DE102011113671A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents
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Abstract
Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine erste Hochdrucksäule (23) und eine Niederdrucksäule (25, 26) aufweist sowie drei Kondensator-Verdampfer, nämlich einen Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (27), einen Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (28) und einen Nebenkondensator (29; 228). Ein erster Einsatzluftstrom wird in einem Hauptwärmetauscher (20, 21) abgekühlt. Der abgekühlte erste Einsatzluftstrom (22) u wird unter einem ersten Druck in die erste Hochdrucksäule (23) eingeführt. In dem Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (27) wird gasförmiger Kopfstickstoff (44, 45) aus der ersten Hochdrucksäule (23) kondensiert und eine flüssige Zwischenfraktion (75) aus der Niederdrucksäule (25, 26) verdampft. Mindestens ein Teil (47) des in dem Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (27) kondensierten Kopfstickstoffs (46) wird als Rücklaufflüssigkeit auf die erste Hochdrucksäule (23) aufgegeben. Mindestens ein Teil der in dem Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (27) verdampften Zwischenfraktion wird als aufsteigendes Gas in die Niederdrucksäule (25, 26) eingeleitet (77, 79). Ein Teil der Sumpfflüssigkeit (66) der Niederdrucksäule (25, 26) wird in dem Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (28) in indirektem Wärmeaustausch mit einem kondensierenden Heizfluid (58) verdampft. Ein nicht verdampfter Teil (67) der Sumpfflüssigkeit (66) der Niederdrucksäule (25, 26) wird in dem Nebenkondensator (29; 228) mindestens teilweise verdampft. Mindestens ein Teil der in dem Nebenkondensator (29; 228) verdampften Flüssigkeit (68) wird als gasförmiges Sauerstoffprodukt (69) gewonnen. Das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weist außerdem eine zweite Hochdrucksäule (24) auf. Ein zweiter Einsatzluftstrom (35) wird in dem Hauptwärmetauscher (20, 21) abgekühlt und anschließend unter einem zweiten Druck, der höher ist als der erste Druck, in die zweite Hochdrucksäule (24) eingeleitet. Mindestens ein Teil des Kopfgases (58) der zweiten Hochdrucksäule (24) wird als Heizfluid in dem Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (28) eingesetzt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Als ”Kondensator-Verdampfer” wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensator-Verdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf, die aus Verflüssigungspassagen beziehungsweise Verdampfungspassagen bestehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) eines ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung eines zweiten Fluidstroms. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
- Ein Kondensator-Verdampfer kann beispielsweise als Fallfilm- oder Badverdampfer ausgebildet sein. Bei einem ”Fallfilmverdampfer” strömt das zu verdampfende Fluid von oben nach unten durch den Verdampfungsraum und wird dabei teilweise verdampft. Bei einem ”Badverdampfer” (gelegentlich auch ”Umlaufverdampfer” oder Thermosiphon-Verdampfer” genannt) steht der Wärmetauscherblock in einem Flüssigkeitsbad des zu verdampfenden Fluids. Dieses strömt mittels des Thermosiphon-Effekts von unten nach oben durch die Verdampfungspassagen und tritt oben als Zwei-Phasen-Gemisch wieder aus. Die verbleibende Flüssigkeit strömt außerhalb des Wärmetauscherblocks in das Flüssigkeitsbad zurück. (Bei einem Badverdampfer kann der Verdampfungsraum sowohl die Verdampfungspassagen als auch den Außenraum um den Wärmetauscherblock umfassen.)
- Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer und der Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer) können im Inneren der Niederdrucksäule angeordnet sein oder einem oder mehreren separaten Behältern.
- Die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule bilden jeweils eine Trennsäule im verfahrenstechnischen Sinne. Sie sind regelmäßig in jeweils einem Behälter angeordnet. Alternativ kann jede Säule auf zwei oder mehrere Behälter verteilt angeordnet sein, die entsprechend verbunden sind (zum Beispiel ”geteilte Niederdrucksäule” wie aus
DE 1000997 d P bekannt). - Der Einsatz für den Nebenkondensator wird entweder durch einen Teil der Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule gebildet, die auch in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer eintritt; diese Verfahrensführung wird regelmäßig gewählt, wenn der Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer als Badverdampfer ausgebildet ist. Alternativ wird – zum Beispiel beim Einsatz eines Fallfilmverdampfers – die Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule, die von dem untersten Stoffaustauschelement abläuft, in den Fallfilmverdampfer eingeführt, und der nicht verdampfte Anteil der Niederdrucksäulen-Sumpfflüssigkeit, der unten aus dem Niederdrucksäule austritt, wird mindestens teilweise dem Nebenkondensator zugeführt.
- Bei einem klassischen Verfahren mit zwei Kondensator-Verdampfern für die Niederdrucksäule wird der Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer mit einem Luftstrom beheizt; dies ist ungünstig für die Trennleistung, weil ein Teil der Luft vorverflüssigt wird und deshalb nicht mehr an der Vortrennung in der Hochdrucksäule teilnimmt. Aus
US 2008115531 A1 ist ein Nebenkondensator-Verfahren der eingangs genannten Art mit zwei Kondensator-Verdampfern für die Niederdrucksäule bekannt, bei dem eine solcher Luftstrom unter erhöhtem Druck nicht benötigt wird. Stattdessen wird Stickstoff aus der Hochdrucksäule in einem Kaltverdichter auf einen erhöhten Druck gebracht und als Heizmedium im Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (und im Nebenkondensator) eingesetzt. Der Einsatz eines Kaltverdichters ist jedoch immer mit einem Wärmeeintrag auf niedrigem Temperaturniveau verbunden, der grundsätzlich. energetisch ungünstig ist. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung so zu gestalten, dass sie energetisch besonders günstig zu betrieben sind.
- Diese Aufgabe wird dadurch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Bei dem Verfahren der Erfindung kann auf einen Kaltverdichter verzichtet werden und es wird auch keine Luft im Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer vorverflüssigt. Der Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers wird dabei unter etwa dem Druck des Kopfs der zweiten Hochdrucksäule betrieben; jedenfalls wird das Kopfgas der zweiten Hochdrucksäule vor der Einleitung in den Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer nicht verdichtet, sondern tritt vorzugsweise unter seinem natürlichen Druck in dessen Verflüssigungsraum ein.
- Nun erscheint es auf den ersten Blick widersinnig zu sein, einen solchen Aufwand zu betreiben, der im Vergleich zum Einsatz eines Kaltverdichters sehr hoch zu sein scheint, nämlich eine zusätzliche Trennkolonne einzusetzen – die zweite Hochdrucksäule – und außerdem einen Teil der Luft auf höheren Druck zu verdichten. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, dass die Energieseinsparung überraschend hoch ist und sich tatsächlich ein erheblicher Vorteil ergibt, der den zusätzlichen Aufwand rechtfertigt.
- Vorzugsweise wird in dem Nebenkondensator Luft als Heizmedium eingesetzt, indem in dem Nebenkondensator ein dritter Einsatzluftstrom mindestens teilweise kondensiert wird, der insbesondere unter einem dritten Druck steht, der höher ist als der erste Druck. Beispielsweise ist der dritte Druck gleich dem zweiten Druck und der zweite und der dritte Einsatzluftstrom werden aus einem gemeinsamen Luftteilstrom abgezweigt, der vorher auf einen entsprechend erhöhten Druck gebracht worden ist.
- Drücke werden hier als ”gleich” bezeichnet, wenn der Druckunterschied zwischen den entsprechenden Stellen nicht größer als die natürlichen Leitungsverluste sind, die durch Druckverluste in Rohrleitungen, Wärmetauschern, Kühlern, Adsorbern etc. sind.
- Im Rahmen der Erfindung ist es günstig, wenn der erste Einsatzluftstrom lediglich auf den ersten Druck (plus Leitungsverlusten) verdichtet und nur der zweite (gegebenenfalls gemeinsam mit dem dritten) Einsatzluftstrom auf den entsprechend höheren zweiten Druck (plus Leitungsverlusten) verdichtet beziehungsweise nachverdichtet wird. Dies wird besonders vorteilhaft durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 bewerkstelligt.
- Grundsätzlich können die Einsatzluftströme gemeinsam und dem niedrigeren Druckniveau einer gemeinsamen Luftreinigung zugeführt werden. In vielen Fällen ist es aber günstiger, zwei getrennte Reinigungsvorrichtungen vorzusehen, die unter den beiden unterschiedlichen Drücken betrieben werden, wie es an sich aus
EP 342436 - Vorzugsweise ist der dritte Druck (im Verflüssigungsraum des Nebenkondensators) gleich dem zweiten Druck (beim Eintritt des zweiten Einsatzluftstroms in die zweite Hochdrucksäule).
- Verfahrenskälte für den Ausgleich von Austausch- und Isolierungsverlusten und gegebenenfalls für die Produktverflüssigung kann bei dem Verfahren beispielsweise durch eine Einblaseturbine gewonnen werden, indem ein vierter Einsatzluftstrom arbeitsleistend entspannt und in die Niederdrucksäule eingeleitet wird. Der vierte Einsatzluftstrom kann beispielsweise auf dasselbe Druckniveau wie der erste Einsatzluftstrom für die erste Hochdrucksäule verdichtet und etwa unter dem ersten Druck der entsprechenden Entspannungsmaschine zugeleitet werden.
- Zusätzlich oder vorzugsweise alternativ kann Kälte durch eine Druckstickstoff-Turbine gewonnen werden, indem ein stickstoffangereicherter Strom aus einer Hochdrucksäule des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung arbeitsleistend entspannt und der arbeitsleistend entspannte stickstoffangereicherte Strom in dem Hauptwärmetauscher angewärmt wird. Der stickstoffangereicherte Strom stammt vorzugsweise aus der ersten Hochdrucksäule und wird insbesondere ohne Maßnahmen zur Druckänderung zu der entsprechenden Entspannungsmaschine geführt; deren Eintrittsdruck ist also gleich dem Betriebsdruck der ersten Hochdrucksäule (minus Leitungsverlusten).
- Dabei ist es günstig, wenn mindestens ein Teil des angewärmten stickstoffangereicherten Stroms als Regeneriergas in einer Reinigungseinrichtung für Einsatzluft eingesetzt wird. Dies stellt nicht nur eine nutzbringende Verwendung des arbeitsleistend entspannten Stroms dar, sondern entkoppelt auch den Niederdrucksäulendruck von dem Druckverlust, den das Regeneriergas in der Reinigungseinrichtung erfährt. Weil das Regeneriergas nicht wie sonst üblich aus der Niederdrucksäule entnommen wird, kann der Niederdrucksäulendruck entsprechend niedriger sein, und damit das gesamte Druckniveau abgesenkt werden. Dies erhöht die energetische Effizienz des Prozesses weiter.
- Weiter Energie gespart werden kann durch Einsatz von Fallfilmverdampfers als Kondensator-Verdampfer der Niederdrucksäule. Insbesondere der Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer und/oder Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer können als Fallfilmverdampfer ausgestaltet sein. Der Nebenkondensator kann dagegen als Badverdampfer ausgestaltet werden.
- Bei dem Verfahren der Erfindung kann zusätzlich eine dritte Hochdrucksäule eingesetzt werden, die unter höherem Druck als die zweite Hochdrucksäule betrieben wird, Ihr Kopfgas wird dann als Heizmittel für den Nebenkondensator eingesetzt. Entsprechend geringer wird die Vorverflüssigung von Luft.
- Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen der 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:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Druckstickstoff-Turbine und zwei Reinigungseinrichtungen unter verschiedenem Druckniveau, -
2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit Einblaseturbine und einer gemeinsamen Reinigungseinrichtung und -
3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit drei Hochdrucksäulen. - Atmosphärische Luft
1 wird in1 von einem Hauptluftverdichter3 mit Nachkühler4 über ein Filter2 angesaugt und dort auf einen ersten Gesamtluftdruck von 3,1 bar verdichtet. Der Hauptluftverdichter kann zwei oder mehr Stufen mit Zwischenkühlung aufweisen; er ist aus Redundanzgründen vorzugsweise zweisträngig ausgebildet (beides in der Zeichnung nicht dargestellt). Der Gesamtluftstrom5 wird unter dem ersten Gesamtluftdruck und einer Temperatur von 295 K einem ersten Direktkontaktkühler6 zugeführt und dort in direktem Wärmeaustausch mit Kühlwasser7 aus einem Verdunstungskühler8 weiter auf 283 K abgekühlt. Der abgekühlte Gesamtluftstrom9 wird in einen ersten Luftteilstrom10 und einen zweiten Luftteilstrom11 aufgeteilt. - Der zweite Luftteilstrom
11 wird in einem Nachverdichter12 mit Nachkühler13 von dem ersten Gesamtluftdruck (minus Druckverlusten) auf einen zweiten Gesamtluftdruck von 4,9 bar verdichtet. Der Nachverdichter kann zwei oder mehr Stufen mit Zwischenkühlung aufweisen; er ist aus Redundanzgründen vorzugsweise zweisträngig ausgebildet (beides in der Zeichnung nicht dargestellt). Je ein Strang des Hauptluftverdichters und des Nachverdichters können als eine Maschine mit gemeinsamem Antrieb ausgebildet sein, insbesondere als Getriebeverdichter. Der zweite Luftteilstrom14 wird anschließend in einem zweiten Direktkontaktkühler15 von 295 K auf 290 K abgekühlt, und zwar in direktem Wärmeaustausch mit einem wärmeren Kühlwasserstrom16 . - Der erste Luftteilstrom wird in einer ersten Reinigungseinrichtung
18 , die unter dem ersten Gesamtluftdruck betrieben wird, gereinigt und anschließend über Leitung19 unter diesem Druck dem warmen Ende eines Hauptwärmetauschers zugeleitet, der in dem Ausführungsbeispiel durch zwei parallel geschaltete Blöcke20 ,21 gebildet wird. Die auf etwa Taupunkt abgekühlte Luft bildet einen ”ersten Einsatzluftstrom”, der einer ersten Hochdrucksäule23 zugeführt wird. - Die erste Hochdrucksäule
23 ist Teil eines Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das außerdem eine zweite Hochdrucksäule24 , eine Niederdrucksäule, bestehend aus zwei Anschnitten25 ,26 , einen Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer27 , einen Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer28 und einen Nebenkondensator29 aufweist. Der Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer27 und der Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer28 sind als Fallfilmverdampfer ausgebildet, der Nebenkondensator29 als Badverdampfer. - Der vorgekühlte zweite Luftteilstrom
17 wird in einer zweiten Reinigungseinrichtung30 , die unter dem zweiten Gesamtluftdruck betrieben wird, gereinigt. Aus dem gereinigten zweite Luftteilstrom kann über Leitung32 ein kleiner Teil entnommen werden, der als Instrumentenluft oder für zwecke außerhalb der Luftzerlegung eingesetzt wird. Der Rest strömt über Leitung33 zum Hauptwärmetauscher20 und wird dort abgekühlt. Der abgekühlte zweite Luftteilstrom34 wird aufgeteilt in einen ”zweiten Einsatzluftstrom”35 , der in die zweite Hochdrucksäule24 eingeleitet wird, und in einen ”dritten Einsatzluftstrom”36 , welcher dem Verflüssigungsraum des Nebenkondensators29 zugeleitet wird. - Der mindestens teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig kondensierte dritte Teilstrom
37 wird in einen Abscheider (Phasentrenner)38 eingeleitet. Der flüssige Anteil39 wird zu einem ersten Teil40 der ersten Hochdrucksäule23 zugeleitet. Zu einem zweiten Teil41 wird er über einen Unterkühlungs-Gegenströmer42 und Leitung43 in die Niederdrucksäule26 eingespeist. - Stickstoffreiches Kopfgas
44 der ersten Hochdrucksäule23 wird zu einem ersten Teil in dem Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer27 kondensiert. Dabei gewonnener flüssiger Stickstoff46 wird zu einem ersten Teil47 als Rücklauf auf den Kopf der ersten Hochdrucksäule23 aufgegeben. Ein zweiter Teil48 wird in dem Unterkühlungs-Gegenströmer42 abgekühlt und über Leitung49 als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule26 aufgegeben. Ein Teil50 der unterkühlten Flüssigkeit kann bei Bedarf als Flüssigprodukt (LIN) gewonnen werden. - Ein zweiter Teil
51 des stickstoffreichen Kopfgases44 der ersten Hochdrucksäule23 wird in dem Hauptwärmetauscher20 auf eine Zwischentemperatur angewärmt. Der angewärmte Druckstickstoff52 wird in einer generatorgebremsten Druckstickstoff-Turbine53 von 2,7 bar auf 1,25 bar arbeitsleistend entspannt. Der Austrittsdruck der Turbine reicht gerade aus, um den arbeitsleistend entspannten Strom54 durch den Hauptwärmetauscher20 und über die Leitungen55 ,56 ,57 als Regeneriergas durch die erste und die zweite Reinigungseinrichtung18 ,30 zu drücken. - Stickstoffreiches Kopfgas
58 der zweiten Hochdrucksäule24 wird in dem Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer28 kondensiert. Dabei gewonnener flüssiger Stickstoff59 wird zu einem ersten Teil60' als Rücklauf auf den Kopf der zweiten Hochdrucksäule24 aufgegeben. Ein zweiter Teil61 wird in dem Unterkühlungs-Gegenströmer42 abgekühlt und über Leitung62 als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule26 aufgegeben. - Die Sumpfflüssigkeiten
63 ,64 der beiden Hochdrucksäulen23 ,24 werden zusammengeführt, über Leitung65 , den Unterkühlungs-Gegenströmer42 und Leitung66 in die Niederdrucksäule26 eingespeist. - Die Sumpfflüssigkeit
66 der Niederdrucksäule25 wird in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers28 eingeleitet und dort teilweise verdampft. Der flüssig verbliebene Anteil67 strömt in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators29 und wird dort teilweise verdampft. Der verdampfte Anteil68 wird zum kalten Ende des Hauptwärmetauscher-Blocks20 geleitet, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung69 als gasförmiges Sauerstoffprodukt (GOX) einer Reinheit von 95 mol-% gewonnen. Der flüssig verbliebene Anteil wird zu einem Teil70 in einer Pumpe71 auf einen Druck von 6 bar, in dem Hauptwärmetauscher-Block21 verdampft und angewärmt und schließlich dem gasförmigen Sauerstoffprodukt69 zugemischt. Ein anderer Teil72 kann über den Unterkühlungs-Gegenströmer42 , Pumpe73 und Leitung74 als Flüssigsauerstoffprodukt (LOX) gewonnen werden. - Eine flüssige Zwischenfraktion
75 , die am unteren Ende des zweiten Niederdrucksäulenabschnitts26 anfällt wird mittels einer Pumpe76 in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers27 gefördert und dort teilweise verdampft. Dabei erzeugter Dampf wird gemeinsam mit dem am Kopf des ersten Niederdrucksäulenabschnitts25 anfallenden Dampf über die Leitungen77 und79 in den zweiten Niederdrucksäulenabschnitt26 geleitet, gegebenenfalls gemeinsam mit umlaufender Spülflüssigkeit78 . Der Rest der flüssig verbliebenen Zwischenfraktion dient als Rücklaufflüssigkeit im ersten Niederdrucksäulenabschnitt25 . - Am Kopf der Niederdrucksäule
26 wird stickstoffreiches Restgas80 unter einem Druck von 1,26 bar abgezogen und nach Anwärmung in Unterkühlungs-Gegenströmer42 und Hauptwärmetauscher20 über Leitung81 praktisch drucklos als trockenes Gas in den Verdunstungskühler8 eingespeist und dort zur Abkühlung von Kühlwasser82 genutzt. -
2 unterscheidet sich hinsichtlich zweier Verfahrensabschnitte von1 , nämlich der Kälteerzeugung sowie der Luftverdichtung mit Vorkühlung und Reinigung. Im Folgenden werden nur die abweichenden Aspekte näher erläutert, die beide unabhängig voneinander mit den übrigen Verfahrensabschnitten kombiniert werden können. - Kälte wird hier nicht durch eine Druckstickstoff-Turbine, sondern durch eine Einblaseturbine
153 erzeugt. Diese wird mit einem ”vierten Einsatzluftstrom”151 ,152 betrieben, der aus dem ersten Luftteilstrom119 unter dem niedrigeren ersten Gesamtluftdruck abgezweigt und in dem Hauptwärmetauscher20 auf eine Zwischentemperatur abgekühlt wurde. Der arbeitsleistend entspannte vierte Einsatzluftstrom154 wird der Niederdrucksäule26 an einer geeigneten Zwischenstelle zugeführt. - Die Luftverdichtung ist hier einfacher ausgeführt als in Figur und weist insbesondere nur eine einzige Reinigungseinrichtung
118 auf, in der die Gesamtluft105 ,110 unter dem ersten Gesamtluftdruck gereinigt wird. Es wird auch nur ein Direktkontaktkühler106 eingesetzt. - Die Aufteilung in den ersten Luftteilstrom
119 und den zweiten Luftteilstrom111 wird hier stromabwärts der Reinigungseinrichtung118 vorgenommen. Der Nachverdichter112 ist wie in1 aufgebaut, weist jedoch nur einen üblichen Nachkühler113 auf und die Luft wird nicht in einem Direktkontaktkühler weiter abgekühlt. Über Leitung119 wird dann der zweite Luftteilstrom analog zu Leitung19 in1 geführt. -
3 entspricht weitgehend1 . Der warme Abschnitt des Verfahrens ist nicht dargestellt und kann wie in1 oder wie in2 ausgebildet sein. - Neben dem ersten Luftteilstrom
19 unter dem ersten Druck und dem zweiten Luftteilstrom wird ein Hochdruck-Einsatzluftstrom233 in den Hauptwärmetauscher20 eingeleitet. Der kalte Hochdruck-Einsatzluftstrom235 tritt unter einem dritten Druck von 5,3 bar in eine dritte Hochdrucksäule224 ein. Das stickstoffreiche Kopfgas258 wird als Heizmittel in dem Nebenkondensator228 eingesetzt und dort im Wesentlichen vollständig kondensiert. Dabei gewonnener flüssiger Stickstoff259 wird zu einem ersten Teil260 als Rücklauf auf den Kopf der zweiten Hochdrucksäule24 aufgegeben. Ein zweiter Teil261 wird in dem Unterkühlungs-Gegenströmer42 abgekühlt und über Leitung262 als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule26 aufgegeben. - Der Nebenkondensator
228 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als mehrstöckiger Badverdampfer ausgeführt, insbesondere als Kaskadenverdampfer, bei dem die einzelnen Stockwerke verdampfungsseitig seriell und verflüssigungsseitig parallel verbunden sind. Hierbei kann jede entsprechende Ausführungsform eines Kaskadenverdampfers eingesetzt werden, insbesondere diejenigen, die im Einzelnen inEP 1077356 A1 ,WO 0192798 A2 US 2005028554 A1 ,WO 01092799 A1 US 2003159810 A1 ,WO 03012352 A2 DE 10 2007 003 437 A1 beschrieben werden. - Statt der Druckstickstoff-Turbine
53 kann in dem Verfahren von3 auch eine Einblaseturbine eingesetzt werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 1000997 [0005]
- US 2008115531 A1 [0007]
- EP 342436 [0015]
- EP 1077356 A1 [0046]
- WO 0192798 A2 [0046]
- US 2005028554 A1 [0046]
- WO 01092799 A1 [0046]
- US 2003159810 A1 [0046]
- WO 03012352 A2 [0046]
- DE 102007003437 A1 [0046]
Claims (11)
- Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine erste Hochdrucksäule (
23 ) und eine Niederdrucksäule (25 ,26 ) aufweist sowie drei Kondensator-Verdampfer, nämlich einen Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (27 ), einen Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (28 ) und einen Nebenkondensator (29 ;228 ), wobei bei dem Verfahren – ein erster Einsatzluftstrom in einem Hauptwärmetauscher (20 ,21 ) abgekühlt wird, – der abgekühlte erste Einsatzluftstrom (22 ) unter einem ersten Druck in die erste Hochdrucksäule (23 ) eingeführt wird, – in dem Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (27 ) gasförmiger Kopfstickstoff (44 ,45 ) aus der ersten Hochdrucksäule (23 ) kondensiert und eine flüssige Zwischenfraktion (75 ) aus der Niederdrucksäule (25 ,26 ) verdampft wird, – mindestens ein Teil (47 ) des in dem Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (27 ) kondensierten Kopfstickstoffs (46 ) als Rücklaufflüssigkeit auf die erste Hochdrucksäule (23 ) aufgegeben wird, – mindestens ein Teil der in dem Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (27 ) verdampften Zwischenfraktion als aufsteigendes Gas in die Niederdrucksäule, (25 ,26 ) eingeleitet (77 ,79 ) wird, – ein Teil der Sumpfflüssigkeit (66 ) der Niederdrucksäule (25 ,26 ) in dem Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (28 ) in indirektem Wärmeaustausch mit einem kondensierenden Heizfluid (58 ) verdampft wird, – ein nicht verdampfter Teil (67 ) der Sumpfflüssigkeit (66 ) der Niederdrucksäule (25 ,26 ) in dem Nebenkondensator (29 ;228 ) mindestens teilweise verdampft wird und – mindestens ein Teil der in dem Nebenkondensator (29 ;228 ) verdampften Flüssigkeit (68 ) als gasförmiges Sauerstoffprodukt (69 ) gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung außerdem eine zweite Hochdrucksäule (24 ) aufweist, – ein zweiter Einsatzluftstrom in dem Hauptwärmetauscher (20 ,21 ) abgekühlt wird, – der abgekühlte zweite Einsatzluftstrom (35 ) unter einem zweiten Druck, der höher ist als der erste Druck, in die zweite Hochdrucksäule (24 ) eingeleitet wird und – mindestens ein Teil des Kopfgases (58 ) der zweiten Hochdrucksäule (24 ) als Heizfluid in dem Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (28 ) eingesetzt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Einsatzluftstrom in dem Hauptwärmetauscher (
20 ,21 ) abgekühlt wird und der abgekühlte dritte Einsatzluftstrom (36 ) in dem Nebenkondensator (29 ) mindestens teilweise kondensiert wird, wobei insbesondere der dritte Einsatzluftstrom (36 ) bei der Einleitung in den Nebenkondensator (29 ) unter einem dritten Druck steht, der höher ist als der erste Druck. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Gesamtluftstrom (
1 ) auf einen ersten Gesamtluftdruck verdichtet wird, der höher als der ersten Druck, aber niedriger als der zweite Druck ist, – der Gesamtluftstrom (5 ,9 ) unter dem ersten Gesamtluftdruck in einen ersten Luftteilstrom (10 ) und einen zweiten Luftteilstrom (11 ) aufgeteilt wird, – der erste Luftteilstrom (10 ,19 ) unter etwa dem ersten Gesamtluftdruck in den Hauptwärmetauscher (20 ,21 ) eingeleitet und dort abgekühlt wird, – der erste Einsatzluftstrom (22 ) für die erste Hochdrucksäule (23 ) durch mindestens einen Teil des abgekühlten ersten Luftteilstroms gebildet wird, – der zweite Luftteilstrom (11 ) auf einen Druck nachverdichtet (12) wird, der höher als der erste Gesamtluftdruck ist, – der nachverdichtete zweite Luftteilstrom (14 ,17 ,33 ) in den Hauptwärmetauscher (20 ,21 ) eingeleitet und dort abgekühlt wird und – der zweite Einsatzluftstrom (35 ) für die zweite Hochdrucksäule (24 ) durch mindestens einen Teil des abgekühlten zweiten Luftteilstroms (34 ) gebildet wird. - Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Einsatzluftstrom (
36 ) für den Nebenkondensator (29 ) durch mindestens einen Teil des abgekühlten zweiten Luftteilstroms (34 ) gebildet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Druck gleich dem zweiten Druck ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Einsatzluftstrom (
151 ,152 ) arbeitsleistend entspannt (153 ) und in die Niederdrucksäule (25 ,26 ) eingeleitet (154 ) wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein stickstoffangereicherter Strom (
51 ,52 ) aus einer Hochdrucksäule (23 ) des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung arbeitsleistend entspannt (53 ) und der arbeitsleistend entspannte stickstoffangereicherte Strom (54 ) in dem Hauptwärmetauscher (20 ,21 ) angewärmt wird. - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des angewärmten stickstoffangereicherten Stroms (
55 ) als Regeneriergas (56 ,57 ) in einer Reinigungseinrichtung (18 ,30 ;118 ) für Einsatzluft eingesetzt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (
27 ) und/oder Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (28 ) als Fallfilmverdampfer ausgestaltet sind und insbesondere der Nebenkondensator (29 ;228 ) als Badverdampfer ausgestaltet ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung außerdem eine dritte Hochdrucksäule (
224 ) aufweist, – ein Hochdruck-Einsatzluftstrom (233 ) in dem Hauptwärmetauscher (20 ,21 ) abgekühlt wird, – der abgekühlte Hochdruck-Einsatzluftstrom (235 ) unter einem dritten Druck, der höher ist als der zweite Druck, in die dritte Hochdrucksäule (224 ) eingeleitet wird und – mindestens ein Teil des Kopfgases (158 ) der dritten Hochdrucksäule (224 ) in den Nebenkondensator (228 ) eingeleitet und dort mindestens teilweise kondensiert wird. - Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine erste Hochdrucksäule (
23 ) und eine Niederdrucksäule (25 ,26 ) aufweist sowie drei Kondensator-Verdampfer, nämlich einen Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (27 ), einen Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (28 ) und einen Nebenkondensator (29 ;228 ), und mit – einem Hauptwärmetauscher (20 ,21 ) zum Abkühlen eines ersten Einsatzluftstroms, – Mitteln zum Einführen des abgekühlten ersten Einsatzluftstroms (22 ) unter einem ersten Druck in die erste Hochdrucksäule (23 ), – Mitteln zum Einführen von ) gasförmigem Kopfstickstoff (44 ,45 ) aus der ersten Hochdrucksäule (23 ) in den Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers (27 ), – Mitteln zum Einführen einer flüssigen Zwischenfraktion (75 ) aus der Niederdrucksäule (25 ,26 ) in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers (27 ), – Mitteln zum Aufgeben mindestens eines Teils (47 ) des in dem Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (27 ) kondensierten Kopfstickstoffs (46 ) als Rücklaufflüssigkeit auf die erste Hochdrucksäule (23 ), – Mitteln zum Einleiten (77 ,79 ) mindestens eines Teils der in dem Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (27 ) verdampften Zwischenfraktion als aufsteigendes Gas in die Niederdrucksäule (25 ,26 ), – Mitteln zum Einleiten mindestens eines Teils der Sumpfflüssigkeit (66 ) der Niederdrucksäule (25 ,26 ) in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers (28 ), – Mitteln zum Einleiten eines Heizfluid (58 ) in den Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers (28 ), – Mitteln zum Einleiten eines nicht verdampften Teils (67 ) der Sumpfflüssigkeit (66 ) der Niederdrucksäule (25 ,26 ) in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators (29 ;228 ) und mit – Mitteln zum Gewinnen mindestens eines Teils der in dem Nebenkondensator (29 ;228 ) verdampften Flüssigkeit (68 ) als gasförmiges Sauerstoffprodukt (69 ), dadurch gekennzeichnet, dass – das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung außerdem eine zweite Hochdrucksäule (24 ) aufweist, und das die Vorrichtung ferner – Mittel zum Einleiten eines ein zweiten Einsatzluftstroms in dem Hauptwärmetauscher (20 ,21 ), – Mittel zum Einleiten des im Hauptwärmetauscher abgekühlten zweiten Einsatzluftstroms (35 ) in die zweite Hochdrucksäule (24 ), und – Mittel zum Einleiten mindestens eines Teils des Kopfgases (58 ) der zweiten Hochdrucksäule (24 ) als Heizfluid in den Verflüssigungsraum der Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (28 ) aufweist, wobei – insbesondere Regelungsmittel vorgesehen sind, die bewirken, dass der zweite Einsatzluftstrom (35 ) unter einem zweiten Druck, der höher ist als der erste Druck, in die zweite Hochdrucksäule (24 ) eingeleitet wird.
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