DE10339224A1 - Method for cryogenic decomposition of air in rectifier system for separating nitrogen and oxygen involves compressing a third air current with first air current in secondary compressor - Google Patents

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Abstract

The method involves compressing a first air current (1) to a first pressure lower than the operating pressure of the high pressure column (10) and compacting a second air current . A third air current is further compressed together with the first air current in a secondary compressor (5) to the second pressure which is higher than the first, this third air current is relaxed and introduced into the rectifier system for separating the nitrogen and oxygen. Independent claim describes device with high pressure column (10) and low pressure column (11) with secondary compressor and supply of third air current with means for relaxing same so that it can be introduced into rectifier system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie bezieht sich auf Zwei- oder Mehr-Säulen-Systeme zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung durch Tieftemperaturzerlegung von Luft, die eine Hochdrucksäule aufweisen sowie eine Niederdrucksäule, die unter niedrigerem Druck als die Hochdrucksäule betrieben wird. Bei Mehr-Säulen-Systemen weist das Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eine oder mehrere weitere Säulen auf, die unter weiteren Drücken betrieben werden, beispielsweise eine Mitteldrucksäule, die unter einem Zwischendruck zwischen Niederdrucksäulen- und Hochdrucksäulen-Druck betrieben wird. Außerdem können zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen vorgesehen sein, beispielsweise eine Argongewinnung.The The invention relates to a process for the cryogenic separation of Air according to the generic term of claim 1. It relates to two or more column nitrogen-oxygen separation systems by cryogenic separation of air having a high pressure column and a low pressure column, which is operated under lower pressure than the high pressure column. For multi-column systems has the rectification system for nitrogen-oxygen separation one or several other columns on that under further press operated, for example, a medium-pressure column, the under an intermediate pressure between low pressure column and high pressure column pressure is operated. Furthermore can additionally to the columns for nitrogen-oxygen separation other devices for obtaining other air components, in particular of noble gases be provided, for example, an argon production.

Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der Aufbau von Zwei-Säulen-Anlagen im Speziellen sind in der Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No.2, 1967, Seite 35) beschrieben.The Basics of cryogenic decomposition of air in general as well the construction of two-pillar systems In particular, in the monograph "cryogenic technology" by Hausen / Linde (2. Edition, 1985) and in an article by Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No.2, 1967, page 35).

Einschlägige Prozesse, bei denen die Gesamtluft nur auf einen ersten Druck verdichtet wird, der niedriger als Hochdrucksäulendruck ist, sind aus DE 19609490 A1 , DE 19623322 A1 , EP 768503 B1 (= US 5730004 ), DE 19815885 A1 , DE 19819263 A1 , DE 19933558 A1 oder DE 19936962 A1 bekannt. Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist insbesondere in DE 19933557 A1 gezeigt. Hier wird der zweite Luftstrom, der in die Niederdrucksäule eingeleitet wird, lediglich auf Niederdrucksäulendruck plus Leitungsverluste verdichtet und anschließend ohne druckverändernde Maßnahmen abgekühlt und in die Niederdrucksäule eingeleitet. Die zum Ausgleich von Isolierungs- und Austauschverlusten benötigte Kälte wird durch arbeitsleistende Entspannung eines unter erhöhtem Druck stehenden Restgases gewonnen.Relevant processes in which the total air is only compressed to a first pressure lower than high pressure column pressure are off DE 19609490 A1 . DE 19623322 A1 . EP 768503 B1 (= US 5730004 ) DE 19815885 A1 . DE 19819263 A1 . DE 19933558 A1 or DE 19936962 A1 known. A method of the type mentioned is in particular in DE 19933557 A1 shown. Here, the second air stream, which is introduced into the low-pressure column, compressed only to low-pressure column pressure plus line losses and then cooled without pressure-changing measures and introduced into the low-pressure column. The cold needed to compensate for insulation and replacement losses is obtained by work-performing expansion of a residual gas under elevated pressure.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig zu betreiben sind, insbesondere durch einen besonders niedrigen Energieverbrauch.Of the Invention is based on the object, a method of the initially specify type and a corresponding device, the economically particularly favorable are to be operated, in particular by a particularly low Power consumption.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein dritter Luftstrom gemeinsam mit dem ersten Luftstrom in dem Nachverdichter auf den zweiten Druck weiterverdichtet, arbeitsleistend entspannt und in das Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeführt wird. Hierdurch brauchen die Rektifiziersäulen – im Unterschied zu einem Verfahren mit Restgasturbine – nicht unter einem erhöhten Druck betrieben zu werden. Der Niederdrucksäulendruck kann bis auf ein knapp überatmosphärisches Niveau abgesenkt werden. Entsprechend weniger Energie wird verbraucht. Gleichzeitig hält sich der apparative Aufwand für die Verdichtung des zusätzlichen dritten Luftstroms in Grenzen, da für diesen Zweck der Nachverdichter eingesetzt wird, der ohnehin für die Weiterverdichtung des ersten Luftstroms benötigt wird.These Task is solved by that a third air flow together with the first air flow in the secondary compressor further compressed on the second pressure, performing work is relaxed and introduced into the rectification system for nitrogen-oxygen separation. This requires the rectification columns - unlike a procedure with residual gas turbine - not under an elevated Pressure to be operated. The low pressure column pressure can be down to one just over-atmospheric Level be lowered. Correspondingly less energy is consumed. Simultaneously holding the equipment required for the compression of the additional third airflow within limits, because for this purpose the booster is used, anyway for the further compression of the first air flow is needed.

Der zweite Luftstrom wird unter "im Wesentlichen" dem ersten Druck abgekühlt, das heißt zwischen der Verdichtung auf den ersten Druck (beispielsweise in einem Hauptluftverdichter) und der Abkühlung werden insbesondere keine druckverändernden Maßnahmen durchgeführt. Zwischen dem Druck der Abkühlung und dem ersten Druck können aber kleinere Druckunterschiede bestehen, die durch Druckverluste in Leitungen und in Apparaten, die nicht dezidiert einer Druckveränderung dienen, auftreten.Of the second air flow is under "im Essentially "the first pressure cooled, this means between the compression at the first pressure (for example in a main air compressor) and the cooling are in particular no pressure changing activities carried out. Between the pressure of cooling and the first pressure but can There are smaller pressure differences caused by pressure losses in Lines and in apparatus that are not decidedly a pressure change serve, occur.

Die Abkühlung des ersten Luftstroms wird vorzugsweise unter im Wesentlichen dem zweiten Druck durchgeführt; kleinere Druckunterschiede wie Druckverluste in Leitungen und in Apparaten, die nicht dezidiert einer Druckveränderung dienen, bleiben dabei ebenfalls unberücksichtigt.The Cooling the first air flow is preferably below substantially second pressure performed; smaller pressure differences such as pressure losses in pipes and in Apparatuses that are not dedicated to pressure change remain also disregarded.

Grundsätzlich können bei der Erfindung die drei Luftströme separat vom Atmosphärendruck auf den "ersten Druck" gebracht werden. In der Regel ist es jedoch günstiger, dafür nur eine einzige Maschine (Hauptluftverdichter) einzusetzen und den ersten, den zweiten und den dritten Luftstrom gemeinsam auf den ersten Druck zu verdichten und anschließend auf diesem Druckniveau zu verzweigen. Der erste Druck kann dabei beispielsweise gleich dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule plus Druckverlusten sein.Basically, at the invention, the three air streams separate from the atmospheric pressure on the "first Pressure " become. In general, it is cheaper, but only one single machine (main air compressor) and the first, the second and third airflow together to the first pressure to condense and then on branch this pressure level. The first pressure can be, for example be equal to the operating pressure of the low pressure column plus pressure drops.

Es ist günstig, wenn der dritte Luftstrom stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung in die Niederdrucksäule eingeleitet wird.It is cheap, when the third airflow downstream of the work performing relaxation in the low pressure column is initiated.

Der dritte Luftstrom kann stromabwärts der Nachverdichtung auf den zweiten Druck und stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung auf einen dritten Druck nachverdichtet werden, insbesondere in einem Bremsgebläse (Turbinen-Booster) unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung erzeugten mechanischen Energie.Of the third airflow can be downstream the post-compression to the second pressure and upstream of the work-performing relaxation to a third pressure nachverdichtet are, especially in a brake fan (turbine booster) under Use of the mechanical work generated during work relaxation Energy.

Vorzugsweise werden zwischen der Verdichtung des zweiten Luftstroms auf den ersten Druck und der Abkühlung des zweiten Luftstroms keine druckverändernden Maßnahmen durchgeführt, das heißt ein Teil der Luft wird nicht über den ersten Druck (plus Leitungsverlusten) hinaus verdichtet, sondern tritt unter diesem ersten Druck (minus Leitungsverlusten) in den Hauptwärmetauscher ein.Preferably, between the compaction tion of the second air flow to the first pressure and the cooling of the second air flow no pressure-changing measures carried out, that is, a part of the air is not compressed above the first pressure (plus line losses) out, but occurs under this first pressure (minus line losses) in the Main heat exchanger.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 7.The Invention also relates a device for cryogenic separation of air according to claim 7th

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Diese Beispiele zeigen spezielle Rektifiziersysteme zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung; die erfindungsgemäße Verfahrensweise kann jedoch ohne Weiteres auf jedes andere Zwei- oder Mehr-Säulen-System zur Luftzerlegung übertragen werden. Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen:The Invention and further details of the invention are hereinafter explained in more detail with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawings. These Examples show special rectification systems for nitrogen-oxygen separation; the procedure of the invention However, it can be easily applied to any other two- or multi-column system be transferred to the air separation. The drawings show in detail:

1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit Luft-Einblaseturbine und direkter Verdampfung von Niederdrücksäulen-Stickstoff in der Hochdrucksäule, 1 a first embodiment of the invention with air injection turbine and direct evaporation of Niederdrücksäule nitrogen in the high-pressure column,

2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit indirekter Verdampfung von Niederdrucksäulen-Stickstoff in einem Produktverdampfer, 2 a second embodiment of the invention with indirect evaporation of low pressure column nitrogen in a product evaporator,

3 das Verfahren von 2 mit Bremsgebläse, 3 the procedure of 2 with brake fan,

4 den Prozess der 1 mit Bremsgebläse und 4 the process of 1 with brake fan and

5 bis 8 weitere Ausführungsbeispiele. 5 to 8th further embodiments.

Übereinstimmende beziehungsweise einander entsprechende Verfahrensschritte und Apparateteile tragen in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen.Matching or corresponding process steps and apparatus parts carry in the drawings the same reference numerals.

In dem Ausführungsbeispiel der 1 wird gereinigte Luft, die bereits in einem Hauptluftverdichter auf einen "ersten Druck" von beispielsweise 5 bar verdichtet wurde, über eine Leitung 1 herangeführt. (Der Hauptluftverdichter sowie Vorkühlung und Reinigung der Luft sind in den Zeichnungen nicht dargestellt.) An einem Verzweigungspunkt 2 wird die Luft in einen ersten Teilstrom 3 und einen zweiten Teilstrom 4 aufgeteilt.In the embodiment of 1 cleaned air, which has already been compressed in a main air compressor to a "first pressure" of, for example, 5 bar, via a line 1 introduced. (The main air compressor as well as pre-cooling and cleaning of the air are not shown in the drawings.) At a branching point 2 the air is in a first partial flow 3 and a second partial flow 4 divided up.

Der erste Teilstrom 3 bildet hier den "ersten" und den "dritten Luftstrom". Er wird in einem Nachverdichter 5, der beispielsweise von einem Motor angetrieben wird und einen Nachkühler 6 aufweist, weiter auf einen Druck von beispielsweise 10 bar verdichtet. Die Hochdruckluft 7 wird in einem Hauptwärmetauscher 8 zu einem ersten Teil (dem "ersten Luftstrom") auf etwa Taupunkt abgekühlt und strömt über Leitung 9 dem Sumpf der Hochdrucksäule 10 des Rektifiziersystems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zu, das außerdem eine Niederdrucksäule 11 aufweist. Die Betriebsdrücke der Säulen betragen in dem Beispiel 9,8 bar in der Hochdrucksäule 10 und 4,8 bar in der Niederdrucksäule 11 (jeweils am Kopf).The first partial flow 3 here forms the "first" and the "third airflow". He is in a post-compressor 5 powered by a motor, for example, and an aftercooler 6 has, further compressed to a pressure of, for example, 10 bar. The high pressure air 7 is in a main heat exchanger 8th to a first part (the "first air stream") cooled to about dew point and flowing over line 9 the bottom of the high-pressure column 10 the rectification system for nitrogen-oxygen separation, which also has a low pressure column 11 having. The operating pressures of the columns in the example are 9.8 bar in the high pressure column 10 and 4.8 bar in the low pressure column 11 (at the head).

Der zweite Teilstrom 4 der Luft stellt hier den "zweiten Luftstrom" dar. Er wird direkt zum warmen Ende des Hauptwärmetauschers 8 geleitet, dort ebenfalls auf etwa Taupunktstemperatur abgekühlt und über die Leitungen 12 und 212 in die Niederdrucksäule 11 eingespeist, und zwar in diesem Beispiel unmittelbar an deren Sumpf. In dem Ausführungsbeispiel werden in den Leitungen 1, 4, 12 und 212 keinerlei druckverändernde Maßnahmen durchgeführt, das heißt die Druckdifferenz zwischen dem Austritt des Hauptluftverdichters (nicht dargestellt) beziehungsweise zwischen Leitung 1 einerseits und der Einspeisung in die Niederdrucksäule (Ende von Leitung 212) andererseits entspricht dem Leitungsverlust durch die entsprechenden Rohre und Apparate.The second partial flow 4 The air here represents the "second air stream". It becomes directly to the warm end of the main heat exchanger 8th passed there, also cooled to about dew point and over the lines 12 and 212 in the low pressure column 11 fed, in this example, directly to the swamp. In the embodiment, in the lines 1 . 4 . 12 and 212 performed no pressure-changing measures, that is, the pressure difference between the outlet of the main air compressor (not shown) and between line 1 on the one hand and the feed into the low-pressure column (end of line 212 On the other hand corresponds to the loss of line through the corresponding pipes and apparatus.

Als weiterer Einsatz für die Niederdrucksäule 11 dient die sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit 13 der Hochdrucksäule 10, die in einem ersten Unterkühlungs-Gegenströmer 14 abgekühlt und über Leitung 15 und Drosselventil 16 an eine Zwischenstelle der Niederdrucksäule geführt wird, die zum Beispiel 5 theoretische oder praktische Böden oberhalb der Einspeisung der gasförmigen Luft 212 liegt.Another use for the low pressure column 11 serves the oxygen-enriched bottoms liquid 13 the high pressure column 10 that in a first supercooling countercurrent 14 cooled and over line 15 and throttle valve 16 is passed to an intermediate point of the low pressure column, for example, 5 theoretical or practical soils above the feed of the gaseous air 212 lies.

Gasförmiger Kopfstickstoff 17 der Niederdrucksäule 11 wird in einem Kondensator-Verdampfer 18 (Kopfkondensator der Niederdrucksäule) vollständig oder im Wesentlichen vollständig kondensiert. Das dabei gebildete Kondensat 19 wird teilweise oder vollständig über Leitung 20 in die Niederdrucksäule zurückgeleitet. Ein Teil des flüssigen Stickstoffs 20 aus dem Kondensator-Verdampfer 18 bildet den Rücklauf für die Niederdrucksäule 11. Ein anderer Teil wird über Leitung 22 aus der Niederdrucksäule 11 entnommen, in einer Pumpe 23 auf etwas über Hochdrucksäulendruck (zum Beispiel auf etwa 11 bar) gebracht, über Leitung 24 zum ersten Unterkühlungs-Gegenströmer 14 geführt, dort angewärmt und schließlich über Leitung 25 und Ventil 26 in die Hochdrucksäule 10 eingespeist, und zwar unmittelbar am Kopf.Gaseous head nitrogen 17 the low pressure column 11 is in a condenser-evaporator 18 (Top condenser of the low pressure column) completely or substantially completely condensed. The resulting condensate 19 is partially or completely over line 20 returned to the low pressure column. Part of the liquid nitrogen 20 from the condenser-evaporator 18 forms the return for the low pressure column 11 , Another part is over lead 22 from the low pressure column 11 taken in a pump 23 brought to something about high-pressure column pressure (for example to about 11 bar), via line 24 to the first supercooling countercurrent 14 led, there warmed up and finally over lead 25 and valve 26 in the high pressure column 10 fed directly to the head.

In dem Ausführungsbeispiel wird das gesamte gasförmige Kopfprodukt der Niederdrucksäule 11 über Leitung 17 in den Verflüssigungsraum des Kondensator-Verdampfers 18 geleitet. Bei Bedarf könnte ein Teil des Kopfgases als gasförmiges Niederdruckprodukt abgezogen werden (nicht dargestellt). Bei Bedarf kann außerdem ein Teil 21 des im Kondensator-Verdampfer 18 erzeugten flüssigen Stickstoffs 19 als Flüssigprodukt (LIN) gewonnen werden.In the embodiment, the entire gaseous top product of the low pressure column 11 via wire 17 in the liquefaction space of the condenser-evaporator 18 directed. If necessary, a portion of the overhead gas could be considered gaseous low pressure product are deducted (not shown). If necessary, also a part 21 in the condenser-evaporator 18 produced liquid nitrogen 19 be obtained as a liquid product (LIN).

Als Kopfprodukt verlässt Stickstoffgas 27 die Hochdrucksäule 10 und wird nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher 8 auf etwa Umgebungstemperatur über Leitung 28 als gasförmiges Druckstickstoffprodukt unter etwa dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 10 (minus Leitungsverlusten) gewonnen. Vorzugsweise wird der Druckstickstoff 28 direkt zum Verbraucher und/oder in ein Rohrleitungsnetz geführt, das heißt die Hochdrucksäule 10 wird unter einem Druck betrieben, der etwas über dem gewünschten Produktdruck liegt. Damit ist keine weitere Verdichtung des Stickstoffprodukts notwendig. Alternativ kann das Stickstoffprodukt 28 vollständig oder teilweise von dem Abgabedruck, wie er stromabwärts des Durchgangs durch den Hauptwärmetauscher herrscht, mittels eines Produktverdichters weiter auf einen noch höheren Druck verdichtet werden.As top product leaves nitrogen gas 27 the high pressure column 10 and after heating in the main heat exchanger 8th at about ambient temperature over line 28 as gaseous pressure nitrogen product below about the operating pressure of the high pressure column 10 (minus line losses) won. Preferably, the pressurized nitrogen 28 led directly to the consumer and / or in a pipeline network, that is, the high pressure column 10 is operated at a pressure slightly above the desired product pressure. Thus, no further compression of the nitrogen product is necessary. Alternatively, the nitrogen product 28 wholly or partially from the discharge pressure, as it prevails downstream of the passage through the main heat exchanger, are further compressed by means of a product compressor to an even higher pressure.

Die Sumpfflüssigkeit 29 der Niederdrucksäule 11 enthält etwa 40 % Sauerstoff. Sie wird in einem zweiten Unterkühlungs-Gegenströmer 30 abgekühlt und anschließend auf einen noch deutlich über dem Atmosphärendruck liegenden Druck (in dem Beispiel 1,3 bar) entspannt (32) und schließlich in dem Ausführungsbeispiel als Kühlfluid 31 für den Kondensator-Verdampfer 18 eingesetzt. Im Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers 18 wird das Kühlfluid im Wesentlichen vollständig (bis auf eine kleine Spülmenge – nicht dargestellt) verdampft. Der dabei gebildete Dampf 33 wird im zweiten Unterkühlungs-Gegenströmer 30 angewärmt und über Leitung 34 zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 8 geführt. Nach Anwärmung auf etwa Umgebungstemperatur wird er über Leitung 38 als Restgas abgezogen. Das Restgas 38 kann beispielsweise als Regeneriergas für die nicht dargestellte Luftreinigung eingesetzt werden.The bottoms liquid 29 the low pressure column 11 contains about 40% oxygen. She is in a second subcooling countercurrent 30 cooled and then to a still well above atmospheric pressure (in the example 1.3 bar) relaxed ( 32 ) and finally in the embodiment as a cooling fluid 31 for the condenser-evaporator 18 used. In the evaporation chamber of the condenser-evaporator 18 the cooling fluid is substantially completely evaporated (except for a small flushing amount - not shown). The resulting vapor 33 is in the second subcooling countercurrent 30 warmed up and over wire 34 to the cold end of the main heat exchanger 8th guided. After warming to about ambient temperature, it is over line 38 deducted as residual gas. The residual gas 38 can be used for example as a regeneration gas for the air purification, not shown.

Der gepumpte Flüssigstickstoff 24, 25 bildet hier die einzige Quelle für Rücklaufflüssigkeit der Hochdrucksäule 10. Insbesondere wird kein Teil des Kopfgases oder eines anderen Gases aus dem oberen Bereich der Hochdrucksäule durch indirekten Wärmeaustausch mit einer flüssigen Fraktion aus der Niederdrucksäule 11 kondensiert. Im Gegenteil, das gesamte Kopfgas wird als gasförmiges Druckstickstoffprodukt 27, 28 abgezogen. Damit kann einerseits das gesamte gasförmige Stickstoffprodukt unter dem erhöhten Druck der Hochdrucksäule 10 abgezogen werden; andererseits sind die Betriebsdrücke der Niederdrucksäule 11 und der Hochdrucksäule 10 voneinander unabhängig. Zum Beispiel kann die Hochdrucksäule auf einem hohen Produktdruckniveau betrieben und damit auf einen separaten Produktverdichter verzichtet werden; gleichzeitig kann der Betriebsdruck der Niederdrucksäule relativ niedrig gehalten und die Anlage damit besonders energiesparend betrieben werden.The pumped liquid nitrogen 24 . 25 here forms the only source of reflux liquid of the high pressure column 10 , In particular, no portion of the head gas or other gas from the top of the high pressure column is converted by indirect heat exchange with a liquid fraction from the low pressure column 11 condensed. On the contrary, the entire head gas is called gaseous pressure nitrogen product 27 . 28 deducted. Thus, on the one hand, the entire gaseous nitrogen product under the increased pressure of the high pressure column 10 subtracted from; On the other hand, the operating pressures of the low pressure column 11 and the high pressure column 10 independent from each other. For example, the high pressure column can be operated at a high product pressure level and thus dispensed with a separate product compressor; At the same time, the operating pressure of the low pressure column can be kept relatively low and the system can thus be operated particularly energy-saving.

Ein dritter Teilstrom der Luft (der "dritte Luftstrom") wird gemeinsam mit dem ersten Luftstrom in dem Nachverdichter 5 komprimiert und über Leitung 7 dem warmen Ende des Hauptwärmetauschers 8 zugeleitet, jedoch bereits an einer Zwischenstelle über Leitung 235 wieder entnommen und in einer Luftturbine 236 arbeitsleistend entspannt. Der entspannte dritte Teilstrom 237 wird mit dem kalten zweiten Teilstrom 12 vereinigt. Die beiden Teilströme werden gemeinsam über Leitung 212 der Niederdrucksäule 11 zugeführt. Die Luftturbine 236 kann mit jedem bekannten Mittel (zum Beispiel Generator, Ölbremse oder Bremsgebläse) gebremst werden, vorzugsweise werden ein Generator oder eine Ölbremse eingesetzt.A third partial flow of the air (the "third airflow") becomes common with the first airflow in the reboiler 5 compressed and over line 7 the warm end of the main heat exchanger 8th forwarded, but already at an intermediate point over line 235 taken again and in an air turbine 236 doing work relaxed. The relaxed third partial flow 237 is with the cold second partial flow 12 united. The two partial flows are shared via line 212 the low pressure column 11 fed. The air turbine 236 can be braked with any known means (for example, generator, oil brake or brake fan), preferably a generator or an oil brake are used.

In 2 wird mit dem Flüssigstickstoff 22, 24, 25, der in dem Kopfkondensator 18 der Niederdrucksäule gebildet wurde und weder als Flüssigprodukt 21 gewonnen, noch als Rücklauf in der Niederdrucksäule 11 eingesetzt wird, anders verfahren als inIn 2 becomes with the liquid nitrogen 22 . 24 . 25 in the top condenser 18 the low pressure column was formed and neither as a liquid product 21 won, still as reflux in the low-pressure column 11 is used differently than in

1. Er wird als Produktfraktion abgezogen wird und nach Druckerhöhung 23 und Anwärmung 14 nicht in die Hochdrucksäule 10 eingeleitet, sondern in den Verdampfungsraum eines weiteren Kondensator-Verdampfers, des Produktverdampfers 46 eingespeist. 1 , It is withdrawn as a product fraction and after pressure increase 23 and warming up 14 not in the high pressure column 10 but introduced into the evaporation chamber of another condenser-evaporator, the product evaporator 46 fed.

Dort gebildetes Stickstoffgas 27 wird nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher 8 auf etwa Umgebungstemperatur über Leitung 28 als gasförmiges Druckstickstoffprodukt unter etwa dem Betriebsdruck des Verdampfungsraums des Produktverdampfers 46 (minus Leitungsverlusten) gewonnen. Vorzugsweise wird der Druckstickstoff 28 direkt zum Verbraucher und/oder in ein Rohrleitungsnetz geführt, das heißt die Hochdrucksäule 10 wird unter einem Druck betrieben, der etwas über dem gewünschten Produktdruck liegt. Damit ist keine weitere Verdichtung des Stickstoffprodukts notwendig. Alternativ kann das Stickstoffprodukt 28 vollständig oder teilweise von dem Abgabedruck, wie er stromabwärts des Durchgangs durch den Hauptwärmetauscher herrscht, mittels eines Produktverdichters weiter auf einen noch höheren Druck verdichtet werden.There formed nitrogen gas 27 after heating in the main heat exchanger 8th at about ambient temperature over line 28 as gaseous pressurized nitrogen product at about the operating pressure of the evaporation space of the product evaporator 46 (minus line losses) won. Preferably, the pressurized nitrogen 28 led directly to the consumer and / or in a pipeline network, that is, the high pressure column 10 is operated at a pressure slightly above the desired product pressure. Thus, no further compression of the nitrogen product is necessary. Alternatively, the nitrogen product 28 wholly or partially from the discharge pressure, as it prevails downstream of the passage through the main heat exchanger, are further compressed by means of a product compressor to an even higher pressure.

Im Verflüssigungsraum des Produktverdampfers 46 kondensiert Kopfgas 47 der Hochdrucksäule 10. Dabei entstandenes Kondensat 48 wird zu einem ersten Teil 49 als Rücklauf in die Hochdrucksäule 10 zurückgespeist. Ein anderer Teil 50 wird nach Unterkühlung im Unterkühlungs-Gegenströmer 14 über Leitung 51, Drosselventil 52 und Leitung 45 auf die Niederdrucksäule 11 aufgegeben.In the liquefaction room of the product evaporator 46 condenses overhead gas 47 the high pressure column 10 , Resulting condensate 48 becomes a first part 49 as reflux into the high-pressure column 10 fed back. Another part 50 is after subcooling in the subcooling countercurrent 14 via wire 51 , Throttle valve 52 and direction 45 on the low pressure column 11 given up.

Während die Turbine 36, 236 in 2 vorzugsweise mittels eines Generators oder einer Ölbremse gebremst wird, weist das Ausführungsbeispiel der 3 eine Booster-Turbine 336/340 auf. Hier wird die mechanische Energie, die bei der arbeitsleistenden Entspannung 336 des dritten Teilstroms der Luft erzeugt wird, an einen Nachverdichter 340 für eben diesen dritten Teilstrom abgegeben. Dadurch kann die Kälteleistung erhöht oder – bei gleich bleibender Kälteleistung – die Turbinenluftmenge verringert werden, indem der Druck am Eintritt der Turbine 336 auf einen Wert erhöht wird, der deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt und beispielsweise 15 bar beträgt.While the turbine 36 . 236 in 2 is preferably braked by means of a generator or an oil brake, the embodiment of the 3 a booster turbine 336 / 340 on. Here is the mechanical energy, which at work performing relaxation 336 of the third part of the air is generated, to a booster 340 delivered for just this third partial flow. As a result, the cooling capacity can be increased or - with the same cooling capacity - the turbine air quantity can be reduced by the pressure at the inlet of the turbine 336 is increased to a value which is well above the operating pressure of the high pressure column and, for example, 15 bar.

In dem Verfahren von 3 wird dazu der vereinigte erste und dritte Teilstrom 7 bereits stromaufwärts des Hauptwärmetauschers 8 verzweigt. Der erste Teilstrom 338 fließt wie gehabt direkt dem warmen Ende des Hauptwärmetauschers 8 zu. Dagegen wird der dritte Luftstrom 339 in dem von der Turbine 336 angetriebenen Nachverdichter 340 mit Nachkühler 341 weiter verdichtet und über Leitung 342 in eine separate Passagengruppe des Hauptwärmetauschers 8 eingeleitet. Bei einer Zwischenstelle wird der dritte Teilstrom schließlich über Leitung 335 wieder entnommen, in der Turbine 336 arbeitsleistend entspannt und schließlich mittels Leitung 337 zur Niederdrucksäule geführt.In the process of 3 becomes the united first and third partial stream 7 already upstream of the main heat exchanger 8th branched. The first partial flow 338 flows as usual directly to the warm end of the main heat exchanger 8th to. In contrast, the third air flow 339 in the one from the turbine 336 driven booster 340 with aftercooler 341 further condensed and over wire 342 into a separate passage group of the main heat exchanger 8th initiated. At an intermediate point, the third partial flow is finally via line 335 taken out again, in the turbine 336 performing work and finally relaxed by means of guidance 337 led to the low pressure column.

4 weist gegenüber 1 denselben Unterschied wie 3 gegenüber 2 auf. 4 points opposite 1 same difference as 3 across from 2 on.

Das in 5 dargestellte System entspricht weitgehend dem in 2 gezeigten. Allerdings ist hier der Produktverdampfer 46 in einem separaten Behälter angeordnet und Kopf der Hochdrucksäule 10 und Sumpf der Niederdrucksäule 11 stehen außerdem über einen analog zu einem gewöhnlichen Hauptkondensator geschalteten weiteren Kondensator-Verdampfer 68 in wärmetauschender Verbindung.This in 5 shown system corresponds largely to the in 2 . shown However, here is the product evaporator 46 arranged in a separate container and head of the high pressure column 10 and swamp of the low pressure column 11 are also connected via a similar to a conventional main capacitor switched another condenser-evaporator 68 in heat exchanging connection.

Im Verflüssigungsraum des Produktverdampfers 46 kondensiert nur ein Teil 47, des Kopfgases 66 der Hochdrucksäule 10. Daraus entstandenes Kondensat 48 wird zu einem ersten Teil 49 als "zweite Rücklaufflüssigkeit" in die Hochdrucksäule 10 zurückgespeist. Ein anderer Teil 50 wird nach Unterkühlung im Unterkühlungs-Gegenströmer 14 über Leitung 51, Drosselventil 52 und Leitung 45 auf die Niederdrucksäule 11 aufgegeben.In the liquefaction room of the product evaporator 46 condenses only a part 47 , the head gas 66 the high pressure column 10 , Resulting condensate 48 becomes a first part 49 as "second return liquid" in the high pressure column 10 fed back. Another part 50 is after subcooling in the subcooling countercurrent 14 via wire 51 , Throttle valve 52 and direction 45 on the low pressure column 11 given up.

Ein zweiter Teil 67 des Kopfstickstoffs 66 der Hochdrucksäule 10 wird in dem weiteren Kondensator-Verdampfer, dem Sumpfverdampfer 68 der Niederdrucksäule 11, mindestens teilweise verflüssigt. Daraus entstandenes Kondensat 69 wird in die Hochdrucksäule 10 zurückgespeist. In dem Beispiel werden 10 mol-% des Rücklaufs für die Hochdrucksäule 10 durch das Kondensat 69 gebildet, der Rest durch die "zweite Rücklaufflüssigkeit" 49.A second part 67 of the head nitrogen 66 the high pressure column 10 is in the further condenser-evaporator, the bottom evaporator 68 the low pressure column 11 , at least partially liquefied. Resulting condensate 69 gets into the high pressure column 10 fed back. In the example 10 mol% of the reflux for the high pressure column 10 through the condensate 69 formed, the rest by the "second return liquid" 49 ,

Mit Hilfe des Sumpfverdampfers 68 der Niederdrucksäule 11 steht auch unterhalb der Luftzuspeisung über Leitung 212 aufsteigender Dampf in der Niederdrucksäule zur Verfügung. Dadurch kann an dieser Stelle ein zusätzlicher Stoffaustauschabschnitt eingesetzt werden, der den Sauerstoffgehalt in der Sumpfflüssigkeit 29 der Niederdrucksäule 11 in dem Beispiel auf etwa 40 mol-% erhöht.With the help of the bottom evaporator 68 the low pressure column 11 is also below the air supply via line 212 ascending steam in the low pressure column available. As a result, an additional mass transfer section can be used at this point, which determines the oxygen content in the bottoms liquid 29 the low pressure column 11 increased in the example to about 40 mol%.

6 weist gegenüber 1 denselben Unterschied wie 5 gegenüber 2 auf, nämlich einen zusätzlichen Kondensator-Verdampfer 68, der gleichzeitig als Kopfkondensator der Hochdrucksäule 10 und als Sumpfverdampfer der Niederdrucksäule 11 wirkt, und einen zusätzlichen Stoffaustauschabschnitt in der Niederdrucksäule 11 unterhalb der Luftzuspeisung 212. Der Teil 667 des Kopfgases 666 der Hochdrucksäule 10, der nicht als Druckstickstoffprodukt 627 abgezogen wird, kondensiert im Kondensator-Verdampfer 68 im Wesentlichen vollständig. Dabei gebildetes Kondensat 669 fließt in die Hochdrucksäule zurück. 6 points opposite 1 same difference as 5 across from 2 on, namely an additional condenser-evaporator 68 , the same time as the head condenser of the high pressure column 10 and as bottom evaporator of the low pressure column 11 acts, and an additional mass transfer section in the low pressure column 11 below the air supply 212 , The part 667 of the top gas 666 the high pressure column 10 not as a pressurized nitrogen product 627 is withdrawn condensed in the condenser-evaporator 68 essentially complete. This formed condensate 669 flows back into the high pressure column.

7 weist gegenüber 5 denselben Unterschied wie 3 gegenüber 2 auf, nämlich einen Turbinen-Booster 340. 7 points opposite 5 same difference as 3 across from 2 on, namely a turbine booster 340 ,

8 weist gegenüber 6 denselben Unterschied wie 3 gegenüber 2 auf, nämlich einen Turbinen-Booster 340. 8th points opposite 6 same difference as 3 across from 2 on, namely a turbine booster 340 ,

Claims (7)

Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (10) und eine Niederdrucksäule (11) aufweist, wobei bei dem Verfahren – ein erster Luftstrom (1, 3, 7, 9) auf einen ersten Druck, der niedriger als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (10) ist, verdichtet, stromabwärts der Verdichtung auf den ersten Druck in einem Nachverdichter (5) auf einen zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, weiterverdichtet, abgekühlt (8) und in die Hochdrucksäule (10) eingeleitet (9) wird, – ein zweiter Luftstrom (1, 4, 12, 212) auf den ersten Druck verdichtet, unter einem Druck, der im Wesentlichen gleich dem ersten Druck ist, abgekühlt (8) und anschließend in die Niederdrucksäule (11) eingeleitet (12, 212) wird, – der Niederdrucksäule (11) oder der Hochdrucksäule (10) mindestens eine Produktfraktion (22, 27, 627) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Luftstrom (1, 3, 7, 212, 235, 237, 335, 339, 342, 337) gemeinsam mit dem ersten Luftstrom in dem Nachverdichter (5) auf den zweiten Druck weiterverdichtet, arbeitsleistend entspannt (236, 336) und in das Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeführt (212, 237, 337) wird.Process for the cryogenic separation of air in a nitrogen-oxygen separation rectification system comprising a high-pressure column ( 10 ) and a low pressure column ( 11 ), wherein in the method - a first air flow ( 1 . 3 . 7 . 9 ) to a first pressure which is lower than the operating pressure of the high-pressure column ( 10 ), compressed, downstream of the compression to the first pressure in a secondary compressor ( 5 ) to a second pressure which is higher than the first pressure, further compressed, cooled ( 8th ) and in the high-pressure column ( 10 ) ( 9 ), - a second air stream ( 1 . 4 . 12 . 212 ) is compressed to the first pressure, cooled under a pressure substantially equal to the first pressure ( 8th ) and then into the low-pressure column ( 11 ) ( 12 . 212 ), - the low-pressure column ( 11 ) or the high pressure column ( 10 ) at least one product fraction ( 22 . 27 . 627 ), characterized in that a third air stream ( 1 . 3 . 7 . 212 . 235 . 237 . 335 . 339 . 342 . 337 ) together with the first air flow in the secondary compressor ( 5 ) further compressed to the second pressure, work-relaxed ( 236 . 336 ) and in the rectifier nitrogen-oxygen separation system ( 212 . 237 . 337 ) becomes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung (8) des ersten Luftstroms (1, 3, 7, 9) unter im Wesentlichen dem zweiten Druck durchgeführt wird.Method according to claim 1, characterized in that the cooling ( 8th ) of the first air stream ( 1 . 3 . 7 . 9 ) is performed under substantially the second pressure. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, der zweite und der dritte Luftstrom gemeinsam (1) auf den ersten Druck verdichtet werden.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first, the second and the third air flow together ( 1 ) are compressed to the first pressure. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Luftstrom (237, 337) stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung (236, 336) in die Niederdrucksäule (11) eingeleitet (212) wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the third air flow ( 237 . 337 ) downstream of the work-performing relaxation ( 236 . 336 ) in the low-pressure column ( 11 ) ( 212 ) becomes. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Luftstrom (339) stromabwärts der Nachverdichtung (5) auf den zweiten Druck und stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung (336) auf einen dritten Druck nachverdichtet (340) wird, insbesondere unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung (336) erzeugten mechanischen Energie.Method according to claim 4, characterized in that the third air stream ( 339 ) downstream of the densification ( 5 ) to the second pressure and upstream of the work-performing expansion ( 336 ) is compressed to a third pressure ( 340 ), in particular using the in-work relaxation ( 336 ) generated mechanical energy. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verdichtung des zweiten Luftstroms auf den ersten Druck und der Abkühlung (8) des zweiten Luftstroms keine druckverändernden Maßnahmen durchgeführt werden.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that between the compression of the second air flow to the first pressure and the cooling ( 8th ) of the second air flow no pressure-changing measures are performed. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (10) und eine Niederdrucksäule (11) aufweist, mit Mitteln zum Verdichten eines ersten Luftstroms (1, 3, 7, 9) auf einen ersten Druck, der niedriger als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (10) ist, mit einem Nachverdichter (5) zur weiteren Verdichtung des ersten Luftstroms auf einen zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, mit einer ersten Einsatzluftleitung (9) zur Einleitung des ersten Luftstroms in die Hochdrucksäule (10), mit Mitteln zum Verdichten eines zweiten Luftstroms (1, 4, 12, 212) auf den ersten Druck, mit Mitteln (8) zur Abkühlung des zweiten Luftstroms unter einem Druck, der im Wesentlichen gleich dem ersten Druck ist, mit einer zweiten Einsatzluftleitung (12, 212) zur Einleitung des zweiten Luftstroms in die Niederdrucksäule (11) und mit einer Produktfraktionsleitung (22, 27, 627), die mit der Niederdrucksäule (11) oder der Hochdrucksäule (10) verbunden ist, gekennzeichnet durch Mittel zur Zuführung eines dritten Luftstroms (1, 3, 7, 212, 235, 237, 335, 339, 342, 337) zu dem Nachverdichter (5), mit Mitteln (236, 336) zur arbeitsleistenden Entspannung des dritten Luftstroms, die stromabwärts des Nachverdichters (5) angeordnet sind und mit einer dritten Einsatzluftleitung (237, 337, 212) zur Einführung des arbeitsleistend entspannten dritten Luftstroms in das Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung.Apparatus for cryogenic separation of air with a nitrogen-oxygen separation rectification system comprising a high-pressure column ( 10 ) and a low pressure column ( 11 ), with means for compressing a first air stream ( 1 . 3 . 7 . 9 ) to a first pressure which is lower than the operating pressure of the high-pressure column ( 10 ) is, with a Nachverdichter ( 5 ) for further compressing the first air flow to a second pressure which is higher than the first pressure, with a first feed air line ( 9 ) for introducing the first air stream into the high-pressure column ( 10 ), means for compressing a second air stream ( 1 . 4 . 12 . 212 ) at first pressure, with means ( 8th ) for cooling the second air stream at a pressure that is substantially equal to the first pressure, with a second feed air line ( 12 . 212 ) for introducing the second air stream into the low-pressure column ( 11 ) and with a product fraction line ( 22 . 27 . 627 ), which are connected to the low-pressure column ( 11 ) or the high pressure column ( 10 ), characterized by means for supplying a third air stream ( 1 . 3 . 7 . 212 . 235 . 237 . 335 . 339 . 342 . 337 ) to the post-compressor ( 5 ), with means ( 236 . 336 ) for work-performing expansion of the third air stream, the downstream of the post-compressor ( 5 ) are arranged and with a third feed air line ( 237 . 337 . 212 ) to introduce the work-relaxing relaxed third air stream in the rectification system for nitrogen-oxygen separation.
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