verflüssigte Unreinstickstoff 30 wird erfindungsgemäß mittels einer Pumpe 31 über Leitung 32 in die Hochdrucksäule 11 zurückgeleitet. Die Einleitung erfolgt in dieser Darstellung im unterkühlten Zustand; alternativ kann der Strom 32 vor seiner Einleitung in die Hochdrucksäule 11 im Unterkühlungs-Gegenströmer 19 oder in einem separaten Unterkühlungs-Gegenströmer angewärmt werden. Ein Teil der in die Hochdrucksäule 11 eingespeisten Flüssigkeit wird über Leitung 33 wieder aus der Hochdrucksäule 11 entnommen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 19 abgekühlt und über Leitung 34 der Niederdrucksäule 12 als Kopfrücklauf zugeführt.
  • Der Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers 14 ist als Forced-Flow-Verdampfer ausgebildet. In diesen wird die gesamte Rücklaufflüssigkeit der Niederdrucksäule 12 eingeleitet. Der Flüssig verbliebene Anteil (L) fließt weiter die Niederdrucksäule 12 hinab, der verdampfte Anteil (V) strömt zurück in den oberen Teil der Niederdrucksäule 12.
  • Aus der Niederdrucksäule 12, genauer aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators 13, wird eine Sauerstofffraktion 37 mit einem Sauerstoffgehalt von 92,2 mol-% flüssig abgezogen, in den einige Meter tiefer angeordneten Nebenkondensator 16 geleitet und dort zum größten Teil unter einem Druck und mit einem Sauerstoffgehalt von 95 mol-% zum größten Teil verdampft. Der verdampfte Sauerstoff 38 wird im Hauptwärmetauscher 8 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über Leitung 39 als gasförmiges Unreinsauerstoffprodukt (GOX) gewonnen wird. Eine kleine Spülmenge wird kontinuierlich oder von Zeit zu Zeit über die Spülleitung 40 flüssig aus dem Verdampfungsraum des Nebenkondensators 16 entnommen und in den warmen Sauerstoffstrom 39 eingeführt. Alternativ kann dieser Strom in einer Pumpe auf überkritischen Druck gebracht, im Wärmetauscher angewärmt und dem Sauerstoffstrom 39 zugeführt werden.
  • Vom Kopf der der Niederdrucksäule 12 wird unreiner Stickstoff 41 als Restgas entnommen und nach Anwärmung in Unterkühlungs-Gegenströmer 19 und Hauptwärmetauscher 8 über Leitung 42 entweder als Regeneriergas für die Reinigungseinrichtung 6 genutzt, als trockenes Gas in einem Verdunstungskühler eingesetzt oder verworfen.
  • Figur 1a unterscheidet sich nur dadurch von Figur 1, dass nur ein Teil 30a des Flüssigstickstoffs 30 aus dem Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer 14 in Pumpe 31 auf etwas über Hochdrucksäulendruck gebracht wird. Der Rest 30b bildet die Rücklaufflüssigkeit für die Niederdrucksäule 12 und wird wie gehabt im Unterkühlungs-Gegenströmer 19 abgekühlt und über Leitung 34 auf den Kopf der Niederdrucksäule 12 aufgegeben.
  • Der Unterschied in Figur 1 b gegenüber Figur 1 besteht in einem zusätzlichen Stoffaustauschabschnitt am Kopf der Niederdrucksäule 12, dem Reinstickstoffabschnitt 112. Dieser ermöglicht es, vom Kopf der Niederdrucksäule 12 ein reines Niederdruckstickstoffprodukt 141 abzuziehen, das nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher 8 als Gasprodukt (LPGAN) gewonnen wird.
  • Figur 2 entspricht weitgehend Figur 1, ermöglicht aber die Gewinnung weiterer Produkte:
    • Hochdruck-Sauerstoffprodukt
    • Flüssigsauerstoffprodukt
    • Flüssigstickstoffprodukt
  • Hier wird über Leitung 240 eine größere Menge Flüssigkeit als bei Figur 1 aus dem Verdampfungsraum des Nebenkondensators 16 abgezogen. Ein erster Teil 243 wird in einer Sauerstoffpumpe 244 auf einen erhöhten Produktdruck gebracht, der überkritisch oder unterkritisch sein kann. der Hochdruck-Sauerstoff 245 wird zum Hauptwärmetauscher 8 geführt und dort verdampfet (oder - bei überkritischen Druck - pseudo-verdampft) und auf Umgebungstemperatur angewärmt. Über Leitung 246 wird schließlich das Hochdruck-Sauerstoffprodukt (GOXIV1) gewonnen.
  • Ein zweiter Teil 241 der Flüssigkeit 240 wird - gegebenenfalls nach Unterkühlung im Unterkühlungs-Gegenströmer 19 über Leitung 242 als Flüssigstickstoffprodukt (LOX) gewonnen.
  • Über Leitung 226 wird ferner ein Flüssigstickstoffprodukt (LIN) aus einem Teil des im Hauptkondensator 13 kondensierten Stickstoffs 225 gewonnen.
  • Im Vergleich zu Figur 2 erlaubt das Ausführungsbeispiel von Figur 3 höhere Produktdrücke beziehungsweise größere Mengen im innenverdichteten Produkt 243, 244, 245, 246 (GOXIV1); dazu wird ein mit externer Energie angetriebener Luftnachverdichter (BAC - Booster Air Compressor) 303 eingesetzt, der einen Teil 307 der verdichteten und gereinigten Luft auf einen Druck bringt, der deutlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule 11 ist.
  • Der Kaltverdichter403 wird durch eine zweite Entspannungsmaschine, nämlich eine Luftturbine 450 angetrieben, die einen Teil 451 der Einsatzluft in die Niederdrucksäule 12 einbläst (Leitung 452).
  • Etwas Ähnliches wird in Figur 4 erreicht, allerdings ohne den Verbrauch externer Energie. Hierzu wird ein Teil 407 der Einsetzluft in einem Kaltverdichter 403 nachverdichtet. Die nachverdichtete Luft wird nach Abkühlung über Leitung 315 in den Verflüssigungsraum des Nebenkondensators 16 eingeleitet. Dieser wird insgesamt auf erhöhtem Druck betrieben, indem der Druck der Sauerstoffs 37 für die Verdampfungsseite in einer Pumpe 444 erhöht wird.
  • In Figur 5 wird die Gesamtluft im Hauptluftverdichter 3 auf einen Druck verdichtete, der mindestens 3 bar über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 11 liegt. Das Ausführungsbeispiel ähnelt Figur 3, allerdings wird die Nachverdichtung wie in Figur 1 durch turbinengetriebene Maschinen vorgenommen, nämlich durch zwei seriell verbundene Kaltverdichter 555, 556. Der zweite Kaltverdichter 556 wird wiederum von einer Einblaseturbine 551 angetrieben, also von einer Luftturbine, die in die Niederdrucksäule 12 entspannt. Der erste Kaltverdichter 555 ist mit einer Mitteldruckturbine 552 gekoppelt, also mit einer Luftturbine, die in die Hochdrucksäule 11 entspannt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 wird im Gegensatz zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen die Entspannungsmaschine 28 nicht mit einer Zwischenfraktion, sondern mit gasförmigem Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 11 betrieben; die übrigen Merkmale des Patentanspruchs 1 sind jedoch auch hier erfüllt.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem unreinen Sauerstoff und gasförmigem Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (11), eine Niederdrucksäule (12) sowie einen Hauptkondensator (13) und eine Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (14) aufweist, die beide als Kondensator-Verdampfer ausgebildet sind, bei dem
    - verdichtete und gereinigte Einsatzluft (7) in einem Hauptwärmetauscher (8) abgekühlt wird,
    - eine Sauerstofffraktion (37, 38) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (12) abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher (8) angewärmt und als gasförmiges Unreinsauerstoffprodukt (39) gewonnen wird,
    - eine Stickstofffraktion (35) vom Kopf der Hochdrucksäule (11) abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher (8) angewärmt und als gasförmiges Druckstickstoffprodukt (36) gewonnen wird,
    - eine stickstoffangereicherte Zwischenfraktion (26, 27) aus der Hochdrucksäule (11) arbeitsleistend entspannt (28) wird und
    - die arbeitsleistend entspannte stickstoffangereicherte Zwischenfraktion (29) in den Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers (14) eingeleitet und dort mindestens teilweise verflüssigt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - mindestens ein Teil der im Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers (14) gebildeten Flüssigkeit (30) in die Hochdrucksäule (11) eingeleitet (32) wird, wobei
    - der Druck der Flüssigkeit (30; 30a) stromaufwärts der Einleitung (32) in die Hochdrucksäule (11) mittels einer Pumpe (31) erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stickstoffangereicherte Zwischenfraktion (26) stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung (28) angewärmt (8) wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwärmung der stickstoffangereicherter Zwischenfraktion in dem Hauptwärmetauscher (8) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (14) als Forced-Flow-Verdampfer ausgebildet ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (14) als Fallfilmverdampfer ausgebildet ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Einsatzluft in allen Stufen eines dreistufigen Hauptluftverdichters (3) auf dessen Enddruck verdichtet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dreistufige Hauptluftverdichter (3) die einzige Maschine darstellt, die mit externer Energie betrieben wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstofffraktion (37) in flüssigem Zustand aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (12) abgezogen wird und stromaufwärts der Anwärmung in dem Hauptwärmetauscher (8) in einem Nebenkondensator (16), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, in indirektem Wärmeaustausch mit einem Teilstrom (15) der Einsatzluft verdampft wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Sauerstofffraktion aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Produktdruck gebracht und unter diesem erhöhten Produktdruck in dem Hauptwärmetauscher (8) verdampft oder pseudo-verdampft und angewärmt wird und die angewärmte Sauerstofffraktion als gasförmiges Hochdruck-Sauerstoffprodukt gewonnen wird.
  10. Vorrichtung zur Erzeugung von gasförmigem unreinen Sauerstoff und gasförmigem Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit
    - einem Destillationssäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (11), eine Niederdrucksäule (12) sowie einen Hauptkondensator (13) und eine Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (14) aufweist, die beide als Kondensator-Verdampfer ausgebildet sind,
    - einem Hauptwärmetauscher (8) zum Abkühlen verdichteter und gereinigter Einsatzluft (7),
    - mit Mitteln zum Einleiten einer Sauerstofffraktion (37, 38) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (12) in den Hauptwärmetauscher (8) und zum Gewinnen der angewärmten Sauerstofffraktion aus dem HWE (6) gasförmiges Unreinsauerstoffprodukt (39),
    - Mitteln zum Abziehen einer Stickstofffraktion (35) vom Kopf der Hochdrucksäule (11) und zu deren Anwärmung im Hauptwärmetauscher (8) und zum Gewinnen der angewärmten Stickstofffraktion als gasförmiges Druckstickstoffprodukt (36),
    - Mitteln zum Einleiten einer stickstoffangereicherten Zwischenfraktion (26, 27) aus der Hochdrucksäule (11) in eine Entspannungsmaschine (28) wird und mit
    - Mitteln zum Einleiten der arbeitsleistend entspannten stickstoffangereicherten Zwischenfraktion (29) in den Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers (14),
    gekennzeichnet durch
    - Mitteln zum Einleiten von im Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers (14) gebildeter Flüssigkeit (30) in die Hochdrucksäule (11),wobei
    - diese Mittel eine Pumpe (31) zur Erhöhung des Drucks der Flüssigkeit (30; 30a) stromaufwärts der Einleitung (32) in die Hochdrucksäule (11) aufweisen.
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