EP2469205A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

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EP2469205A1
EP2469205A1 EP11002006A EP11002006A EP2469205A1 EP 2469205 A1 EP2469205 A1 EP 2469205A1 EP 11002006 A EP11002006 A EP 11002006A EP 11002006 A EP11002006 A EP 11002006A EP 2469205 A1 EP2469205 A1 EP 2469205A1
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EP
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pressure
air
heat exchanger
main heat
stream
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11002006A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Lochner
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F25J2290/12—Particular process parameters like pressure, temperature, ratios

Definitions

  • the invention relates to a method for the cryogenic separation of air according to the preamble of patent claim 1.
  • At least one of the products for example, nitrogen from the high-pressure column, oxygen from the low-pressure column of a two-column air separator
  • at least one of the products is taken off liquid from one of the columns of the distillation column system or from a condenser connected to one of these columns, in liquid Condition brought to an elevated pressure, vaporized in indirect heat exchange with feed air in the main heat exchanger or pseudo-evaporated (at supercritical pressure) and finally recovered as gaseous pressure product.
  • the present method not only a portion of the feed air, but the total air is compressed to a first pressure which is significantly higher than the operating pressure of the high pressure column.
  • significantly higher is meant here a pressure difference of at least 2 bar, preferably at least 5 bar.
  • the two-turbine method according to the invention is fundamentally similar to the process with a turbine which is described in the earlier European patent application with the file reference 10002439.7. While that is particularly well suited for pure gas production or for processes with only slight liquid production, the inventive method is suitable for processes with relatively high cooling capacity of about 120 kW or higher, which is usually required at relatively high liquid product proportion (the numerical value 120 kW refers to the turbine power that is released into the heat).
  • the molar total amount of liquid end product in the process is for example more than 10% of the gaseous pressure product (usually the gaseous pressure oxygen)
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned above and a corresponding device, which are economically particularly favorable to operate.
  • the mass flow ratio between the first air flow and the second air flow is between 0.38 and 0.67 and the pressure ratio at the cold compressor is 1.3 to 2.3. This results in a particularly efficient process.
  • the mass flow ratio between the first air flow and the second air flow is between 0.45 and 0.51 and / or the pressure ratio at the cold compressor is 1.6 to 1.8.
  • Both air streams are preferably introduced into the high-pressure column in the process according to the invention after their (pseudo) liquefaction) or work-performing expansion.
  • at least a portion of the first and / or the second air stream may be introduced into the low-pressure column, in particular after flowing through a separator for phase separation and optionally after supercooling.
  • the "main heat exchanger” may be formed of one or more parallel and / or serially connected heat exchanger sections, for example one or more plate heat exchanger blocks.
  • the two expansion machines are preferably formed by expansion turbines. They are "parallel" switched; that means in the present application that their inlet and outlet pressures and inlet temperatures are each equal in pairs.
  • the inlet pressure of the working expansion is "substantially equal" to the first pressure, that is, the second air flow is not subjected to Nachverdichtungsuze between the main air compressor and work-performing relaxation; smaller pressure differences caused by the natural pressure loss when flowing through the intermediary apparatus are permitted.
  • the first pressure, to which the total air is compressed is "significantly higher” than the operating pressure of the high-pressure column.
  • the pressure difference between the first pressure and the operating pressure of the high-pressure column not only corresponds to the natural pressure drop through lines, heat exchangers and other apparatus, but at least 1 bar, preferably at least 3 bar, most preferably at least 5 bar.
  • the pressure difference between the first pressure and the operating pressure of the high-pressure column is, for example, 5 to 25 bar, preferably 7 to 15 bar. (All pressures given here and below are absolute pressures.)
  • every level of product pressure is possible, in particular also a plurality of pressure levels.
  • liquid oxygen can be brought to 30 bar in an internal compression pump and divided in cold into two partial streams upstream of the main heat exchanger, one of which is throttled to a lower pressure before it is vaporized and heated in the main heat exchanger.
  • one or more liquid nitrogen streams in the main heat exchanger are evaporated.
  • the pressures of the pressurized product stream and the first air stream are subcritical, they are vaporized or liquefied in the main heat exchanger. At supercritical pressure no real phase transition takes place, then the corresponding stream is pseudo-vaporized or pseudo-liquefied.
  • the entire cold-compressed second air stream in the main heat exchanger (pseudo) is liquefied.
  • the entire pressure increase which is caused by the cold compressor on the air part concentrated, which is used for (pseudo) evaporation of the liquid product stream.
  • the first pressure can be selected correspondingly lower and energy saved.
  • the entire introduced into the main heat exchanger compressed feed air is divided into the first and the second air flow. So there is no third air flow, but the entire feed air is either under the third pressure (pseudo) liquefied (first air flow) or supplied under the first pressure of the working expansion relaxation (second air flow). A smaller portion of the first, second or third pressure compressed air may be diverted upstream of the main heat exchanger as instrument air.
  • one of the two expansion machines is mechanically coupled to the warm booster and the other of the two expansion machines mechanically coupled to the cold compressor.
  • both boosters can be driven without external energy having to be used;
  • the process heat is removed by the transfer of mechanical energy from the work-relaxing relaxation on the warm booster.
  • the process heat is removed by the transfer of mechanical energy from the work-relaxing relaxation on the warm booster. For example, between 40 and 60%, preferably 46 to 54%, of the second air flow flow through the expansion machines coupled to the cold compressor, the remainder of the second air flow is introduced into the expansion machine coupled to the warm after-compressor.
  • the outlet pressure of the work-performing expansion is preferably approximately equal to the operating pressure of the high-pressure column. "About equal to” includes small pressure differences in the order of the natural pressure drop between the outlet pressure of the work expansion and the operating pressure of the high pressure column.
  • the total amount of liquid-produced products is between 0.05% and 2.0% of the amount of feed air, in particular between 0.1% and 1.0% of the amount of feed air.
  • total amount of liquid products is meant here the molar amount of liquid products such as liquid oxygen, liquid nitrogen and possibly liquid argon, which are obtained in the process as a final product.
  • the invention also relates to a device for the cryogenic separation of air according to the claims 7 to 9.
  • Atmospheric air is drawn in as feed air via line 1 from a main air compressor 2, where it is brought to a "first pressure" of 10 to 30 bar, preferably about 19 bar, cooled in a pre-cooling 3 to about ambient temperature and fed to an adsorptive air purification 4.
  • the purified main air stream 5 is branched at 6 into a first air stream 7 and a second air stream 8.
  • the first air stream 7 is warmed in a booster heat exchanger 9 to about cooling water temperature and further compressed in a booster operated in the heat after 10 to a "second pressure" of 15 to 60 bar, preferably about 25 bar. Subsequently, the heat of compression is at least partially removed in a first aftercooler 11. (Alternatively, the booster heat exchanger 9 may be omitted, in which case the first air flow below the exit temperature of the air purification 4 enters the warm after-compressor 10.)
  • the air stream 12b, 12c is then introduced into the main heat exchanger 16 and at a "first intermediate temperature" of 120 to 180 K, preferably about 48 K again removed from the main heat exchanger 16 (12c) and in a cold compressor further to a "third pressure" of 22 to 90 bar, preferably compressed about 40 bar.
  • the second air stream 115 is reintroduced into the main heat exchanger 16 at a "second intermediate temperature" of 140 to 220 K, preferably about 180 K, where it is cooled and liquefied, or (at supercritical pressure) pseudo-liquefied.
  • the cold first air stream 17 is expanded to a pressure of 4 to 10 bar, preferably about 6 bar (in the example in a throttle valve 18) and under this pressure in at least partially liquid state via line 19 into the high-pressure column 21 of a distillation column system Nitrogen-oxygen separation 20 initiated, the also has a low-pressure column 22, a condenser-evaporator, not shown, and a supercooling countercurrent 23.
  • the second air stream 8 It is not recompressed, the second air stream 8. It is introduced under the first pressure in the main heat exchanger 16 and there cooled to a "third intermediate temperature" of 125 to 200 K, preferably about 140 K.
  • the second air stream is branched at this intermediate temperature into two partial streams 24, 27 and subjected to the work-performing expansion in two parallel-connected turbines 25, 28, which both relax to approximately the operating pressure of the high-pressure column 21.
  • the two relaxed partial streams 26, 29 are reunited and introduced into the high-pressure column 21 via line 30 essentially in the gas state.
  • the "first intermediate temperature” inlet temperature of the cold compressor 113) may be less than or equal to the “third intermediate temperature” (inlet temperature of the turbines 25, 28), preferably it is higher, contrary to what is shown in the drawing.
  • the “second intermediate temperature” exit temperature of the cold compressor 113) is higher than the turbine inlet temperature.
  • first turbine 25 and the warm after-compressor 10 as well as the second turbine 28 and the cold compressor 113 are mechanically coupled in pairs via a respective common shaft.
  • the booster heat exchanger 9 and the aftercooler downstream of the hot post-compressor 10 are optional. They can be omitted individually or altogether.
  • the second air stream upstream of the cold booster 113 can also be led to the cold end of the main heat exchanger 16 and thereby at least partially liquefied. It is then easily throttled, reintroduced into the cold end of the main heat exchanger, evaporated again and finally until warmed to the inlet temperature of the compressor 113, as for example in EP 1067345 B1 is explained in detail.

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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 Hochdrucksäule (21) und eine Niederdrucksäule (22) aufweist. Einsatzluft (1) wird in einem Hauptluftverdichter (3) auf einen ersten Druck verdichtet, der deutlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (17) ist. Die verdichtete Einsatzluft (8) wird in einen ersten und einen zweiten Luftstrom (7, 8) aufgeteilt und in einem Hauptwärmetauscher (16) gegen Rückströme (34, 35) abgekühlt. Der erste Luftstrom (7), wird stromaufwärts der Einleitung in den Hauptwärmetauscher (16) in einem Nachverdichter (10) auf einen zweiten Druck nachverdichtet, der höher als der erste Druck ist. Der erste Luftstrom wird nach teilweiser Abkühlung im Hauptwärmetauscher (16) bei einer ersten Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (16) entnommen (12c) und in einem Kaltverdichter (113) auf einen dritten Druck nachverdichtet, der höher als der zweite Druck ist. Der kaltverdichtete erste Luftstrom (115) wird bei einer zweiten Zwischentemperatur, die höher als die erste Zwischentemperatur ist, dem Hauptwärmetauscher (16) wieder zugeführt und im Hauptwärmetauscher (16) weiter abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt. Der (pseudo-)verflüssigte erste Luftstrom (17) wird in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet. Der zweite Luftstrom (8) wird in dem Hauptwärmetauscher (16) auf eine dritte Zwischentemperatur abgekühlt, unter der dritten Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (16) entnommen (24, 28) und anschließend arbeitsleistend entspannt (25, 28). Der arbeitsleistend entspannte zweite Luftstrom (30) wird ebenfalls in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet. Ein flüssiger Produktstrom (31) wird aus dem Destilliersäulen-System entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (32) und unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher (16) verdampft oder pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiger Druckproduktstrom (34) abgezogen. Die arbeitsleistende Entspannung des zweiten Luftstroms wird in zwei parallel geschalteten Entspannungsmaschinen (25, 28) durchgeführt. Der Eintrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung (25, 28) ist im Wesentlichen gleich dem ersten Druck. Das Massenstromverhältnis zwischen dem ersten Luftstrom (7) und dem zweiten Luftstrom (8) liegt zwischen zwischen 0,38 und 0,67. Das Druckverhältnis am Kaltverdichter (113) beträgt 1,3 bis 2,3.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein derartiges Verfahren ist aus WO 2004099690 A1 (Figur 2) bekannt.
  • Bei einem derartigen Innenverdichtungsverfahren wird mindestens eines der Produkte (zum Beispiel Stickstoff aus der Hochdrucksäule, Sauerstoff aus der Niederdrucksäule eines Zwei-Säulen-Luftzerlegers) flüssig aus einer der Säulen des Destilliersäulen-Systems oder aus einem mit einer dieser Säulen verbundenen Kondensator entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, in indirektem Wärmeaustausch mit Einsatzluft im Hauptwärmetauscher verdampft beziehungsweise (bei überkritischem Druck) pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen. Bei dem vorliegenden Verfahren wird nicht nur ein Teil der Einsatzluft, sondern die Gesamtluft auf einen ersten Druck verdichtet, der deutlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule ist. Unter "deutlich höher" wird hier ein Druckunterschied von mindestens 2 bar, vorzugsweise mindestens 5 bar verstanden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren mit zwei Turbinen ähnelt grundsätzlich dem Prozess mit einer Turbine, der in der älteren europäischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10002439.7 beschrieben ist. Während jener besonders gut für reine Gasproduktion oder für Prozesse mit nur geringfügiger Flüssigproduktion geeignet ist, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für Prozesse mit relativ hoher Kälteleistung von etwa 120 kW oder höher, die in der Regel bei relativ hohem Flüssigproduktanteil benötigt wird (der Zahlenwert 120 kW bezieht sich auf die Turbinenleistung, die ins Warme abgegeben wird). Die molare Gesamtmenge an flüssigem Endprodukt beträgt bei dem Verfahren beispielsweise mehr als 10 % des gasförmigen Druckprodukts (in der Regel des gasförmigen Drucksauerstoffs)
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig zu betreiben sind.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Massenstromverhältnis zwischen dem ersten Luftstrom und dem zweiten Luftstrom zwischen 0,38 und 0,67 liegt und das Druckverhältnis am Kaltverdichter 1,3 bis 2,3 beträgt. Hierdurch ergibt sich ein besonders effizientes Verfahren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt das Massenstromverhältnis zwischen dem ersten Luftstrom und dem zweiten Luftstrom zwischen 0,45 und 0,51 und/oder das Druckverhältnis am Kaltverdichter beträgt 1,6 bis 1,8.
  • Beide Luftströme werden den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach ihrer (Pseudo-)Verflüssigung) beziehungsweise arbeitsleistenden Entspannung vorzugsweise in die Hochdrucksäule eingeleitet. Alternativ dazu kann mindestens ein Teil des ersten und/oder des zweiten Luftstroms in die Niederdrucksäule eingeleitet werden, insbesondere nach Durchströmen eines Abscheiders zur Phasentrennung und gegebenenfalls nach Unterkühlung.
  • Der "Hauptwärmetauscher" kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken.
  • Die beiden Entspannungsmaschinen werden vorzugsweise durch Expansionsturbinen gebildet. Sie sind "parallel" geschaltet; das bedeutet in der vorliegenden Anmeldung, dass ihre Eintritts- und Austrittsdrücke und Eintrittstemperaturen jeweils paarweise gleich sind. Der Eintrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung ist "im Wesentlichen gleich" dem ersten Druck, das heißt der zweite Luftstrom wird zwischen Hauptluftverdichter und arbeitsleistender Entspannung keinem Nachverdichtungsschritt unterzogen; kleinere Druckunterschiede, die durch den natürlichen Druckverlust beim Durchströmen der zwischengeschalteten Apparate entstehen, sind dabei zugelassen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der erste Druck, auf den die Gesamtluft verdichtet wird, "deutlich höher" als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule. Dies bedeutet hier, dass die Druckdifferenz zwischen dem erstem Druck und dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule nicht nur dem natürlichen Druckabfall durch Leitungen, Wärmetauscher und andere Apparate entspricht, sondern mindestens 1 bar, vorzugsweise mindestens 3 bar, höchst vorzugsweise mindestens 5 bar beträgt. Die Druckdifferenz zwischen erstem Druck und Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 5 bis 25 bar, vorzugsweise 7 bis 15 bar. (Alle hier und im Folgenden angegeben Drücke sind Absolutdrücke.)
  • Beispielsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit den folgenden Drücken gefahren:
    • Erster Druck (stromabwärts des Hauptluftverdichters):
      • 10 bis 25 bar, vorzugsweise 16 bis 20 bar
    • Betriebsdruck der Hochdrucksäule:
      • 4 bis 8 bar, vorzugsweise 5 bis 7 bar
    • Zweiter Druck stromabwärts des warmen Nachverdichters
      • 12 bis 31 bar, vorzugsweise 19 bis 25 bar
    • Dritter Druck stromabwärts des Kaltverdichters
      • 20 bis 52 bar, vorzugsweise 32 bis 42. bar
    • Erhöhter Druck des Produktdruckstroms
      • 6 bis 50 bar, vorzugsweise 25 bis 35 bar.
  • Beim Produktdruck ist grundsätzlich jedes Niveau möglich, insbesondere auch eine Mehrzahl von Druckniveaus. Zum Beispiel kann flüssiger Sauerstoff in einer Innenverdichtungspumpe auf 30 bar gebracht und vor dem Hauptwärmetauscher im Kalten in zwei Teilströmen aufgeteilt werden, von denen einer auf einen niedrigeren Druck abgedrosselt wird, bevor er im Hauptwärmetauscher verdampft und angewärmt wird. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere flüssige Stickstoffströme im Hauptwärmetauscher (pseudo-)verdampft werden.
  • Wenn die Drücke des Druckproduktstroms und des ersten Luftstroms unterkritisch sind, werden diese im Hauptwärmetauscher verdampft oder verflüssigt. Bei überkritischem Druck findet kein echter Phasenübergang statt, dann wird der entsprechende Strom pseudo-verdampft beziehungsweise pseudo-verflüssigt.
  • Es ist günstig, wenn der gesamte kaltverdichtete zweite Luftstrom im Hauptwärmetauscher (pseudo-)verflüssigt wird. Dadurch wird die gesamte Druckerhöhung, die durch den Kaltverdichter bewirkt wird auf denjenigen Luftteil konzentriert, der zur (Pseudo-)Verdampfung des flüssigen Produktstroms eingesetzt wird. Somit kann der erste Druck entsprechend niedriger gewählt und Energie gespart werden.
  • Vorzugsweise wird die gesamte in den Hauptwärmetauscher eingeführte verdichtete Einsatzluft auf den ersten und den zweiten Luftstrom aufgeteilt. Es gibt also keinen dritten Luftstrom, sondern die gesamte Einsatzluft wird entweder unter dem dritten Druck (pseudo-)verflüssigt (erster Luftstrom) oder unter dem ersten Druck der arbeitsleistenden Entspannung zugeführt (zweiter Luftstrom). Ein kleinerer Teil der auf den ersten, zweiten oder dritten Druck verdichteten Luft kann stromaufwärts des Hauptwärmetauschers als Instrumentenluft abgezweigt werden.
  • Vorzugsweise ist eine der beiden Entspannungsmaschinen mechanisch mit dem warmen Nachverdichter gekoppelt und die andere der beiden Entspannungsmaschinen mechanisch mit dem Kaltverdichter gekoppelt. Dadurch können einerseits beide Nachverdichter angetrieben werden, ohne dass externe Energie eingesetzt werden muss; andererseits wird dem Prozess Wärme entzogen durch die Übertragung der mechanischen Energie aus der arbeitsleistenden Entspannung auf den warmen Nachverdichter. Durch die mit dem Kaltverdichter gekoppelte Entspannungsmaschinen strömen beispielsweise zwischen 40 und 60 %, vorzugsweise 46 bis 54 % des zweiten Luftstroms, der Rest des zweiten Luftstroms wird in die mit dem warmen Nachverdichter gekoppelte Entspannungsmaschine.
  • Der Austrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung ist vorzugsweise etwa gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule. "Etwa gleich" schließt geringe Druckdifferenzen in der Größenordnung des natürlichen Druckabfalls zwischen dem Austrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung und dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule ein.
  • Vorzugsweise liegt die Gesamtmenge an flüssig erzeugten Produkten zwischen 0,05 % und 2,0 % der Einsatzluftmenge, insbesondere zwischen 0,1 % und 1,0 % der Einsatzluftmenge. Unter "Gesamtmenge an flüssig erzeugten Produkten" wird hier die molare Menge an Flüssigprodukten wie Flüssigsauerstoff, Flüssigstickstoff und gegebenenfalls Flüssigargon verstanden, die in dem Prozess als Endprodukt gewonnen werden.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 7 bis 9.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten ersten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Atmosphärische Luft wird als Einsatzluft über Leitung 1 von einem Hauptluftverdichter 2 angesaugt, dort auf einen "ersten Druck" von 10 bis 30 bar, vorzugsweise etwa 19 bar gebracht, in einer Vorkühlung 3 auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt und einer adsorptiven Luftreinigung 4 zugeführt. Der gereinigte Hauptluftstrom 5 wird bei 6 in einen ersten Luftstrom 7 und einen zweiten Luftstrom 8 verzweigt.
  • Der erste Luftstrom 7 wird in einem Booster-Wärmetauscher 9 auf etwa Kühlwassertemperatur angewärmt und in einem im Warmen betriebenen Nachverdichter 10 weiter auf einen "zweiten Druck" von 15 bis 60 bar, vorzugsweise etwa 25 bar verdichtet. Anschließend wird die Verdichtungswärme mindestens teilweise in einem ersten Nachkühler 11 entfernt. (Alternativ kann der Booster-Wäremtauscher 9 auch weggelassen werden; in diesem Fall tritt der erste Luftstrom unter der Austrittstemperatur der Luftreinigung 4 in den warmen Nachverdichter 10 ein.)
  • Der Luftstrom 12b, 12c wird anschließend in den Hauptwärmetauscher 16 eingeführt und bei einer "ersten Zwischentemperatur" von 120 bis 180 K, vorzugsweise etwa 48 K wieder aus dem Hauptwärmetauscher 16 entnommen (12c) und in einem Kaltverdichter weiter auf einen "dritten Druck" von 22 bis 90 bar, vorzugsweise etwa 40 bar verdichtet. Stromabwärts der Kaltverdichtung 113 wird der zweite Luftstrom 115 bei einer "zweiten Zwischentemperatur" von 140 bis 220 K, vorzugsweise etwa 180 K wieder in den Hauptwärmetauscher 16 eingeführt und wird dort abgekühlt und verflüssigt, beziehungsweise (bei überkritischem Druck) pseudo-verflüssigt. Der kalte erste Luftstrom 17 wird auf einen Druck von 4 bis 10 bar, vorzugsweise etwa 6 bar entspannt (in dem Beispiel in einem Drosselventil 18) und unter diesem Druck in mindestens teilweise flüssigem Zustand über Leitung 19 in die Hochdrucksäule 21 eines Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 20 eingeleitet, das außerdem eine Niederdrucksäule 22, einen nicht dargestellten Kondensator-Verdampfer und einen Unterkühlungs-Gegenströmer 23 aufweist.
  • Nicht nachverdichtet wird der zweite Luftstrom 8. Er wird unter dem ersten Druck in den Hauptwärmetauscher 16 eingeleitet und dort auf eine "dritte Zwischentemperatur" von 125 bis 200 K, vorzugsweise etwa 140 K abgekühlt.
  • Der zweite Luftstrom wird bei dieser Zwischentemperatur in zwei Teilströme 24, 27 verzweigt und der arbeitsleistenden Entspannung in zwei parallel geschalteten Turbinen 25, 28 unterworfen, die beide auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule 21 entspannen. Die beiden entspannten Teilströme 26, 29 werden wieder vereinigt und über Leitung 30 im Wesentlichen im Gaszustand in die Hochdrucksäule 21 eingeleitet.
  • Die "erste Zwischentemperatur" (Eintrittstemperatur des Kaltverdichters 113) kann kleiner oder gleich der "dritten Zwischentemperatur" (Eintrittstemperatur der Turbinen 25, 28) sein, vorzugsweise ist sie - entgegen der Darstellung in der Zeichnung - höher. Die "zweite Zwischentemperatur" (Austrittstemperatur des Kaltverdichters 113) ist höher als die Turbinen-Eintrittstemperatur.
  • Aus der Niederdrucksäule 22 des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 20 wird direkt oder über einen Flüssigtank Sauerstoff 31 als "flüssiger Produktstrom" abgezogen, durch eine Pumpe 32 in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck von 4 bis 70 bar, vorzugsweise etwa 40 bar gebracht. Unter diesem erhöhten Druck wird der flüssige beziehungsweise überkritische Sauerstoff 33 in dem Hauptwärmetauscher 16 durch indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten Luftstrom verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Der Sauerstoff wird schließlich als gasförmiger Produktstrom 34 abgegeben. Aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 20 können ein oder mehrere weitere Produkt- oder Restströme 35 über den Hauptwärmetauscher abgezogen werden. Zusätzlich oder alternativ zu der in den Zeichnungen dargestellten Innenverdichtung von Sauerstoff kann auch Stickstoff, beispielsweise aus dem Hauptkondensator oder aus der Hochdrucksäule des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 20 auf analoge Weise innenverdichtet werden.
  • In dem Ausführungsbeispiel sind die erste Turbine 25 und der warme Nachverdichter 10 sowie die zweite Turbine 28 und der Kaltverdichter 113 über jeweils eine gemeinsame Welle paarweise mechanisch gekoppelt.
  • Der Booster-Wärmetauscher 9 und der Nachkühler stromabwärts des warmen Nachverdichters 10 sind optional. Sie können einzeln oder insgesamt weggelassen werden.
  • Abweichend von dem Ausführungsbeispiel kann der zweite Luftstrom stromaufwärts des kalten Nachverdichters 113 auch bis zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 16 geführt und dabei mindestens teilweise verflüssigt werden: Er wird dann anschließend leicht abgedrosselt, wieder in das kalte Ende des Hauptwärmetauschers eingeführt, wieder verdampft und schließlich bis zur Eintrittstemperatur des Verdichters 113 angewärmt, wie es beispielsweise in EP 1067345 B1 im Einzelnen erläutert ist.
  • Aufgrund des hohen Drucks sind hier alle folgenden Variationen für die Vorkühlung der Luft aus dem Luftverdichter 3 sinnvoll:
    • 1. Luftverdichter mit Nachkühler, anschließend Wasserabscheider danach direkt zur Reinigungsvorrichtung.
    • 2. Luftverdichter mit Nachkühler, anschließend weiterer indirekter Kaltwassernachkühler, der mit Kaltwasser aus einem Verdunstungskühler betrieben wird.
    • 3. Luftverdichter ohne Nachkühler, aber mit Direktkontaktkühler (wie in der Zeichnung dargestellt), wobei der Direktkontaktkühler vorzugsweise mit einer Kühlwasseranwärmung von mehr als 10°C betrieben wird.
    • 4. Wie Variante 3 mit zusätzlichem Verdunstungskühler für die Erzeugung von Kaltwasser für den Direktkontaktkühler.
    • 5. Zusätzlich kann bei allen Varianten eine Kälteanlage zur Vorkühlung der Einsatzluft eingesetzt werden.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System (20) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (21) und eine Niederdrucksäule (22) aufweist, bei dem
    - Einsatzluft (1) in einem Hauptluftverdichter (2) auf einen ersten Druck verdichtet wird, der deutlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (21) ist,
    - die verdichtete Einsatzluft (5) in einen ersten und einen zweiten Luftstrom (7, 8) aufgeteilt und in einem Hauptwärmetauscher (16) gegen Rückströme (34, 35) abgekühlt wird,
    - der erste Luftstrom (7) stromaufwärts der Einleitung in den Hauptwärmetauscher (16) in einem warmen Nachverdichter (10) auf einen zweiten Druck nachverdichtet wird, der höher als der erste Druck ist,
    - der erste Luftstrom nach teilweiser Abkühlung im Hauptwärmetauscher (16) bei einer ersten Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (16) entnommen (12c) und in einem Kaltverdichter (113) auf einen dritten Druck nachverdichtet wird, der höher als der zweite Druck ist,
    - der kaltverdichtete erste Luftstrom (115) bei einer zweiten Zwischentemperatur, die höher als die erste Zwischentemperatur ist, dem Hauptwärmetauscher (16) wieder zugeführt und im Hauptwärmetauscher (16) weiter abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt wird,
    - der (pseudo-)verflüssigte erste Luftstrom (17) in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet wird,
    - der zweite Luftstrom (8) in dem Hauptwärmetauscher (16) auf eine dritte Zwischentemperatur abgekühlt, unter der dritten Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (16) entnommen (24, 27) und anschließend arbeitsleistend entspannt (25, 28) wird,
    - der arbeitsleistend entspannte zweite Luftstrom (30) ebenfalls in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet wird,
    - ein flüssiger Produktstrom (31) aus dem Destilliersäulen-System entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (32) und unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher (16) verdampft oder pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiger Druckproduktstrom (34) abgezogen wird und
    - die arbeitsleistende Entspannung des zweiten Luftstroms in zwei parallel geschalteten Entspannungsmaschinen (25, 28) durchgeführt wird,
    - wobei der Eintrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung (25, 28) im Wesentlichen gleich dem ersten Druck ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Massenstromverhältnis zwischen dem ersten Luftstrom (7) und dem zweiten Luftstrom (8) zwischen 0,38 und 0,67 liegt und
    - das Druckverhältnis am Kaltverdichter (113) 1,3 bis 2,3 beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte kaltverdichtete zweite Luftstrom (115) im Hauptwärmetauscher (16) (pseudo-)verflüssigt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte in den Hauptwärmetauscher (16) eingeführte verdichtete Einsatzluft auf den ersten und den zweiten Luftstrom (7, 8) aufgeteilt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Entspannungsmaschinen (25) mechanisch mit dem warmen Nachverdichter (10) und die andere der beiden Entspannungsmaschinen (28) mechanisch mit dem Kaltverdichter (113) gekoppelt ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Austrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung (25, 28) etwa gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule (21) ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge an flüssig erzeugten Produkten zwischen 0,05 % und 2,0 % der Einsatzluftmenge, insbesondere zwischen 0,1 % und 1,0 % der Einsatzluftmenge liegt.
  7. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
    - mit einem Destilliersäulen-System (20) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (21) und eine Niederdrucksäule (22) aufweist,
    - mit einem Hauptluftverdichter (2) zum Verdichten von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck, der deutlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (21) ist,
    - mit Mitteln zum Aufteilen der verdichteten Einsatzluft (8) in einen ersten und einen zweiten Luftstrom (7, 8),
    - mit Mitteln zum Zuführen des ersten und des zweiten Luftstroms in einen Hauptwärmetauscher (16) zur Abkühlung gegen Rückströme (34, 35),
    - mit einem warmen Nachverdichter (10) zum Nachverdichten des ersten Luftstroms (7), stromaufwärts der Einleitung in den Hauptwärmetauscher (16) auf einen zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist,
    - mit Mitteln zum Entnehmen (12c) des ersten Luftstroms nach teilweiser Abkühlung auf eine erste Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (16),
    - mit einem Kaltverdichter (113) zum Nachverdichten des entnommenen ersten Luftstroms auf einen dritten Druck,
    - mit Mitteln zum Zuführen des kaltverdichteten ersten Luftstroms (115) zum Hauptwärmetauscher (16) bei einer zweiten Zwischentemperatur, die höher als die erste Zwischentemperatur ist, zwecks dessen weiteren Abkühlung und Verflüssigung beziehungsweise Pseudo-Verflüssigung im Hauptwärmetauscher (16),
    - mit Mitteln zum Einleiten des (pseudo-)verflüssigten ersten Luftstroms (15) in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung,
    - mit Mitteln zum Entnehmen (24, 27) des zweiten Luftstroms nach teilweiser Abkühlung auf eine dritte Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (16),
    - mit Mitteln zur arbeitsleistenden Entspannung (25, 28) des entnommenen zweiten Luftstroms (24, 27) von dem ersten Druck aus,
    - mit Mitteln zum Einleiten des arbeitsleistend entspannten zweiten Luftstroms (30) in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung,
    - mit Mitteln zum Entnehmen eines flüssigen Produktstroms (31) aus dem Destilliersäulen-System,
    - mit Mitteln (32) zur Druckerhöhung auf einen erhöhten Druck des flüssigen Produktstroms (31),
    - mit Mitteln zum Einleiten des flüssigen Produktstroms unter diesem erhöhten Druck in den Hauptwärmetauscher (16) zwecks Verdampfen oder Pseudo-Verdampfen und
    - mit Mitteln zum Abziehen des (pseudo-)verdampften Produktstroms als gasförmigem Druckproduktstrom (34),
    - mit Mitteln zum Übertragen eines ersten Teils der bei der arbeitsleistenden Entspannung (21) erzeugten mechanischen Energie auf den Kaltverdichter (13),
    - wobei die Mittel zur arbeitsleistenden Entspannung als zwei parallel geschaltete Entspannungsmaschinen (25, 28) ausgestaltet sind,
    gekennzeichnet durch Regelungsmittel, die
    - das Massenstromverhältnis zwischen dem ersten Luftstrom (7) und dem zweiten Luftstrom (8) im Normalbetrieb der Anlage so einstellen, dass es zwischen zwischen 0,38 und 0,67 liegt, und
    - das Druckverhältnis am Kaltverdichter (113) im Normalbetrieb der Anlage so einstellen, dass es 1,3 bis 2,3 beträgt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zuführen des kaltverdichteten ersten Luftstroms (12b) zum Hauptwärmetauscher (16) so ausgebildet sind, dass beim Betrieb der Vorrichtung der gesamte kaltverdichtete zweite Luftstrom (12c) im Hauptwärmetauscher (16) (pseudo-)verflüssigt wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Mittel zur Führung von Einsatzluft so ausgebildet sind, dass beim Betrieb der Vorrichtung die gesamte in den Hauptwärmetauscher (16) eingeführte verdichtete Einsatzluft (5) auf den ersten und den zweiten Luftstrom (7, 8) aufgeteilt wird.
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