EP2784420A1 - Verfahren zur Luftzerlegung und Luftzerlegungsanlage - Google Patents

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EP2784420A1
EP2784420A1 EP13001546.4A EP13001546A EP2784420A1 EP 2784420 A1 EP2784420 A1 EP 2784420A1 EP 13001546 A EP13001546 A EP 13001546A EP 2784420 A1 EP2784420 A1 EP 2784420A1
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EP
European Patent Office
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pressure
turbine
air
expansion machine
compressor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13001546.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Büchl
Stefan Lochner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/40—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/50—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen

Definitions

  • the invention relates to a process for the cryogenic separation of air and an air separation plant adapted to carry out such a process.
  • the distillation column systems are operated at different operating pressures in their respective separation columns.
  • the double column systems in this case have a so-called high-pressure column and a so-called low-pressure column.
  • the operating pressure of the high-pressure column is, for example, 4.3 to 6.9 bar, preferably about 5.0 bar.
  • the low-pressure column is operated at an operating pressure of, for example, 1.3 to 1.7 bar, preferably about 1.5 bar.
  • the pressures given here and below are absolute pressures.
  • Corresponding air separation plants can be operated for example with so-called internal compression.
  • a liquid stream is taken from the distillation column system and at least partially brought to liquid pressure.
  • the liquid brought to pressure is heated in a main heat exchanger of the air separation plant against a heat transfer medium and evaporated.
  • the liquid stream may in particular be liquid oxygen, but also nitrogen or argon.
  • the internal compression is thus used to obtain appropriate gaseous printed products.
  • the term "evaporation" includes in the internal compression cases in which there is a supercritical pressure and therefore no phase transition takes place in the true sense.
  • the liquid pressurized stream is then "pseudo-evaporated".
  • a heat transfer medium is liquefied (or pseudo-liquefied if it is under supercritical pressure) against a corresponding (pseudo) vaporising stream.
  • the heat carrier is usually formed by a part of the air separation plant supplied air.
  • HAP high-air pressure
  • HAP process which is used in a double column system
  • the total, the air separation plant supplied or used in a corresponding method total air (referred to here as total amount of air) is compressed in a main compressor to a pressure well above the operating pressure of the High pressure column is located.
  • the pressure difference is at least 4 bar and preferably between 6 and 16 bar.
  • the compressed air quantity in the main compressor can be decoupled from the process air quantity. In such a case, only a portion of the compressed to the said pressure total amount of air is used as so-called process air, so used for the actual rectification and fed into the high-pressure column.
  • process air so used for the actual rectification and fed into the high-pressure column.
  • decoupling is not provided in all HAP methods.
  • HAP methods are for example from EP 2 466 236 A1 , of the EP 2 458 311 A1 and the US 5,329,776 A known.
  • the proportion of the total amount of air that is fed into the high-pressure column (referred to herein as the "first" portion of the total amount of air), initially as a so-called turbine stream optionally in at least one booster to a further higher pressure (referred to here as Nachverêtrdruck) and subsequently successively in cooled in the main heat exchanger of the air separation plant, expanded in a first expansion machine and fed into the high-pressure column.
  • the relaxation in the first expansion machine is carried out on the operating pressure of the high pressure column or a slightly higher pressure, which is referred to here as "first turbine outlet pressure".
  • the first expansion machine is also referred to as "cold" relaxation machine according to their inlet temperature.
  • second proportion of the total amount of air can be subjected to the same steps as the first portion of the total amount of air and thus also be part of the turbine flow except for the feed into the high pressure column.
  • the second portion can already be branched off directly downstream of the main compressor and optionally also be recompressed separately.
  • the second portion is cooled in the main heat exchanger and thus as Heat transfer medium used to evaporate the stream brought to liquid pressure.
  • the second portion of the total amount of air is not fed to the high pressure column, but ultimately depressurized to a pressure lower than the operating pressure of the high pressure column, such as atmospheric pressure or the operating pressure of the low pressure column, referred to herein as "second turbine outlet pressure".
  • the expansion first takes place in the first expansion machine to the first turbine outlet pressure.
  • the second portion of the total amount of air is then further relaxed, for example in a second expansion machine. This is referred to according to their inlet temperature as a "warm" relaxation machine.
  • An even further proportion of the total amount of air (referred to herein as the "third" proportion of the total amount of air) is also optionally recompressed as so-called throttle flow and cooled in the main heat exchanger.
  • this third fraction is then subsequently expanded to the first or a comparable pressure via an expansion valve and fed into the distillation column system.
  • the feed is for example also in the high pressure column.
  • the used (n) expansion machine (s) is or are coupled with the or the additional compressors, which are optionally used for densification.
  • the recompression of the first to third portions of the total amount of air can be done separately or together.
  • the present invention is based on the resulting during operation of an air separation plant explained above optimized Q, t-profile, which in the FIG. 3 shown and explained in more detail in the description of the figures.
  • Q, t-profile very cold inlet temperatures occur on the first ("cold") expansion machine. It has been found that these may even lead to fluid formation in the turbine gap of a corresponding expansion machine. This was inventively recognized as a disadvantage of existing methods and can be avoided by the measures proposed here without loss of efficiency.
  • expansion machine basically includes any machine for work-performing expansion of a process stream.
  • the expansion machines in the present invention are formed by the turboexpander or expansion turbines known in principle from the field of cryotechnology.
  • a turboexpander has at least one expansion stage with an impeller, a stator and a turbine disposed between the impeller and the stator turbine gap, such as in FIG. 5 is illustrated.
  • the “turbine gap” designates the gap that lies radially outside the impeller or between the impeller and the stator in a turboexpander.
  • the formation of liquid in or after a flattening machine depends essentially on three factors, namely the inlet temperature, the inlet pressure and the outlet pressure.
  • the inlet temperature can be increased.
  • a reduction of the inlet pressure and / or an increase of the outlet pressure can take place.
  • the discharge pressure is coupled to the operating pressure of the high-pressure column.
  • the total amount of air that is provided by the main compressor first passed through a first booster and then through a second booster, which are arranged in series.
  • the booster are each coupled with relaxation machines and are driven by them.
  • the pressure increase by the booster results from each of the performance of the expansion machines.
  • the performance of the expansion machines in turn is coupled with the refrigeration demand of the air separation plant and thus hardly changeable. This will also be illustrated in connection with the attached figures.
  • the inlet pressure into the first ("cold") expansion machine is essentially fixed because a defined pressure difference to the (as specified above at the operating pressure of the high pressure column) outlet pressure for a fixed pressure increase in the first Recuperator is needed.
  • the only way to influence the formation of liquid in or after the first ("cold") expansion machine therefore, remains in conventional systems, the change in the inlet temperature.
  • the present invention proposes to overcome the above drawbacks a method of recovering air products by cryogenic separation of air in a distillation column system of an air separation plant having a high pressure column and a low pressure column.
  • a total amount of air used in the process in a main compressor is compressed to a main compressor pressure that is at least 4 bar higher than an operating pressure at which the high-pressure column is operated.
  • At least a first and a second portion of the total amount of air are cooled together as a turbine stream successively in a main heat exchanger and expanded in a first ("cold") expansion machine to a first turbine outlet pressure.
  • the first portion is then fed into the high-pressure column and the second portion is then heated in the main heat exchanger and further expanded in a second expansion machine to a second turbine outlet pressure.
  • a turboexpander having at least one expansion stage with an impeller, a stator and a turbine nip arranged between the impeller and the stator is used as the first expansion machine.
  • the turbine stream (which is formed at least by the first and the second portions of the total amount of air) is supplied to the first expansion machine completely in a gaseous state and at a pressure and a temperature which cause the turbine stream in the turbine nip to be 85 mole percent or more remains in the gaseous state.
  • the turbine stream in the turbine gap preferably remains at 90, 95, 99, 99.5 or 99.9 mol% or more, in particular completely, in the gaseous state.
  • the first turbine outlet pressure corresponds to the operating pressure of the high-pressure column or is slightly higher than this (with the "slight” pressure difference of eg at most 0.05 or 0.1 bar, for example, line losses are compensated).
  • the second turbine outlet pressure corresponds for example to atmospheric pressure or the pressure of the low-pressure column or is "slightly" higher in a corresponding sense.
  • the pressure with which the total amount of air is provided is substantially higher than the operating pressure of the high-pressure column.
  • substantially higher is understood to mean a pressure difference of at least 4 bar and preferably between 6 and 16 bar.
  • a “main compressor” is in the context of the present invention, the compressor or the compressor assembly, which is the only driven with external energy machine for the compression of air in the air separation plant.
  • the term “single machine” is understood here to mean a single-stage or multi-stage compressor whose stages are all connected to the same drive, wherein all stages can be accommodated in a housing or connected to a transmission.
  • the re-compressors are not among the driven by external energy machines, as they are, as mentioned, driven by their respective associated relaxation machines (turboexpander).
  • the "main heat exchanger” can be formed from one or more parallel and / or serially connected heat exchanger sections, for example from one or more plate heat exchanger blocks.
  • a main heat exchanger is used to cool the proportions of the total amount of air in the indirect heat exchange with return streams from the distillation column system or for evaporation or pseudo-vaporization in the internal compression.
  • a third portion of the total amount of air is subsequently recompressed as a throttle flow in a first after-compressor, cooled in the main heat exchanger, expanded in an expansion valve and fed into the high-pressure column.
  • the first and the second portion of the total amount of air, which form the turbine stream are recompressed before cooling in the main heat exchanger in a second after-compressor.
  • the first and the second booster are thus arranged in parallel, the distribution of the total amount of air in the turbine flow and the throttle flow already occurs before the recompression.
  • the first after-compressor is coupled to the first expansion machine and the second after-compressor is coupled to the second expansion machine and driven accordingly. It is also possible to mechanically couple and drive the first after-compressor with the second expansion machine and the second after-compressor with the first expansion machine.
  • the invention allows in this advantageous embodiment, the increase in the inlet temperature in the first ("cold") expansion machine without significant loss of efficiency, because the first and the second booster are decoupled from each other. This is made possible by dividing the compressed to the main compressor pressure total amount of air already upstream of the booster. If one chooses the method proposed according to the invention, a lower inlet pressure is obtained, but it is also possible to set an increased inlet temperature into the first ("cold") expansion machine. The latter is due to a shift of the optimal Q, t-profile.
  • the invention thus advantageously provides for no longer compressing the total amount of air in both after-compressors (that is, arranged serially one behind the other), but instead performing the recompression in parallel. This makes it possible to individually adapt the respective compressor capacity (and thus the conditions for the expansion machines assigned to the compressors).
  • the method advantageously comprises selecting the pressure and the temperature at which the turbine flow is fed to the first expansion machine such that after the expansion to the first turbine outlet pressure in the first expansion machine, a proportion of the turbine stream of 0 mole percent to 15 mole percent, in particular 1 mole percent to 15 mole percent or more is liquefied. This allows a particularly favorable feed of the first portion of the total amount of air in the high-pressure column. The first expansion machine can thus make a substantial relaxation without loss of efficiency.
  • a speed of the turbine flow in the stator is increased from an initial value to an intermediate value, whereby a pressure of the turbine flow in the stator is reduced from an initial value to an intermediate value.
  • a temperature to which the turbine flow in the main heat exchanger is cooled is thereby selected at least as a function of a difference between the initial value and the intermediate value of the speed and / or the pressure.
  • the corresponding values are known and / or can be derived from parameters of the turboexpander, so that correspondingly reliable values can be reliably set.
  • the temperature at which the turbine flow is cooled in the main heat exchanger is selected so that at the intermediate value of the pressure of the turbine flow, a dew temperature of the turbine flow or a component thereof is not exceeded.
  • the present process may comprise withdrawing from the distillation column system at least one liquid stream which is liquidly pressurized and vaporized in the main heat exchanger to a gaseous pressure product.
  • the present method is thus suitable for the internal compaction explained in the introduction.
  • a liquid stream for example, liquid nitrogen and / or liquid oxygen can be removed.
  • the method is also suitable for obtaining at least one noble gas product, in particular argon, krypton and / or xenon.
  • the air separation plant according to the invention is set up to carry out the method explained above and has appropriately designed means.
  • For the features and advantages of the air separation plant according to the invention is expressly made to the above explanations.
  • such an air separation plant has means which are set up to determine and / or adjust at least the pressure and / or the temperature of the turbine flow and / or a liquid fraction at an exit of the first expansion machine. This is done e.g. as part of an automatic control or regulation.
  • FIG. 1 a non-inventive air separation plant is shown schematically in the form of an installation diagram.
  • the air separation plant set up for internal compression is designated 110 overall.
  • the invention is also suitable for use in air separation plants without internal compression.
  • a total amount of air atmospheric air (AIR) is sucked through a filter 1 from a main compressor 2 and there compressed to a main compressor pressure, which is at least 4 bar higher than the operating pressure of a high-pressure column in a HAP process, as used here (see below).
  • a cleaning device 5 which has a pair of containers filled with adsorption material, preferably molecular sieve.
  • the correspondingly cleaned air leaves the cleaning device 5 as stream a.
  • the stream a is recompressed in the air separation plant 110 in a conventional manner, first in a first after-compressor 11 and then in a second after-compressor 21.
  • the first after-compressor 11 and the second after-compressor 21 are each mechanically coupled to a first expansion machine 12 or a second expansion machine 22, for example each via a common shaft. Downstream of the first after-compressor 11 and the second after-compressor 21, aftercoolers 13 and 23 are respectively arranged. Downstream of the second after-compressor 21 and the after-cooler 23, the flow a is split into a first partial flow b and into a second partial flow c.
  • the current b is called the turbine current, the current c as the inductor current.
  • the turbine flow b and the throttle flow c are cooled in a main heat exchanger 6.
  • the cooling is preferably carried out at different temperatures, so that the turbine stream b is removed from the main heat exchanger 6 at an intermediate temperature and thus "partially cooled” and the inductor current c passes through the main heat exchanger 6 to its cold end.
  • the first turbine outlet pressure is slightly above an operating pressure of a high-pressure column 71 of a distillation column system 7, which will be explained in more detail below, or corresponds to this operating pressure.
  • the still designated b and relaxed to the intermediate pressure turbine flow is fed to a separator 8, from the bottom of a liquid fraction as a Stream d can be deducted.
  • the stream d can be fed into a low-pressure column 72 of the distillation column system 7 (see junction point A).
  • a gaseous fraction from the head of the separator 8 can be withdrawn as stream e and divided into a first partial flow f and a second partial flow g.
  • the first substream f (the "first fraction" of the total amount of air) is fed to the high-pressure column 71 of the distillation column system 7, as explained in more detail below.
  • the second partial flow g (the "second portion" of the total amount of air) is partially heated in the main heat exchanger 6 in the above sense and in the second expansion machine 22 to a second turbine outlet pressure, for example, atmospheric pressure or the pressure of the low pressure column 72 (see below), relaxed.
  • the second partial stream g which is further expanded to the second turbine outlet pressure, can then be further heated in the main heat exchanger 6 and combined with further streams, at least partially blown off into the atmosphere (ATM) and / or fed to an evaporative cooler.
  • the throttling flow c After passing through the main heat exchanger 6, the throttling flow c is decompressed via an expansion valve 9 and also fed at the appropriate pressure into the high-pressure column 71 of the distillation column system 7.
  • the distillation column system 7 is a distillation column system 7 with a classical Linde double column which comprises the high-pressure column 71 and the low-pressure column 72 as a structural unit.
  • the use of the invention in distillation column systems 7 is possible in which a high pressure column and a low pressure column are arranged separately.
  • the high-pressure column 71 and the low-pressure column 72 are connected to one another in a heat-exchanging manner via a main condenser 73.
  • the operating or separation pressures - in each case at the top - are for example 4.5 to 6.5 bar, preferably about 5.0 bar in the high pressure column and 1.2 to 1.7 bar, preferably about 1.3 bar in the low pressure column ,
  • a divided crude argon column 74, 75 and a pure argon column 76 are also provided, but the invention can also be used in plants without corresponding argon recovery.
  • Liquid raw oxygen is withdrawn as stream h from the bottom of the high-pressure column 71, subcooled in a subcooling countercurrent 77 and further cooled to a part in a bottom evaporator 78 of the pure argon column 76. Another part can be routed past the bottom evaporator 78. If no argon production is provided, the stream h can also be transferred directly to an intermediate point into the low-pressure column 72.
  • the raw oxygen of the stream h flows into the evaporation space of a top condenser of the crude argon column 75, another part in the evaporation space of a top condenser of the pure argon column 76.
  • the vaporized in the top condensers on the one hand and on the other hand remaining liquid fraction of the crude oxygen is the low pressure column 72 in the form of Currents i and j supplied at suitable intermediate points.
  • the raw oxygen of stream h can also be fed directly to these or corresponding intermediate sites.
  • Gaseous nitrogen from the top of the high-pressure column 71 is passed to a first part as a current k to the cold end of the main heat exchanger 6, there warmed to about ambient temperature and can be used as a sealing gas (seal gas, SG) for the compressors used in the plant.
  • a sealing gas seal gas, SG
  • the remaining gaseous nitrogen from the top of the high-pressure column 71 is fed as stream I to the main condenser 73 where it is at least partially condensed.
  • the liquid nitrogen produced in this process can be partly supplied as reflux to the high-pressure column 71.
  • Another part is supplied as stream m to the subcooling countercurrent 77 where it is subcooled and passed to the top of the low pressure column 72.
  • There, a portion may be withdrawn as stream n to provide a liquid nitrogen product (LIN).
  • the liquid nitrogen product may for example be stored in a tank.
  • gaseous oxygen can be withdrawn as stream o and, optionally, combined with a stream p (impure nitrogen), which is also taken from the low-pressure column 72 and heated in the subcooling countercurrent 77, in a main heat exchanger 6 to be warmed up.
  • stream p pure nitrogen
  • a liquid oxygen stream q from the bottom of the low-pressure column 72 can be pressure-increased by means of a pump 79 and at least partially supercooled as stream r in the subcooling countercurrent 77 and fed to a liquid tank (LOX). Another part of the pressure-increased by the pump 79 oxygen flow q from the bottom of the low-pressure column 72 can be evaporated as stream s in the main heat exchanger 6 (or pseudo-vaporized at supercritical pressure), warmed to ambient temperature and withdrawn as a gaseous pressure product (GOX-IC).
  • LOX liquid tank
  • Gaseous nitrogen can be withdrawn as stream t from the top of the low pressure column 72 and subcooled in the subcooler 77.
  • the stream t can be externally compressed after heating in the main heat exchanger 6 in a compressor (without designation) and provided as gaseous pressure nitrogen (GAN-EC).
  • an argon-containing stream u can be removed from the low-pressure column 72 and fed to the lower part 74 of the crude argon column 74, 75 directly above the sump. Bottom liquid of the lower part 74 of the crude argon column 74, 75 can be returned as stream v to the low-pressure column 72.
  • the lower part 74 and the upper part 75 of the two-part crude argon column 74, 75 can be coupled to each other via lines w and x and corresponding pumps and valves (no designation).
  • the crude argon column can also be formed in one piece.
  • the top condensers of the upper part 75 of the crude argon column 74, 75 and the pure argon column 76 may be formed, for example, as reflux condensers or as bath condensers.
  • the crude argon column 75 can in the example shown at the upper end of the return passages of the top condenser, which is shown here as a reflux condenser, taken over a side header a Rohargonstrom y gaseous and the pure argon column 76 are fed at a suitable intermediate point.
  • the bottom liquid of the pure argon column 76 can be partially vaporized in the bottom evaporator 78, wherein the steam generated thereby can be used as ascending gas in the pure argon column.
  • the remainder can be taken from the pure argon column as a liquid pure argon product stream z.
  • the liquid pure argon (LAR) can be transferred to a tank. At least part of the pure argon can be brought to liquid pressure, evaporated in the main heat exchanger 6 and discharged as gaseous pressure product (LAR IC) (see the right chamber of the main heat exchanger 6, so-called argon internal compression).
  • FIG. 2 an air separation plant according to a particularly preferred embodiment of the invention is shown schematically in the form of an installation diagram.
  • the air separation plant which is also equipped for internal compression, is designated 100 overall.
  • the air separation plant 100 corresponds in part to the in FIG. 1 In contrast to the air separation plant 110, however, a division of the flow a into the first and the second partial flow b and c (turbine and throttle flow) takes place upstream of the secondary compressors 11 and 21. Turbine and throttle flow are thus no longer common and serially recompressed in the secondary compressor 11 and 21, but in parallel.
  • the drive of the booster can, as explained above, carried out by the expansion machines 12 and 22. This can deviate from the representation in the FIG. 2 also the first after-compressor 11 with the second expansion machine 22 and the second after-compressor 21 with the first expansion machine 12 may be coupled.
  • a lower inlet pressure and a higher inlet temperature at the first (“cold") expansion machine 12 can be achieved by the measures according to the invention. The latter is due to a shift in the optimal Q, t profile, as illustrated below.
  • FIG. 3 is a typical optimized Q, t-profile of an air separation unit 110 of the FIG. 1 shown.
  • FIG. 4 a typical optimized Q, t-profile of an air separation plant 100 of the FIG. 2 shown.
  • a quantity of heat in kW is plotted on the ordinate with respect to a temperature in K on the abscissa.
  • characteristic points of the respective profiles are denoted by 301, 302 and 303 and 401, 402 and 403, respectively.
  • the point 301 or 401 corresponds to the removal of the current, which is led to the first ("cold") expansion machine 12, from the heat exchanger 6.
  • the point 302 or 402 corresponds to the return of the coming from the second expansion machine 22 current in the Heat exchanger 6.
  • the point 302 or 402 corresponds to the removal of the current, which is passed to the second expansion machine 22, from the heat exchanger 6.
  • the point 401 is at a temperature significantly above that of the point 301, which corresponds to a higher removal temperature from the first expansion machine and thus a lower liquid content due to the higher removal temperature.
  • FIG. 5 is a stator and an impeller designed as a turboexpander expansion machine, for example, the expansion machine 12, shown in fragmentary and highly schematic form in the form of a view 120 of a turbine stage.
  • Known turboexpanders have one or more of such turbine stages.
  • An impeller, designated here at 121 has a series of impeller vanes 121 'to which fluid is passed via a nozzle 122 (with stator vanes 122'). The impeller 121 is thereby rotated. The fluid is passed through a turbine gap 123. As explained at the outset, the separation of liquid is critical especially in the turbine gap 123.
  • FIG. 6 shows state changes in a stage of a corresponding relaxation machine.
  • a specific entropy s is plotted on the abscissa versus a specific enthalpy h on the ordinate.
  • isobaric lines are indicated in the h, s diagram corresponding to different pressure levels in the expansion machine and a stage 120, respectively.
  • a pressure p0 is at the entrance of the fluid in the stator 122, so when entering the respective stage 120, a pressure p1 in the turbine gap 123 and a pressure p2 after passing through the impeller 121, ie at the exit from the stage 120 before.
  • h LE is a Enthalpieabbau in the stator 122, with h LA enthalpy reduction in the impeller 121 and h ST enthalpy removal in the entire stage 120 indicated.
  • the invention makes it possible due to the distribution of the feed air streams before the recompression, the turbine stream (see. FIG. 2 , Stream b) in the main heat exchanger 6 to cool to a temperature which can be selected so that at the partial relaxation of the turbine stream b in the first expansion machine 12, the air of the turbine stream b in the turbine gap (see. FIG. 5 , Reference numeral 123) hardly or preferably not liquefied at all.
  • the velocity of the air in the stator 122 or the channels formed by the respective stator vanes 122 ' is increased from an initial value c0 to an intermediate value c1, whereby a pressure of the turbine stream b in the stator 122 from an initial value p0 to a Intermediate value p1 is reduced.
  • the temperature to which the turbine stream b is cooled in the main heat exchanger 6 is therefore selected at least as a function of a difference between the initial value c0 or p0 and the intermediate value c1 or p1 of the speed and / or the pressure.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Gewinnung von Luftprodukten durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulensystem (7) einer Luftzerlegungsanlage (100) vorgeschlagen, das eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) aufweist. Eine in dem Verfahren insgesamt eingesetzte Gesamtluftmenge wird in einem Hauptverdichter (2) auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, bei dem die Hochdrucksäule (50) betrieben wird. Zumindest ein erster und ein zweiter Anteil der Gesamtluftmenge werden als Turbinenstrom (b) nacheinander in einem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt und in einer ersten Entspannungsmaschine (12) auf einen ersten Turbinenaustrittsdruck entspannt, wobei der erste Anteil anschließend in die Hochdrucksäule (71) eingespeist und der zweite Anteil anschließend in dem Hauptwärmetauscher (6) erwärmt und in einer zweiten Entspannungsmaschine (22) auf einen zweiten Turbinenaustrittsdruck weiter entspannt wird. Als erste Entspannungsmaschine (12) wird dabei ein Turboexpander mit wenigstens einer Expansionsstufe (120) mit einem Laufrad (121), einem Leitrad (122) und einem zwischen dem Laufrad (121) und dem Leitrad (122) angeordneten Turbinenspalt (123) verwendet. Es ist vorgesehen, dass der Turbinenstrom (b) der ersten Entspannungsmaschine (12) vollständig gasförmig und mit einem Druck und einer Temperatur zugeführt wird, die bewirken, dass der Turbinenstrom (b) in dem Turbinenspalt (123) zu 85 Molprozent oder mehr in dem gasförmigem Zustand verbleibt. Eine Luftzerlegungsanlage (100), die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage.
    • Stand der Technik
  • Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt. Derartige Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Ferner können Vorrichtungen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
  • Die Destillationssäulensysteme werden bei unterschiedlichen Betriebsdrücken in ihren jeweiligen Trennsäulen betrieben. Die Doppelsäulensysteme weisen dabei eine sogenannte Hochdrucksäule und eine sogenannte Niederdrucksäule auf. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Betriebsdruck von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar betrieben. Bei den hier und im Folgenden angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke.
  • Entsprechende Luftzerlegungsanlagen können beispielsweise mit sogenannter Innenverdichtung betrieben werden. Bei der Innenverdichtung wird dem Destillationssäulensystem ein flüssiger Strom entnommen und zumindest zum Teil flüssig auf Druck gebracht. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird in einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage gegen einen Wärmeträger erwärmt und verdampft. Bei dem flüssigen Strom kann es sich insbesondere um flüssigen Sauerstoff, jedoch auch um Stickstoff oder Argon handeln. Die Innenverdichtung wird damit zur Gewinnung entsprechender gasförmiger Druckprodukte eingesetzt.
  • Die Innenverdichtung ist beispielsweise in folgenden Druckschriften beschrieben:
  • Der Begriff "Verdampfen" schließt bei der Innenverdichtung Fälle ein, bei denen ein überkritischer Druck herrscht und daher kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne stattfindet. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird dann "pseudoverdampft". Gegen einen entsprechenden (pseudo-)verdampfenden Strom wird ein Wärmeträger verflüssigt (bzw. pseudoverflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht). Der Wärmeträger wird dabei üblicherweise durch einen Teil der der Luftzerlegungsanlage zugeführten Luft gebildet.
  • Um den flüssig auf Druck gebrachten Strom erwärmen und verdampfen zu können, muss der Wärmeträger aufgrund thermodynamischer Gegebenheiten einen höheren Druck als der flüssig auf Druck gebrachte Strom haben. Hierbei können sogenannte High-Air-Pressure-Verfahren (HAP) eingesetzt werden.
  • Bei einem HAP-Verfahren, das bei einem Doppelsäulensystem verwendet wird, wird die gesamte, der Luftzerlegungsanlage zugeführte bzw. die in einem entsprechenden Verfahren insgesamt eingesetzte Luft (hier als Gesamtluftmenge bezeichnet) in einem Hauptverdichter auf einen Druck verdichtet, der deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied beträgt mindestens 4 bar und vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar. In HAP-Verfahren kann die im Hauptverdichter verdichtete Luftmenge von der Prozessluftmenge entkoppelt werden. In einem derartigen Fall wird nur ein Teil der auf den genannten Druck verdichteten Gesamtluftmenge als sogenannte Prozessluft genutzt, also für die eigentliche Rektifikation verwendet und in die Hochdrucksäule eingespeist. Eine derartige Entkopplung ist jedoch nicht in allen HAP-Verfahren vorgesehen. HAP-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 466 236 A1 , der EP 2 458 311 A1 und der US 5 329 776 A bekannt.
  • Üblicherweise wird der Anteil der Gesamtluftmenge, der in die Hochdrucksäule eingespeist wird (hier als "erster" Anteil der Gesamtluftmenge bezeichnet), zunächst als sogenannter Turbinenstrom optional in wenigstens einem Nachverdichter auf einen nochmals höheren Druck (hier als Nachverdichterdruck bezeichnet) nachverdichtet und anschließend nacheinander in dem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage abgekühlt, in einer ersten Entspannungsmaschine entspannt und in die Hochdrucksäule eingespeist. Die Entspannung in der ersten Entspannungsmaschine erfolgt dabei auf den Betriebsdruck der Hochdrucksäule oder einen geringfügig darüber liegenden Druck, der hier als "erster Turbinenaustrittsdruck" bezeichnet wird. Die erste Entspannungsmaschine wird entsprechend ihrer Eintrittstemperatur auch als "kalte" Entspannungsmaschine bezeichnet.
  • Ein weiterer Anteil der Gesamtluftmenge (hier als "zweiter" Anteil der Gesamtluftmenge bezeichnet) kann bis auf die Einspeisung in die Hochdrucksäule den gleichen Schritten unterworfen werden wie der erste Anteil der Gesamtluftmenge und damit ebenfalls Teil des Turbinenstroms sein. Alternativ kann der zweite Anteil bereits direkt stromab des Hauptverdichters abgezweigt und optional auch separat nachverdichtet werden. Auch der zweite Anteil wird in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und damit als Wärmeträger zum Verdampfen des flüssig auf Druck gebrachten Stroms verwendet. Der zweite Anteil der Gesamtluftmenge wird jedoch nicht in die Hochdrucksäule eingespeist, sondern letztlich auf einen Druck entspannt, der niedriger ist als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule, beispielsweise Atmosphärendruck oder den Betriebsdruck der Niederdrucksäule, und der hier als "zweiter Turbinenaustrittsdruck" bezeichnet wird. Bildet der zweite Anteil der Gesamtluftmenge einen Teil des Turbinenstroms, erfolgt die Entspannung zunächst in der ersten Entspannungsmaschine auf den ersten Turbinenaustrittsdruck. Der zweite Anteil der Gesamtluftmenge wird danach weiter entspannt, beispielsweise in einer zweiten Entspannungsmaschine. Diese wird entsprechend ihrer Eintrittstemperatur auch als "warme" Entspannungsmaschine bezeichnet.
  • Ein noch weiterer Anteil der Gesamtluftmenge (hier als "dritter" Anteil der Gesamtluftmenge bezeichnet), wird als sogenannter Drosselstrom ebenfalls optional nachverdichtet und in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt. Dieser dritte Anteil wird jedoch anschließend über ein Entspannungsventil auf den ersten oder einen vergleichbaren Druck entspannt und in das Destillationssäulensystem eingespeist. Die Einspeisung erfolgt beispielsweise ebenfalls in die Hochdrucksäule.
  • Die verwendete(n) Entspannungsmaschine(n) ist bzw. sind dabei mit dem oder den Nachverdichtern gekoppelt, die gegebenenfalls zur Nachverdichtung eingesetzt werden. Die Nachverdichtung der ersten bis dritten Anteile der Gesamtluftmenge kann separat oder gemeinsam erfolgen. Die Erhöhung der Luftmenge der Einsatzluft, über deren Entspannung zumindest einer der Nachverdichter angetrieben werden kann, ermöglicht bei den HAP-Verfahren moderatere Drücke am Hauptverdichter und damit eine Kostenersparnis.
  • Die erläuterten Verfahren erweisen sich jedoch häufig als nicht ausreichend effizient und flexibel, weshalb weiterhin der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen besteht.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Anmeldung ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem sich beim Betrieb einer eingangs erläuterten Luftzerlegungsanlage ergebenden optimierten Q,t-Profil, das in der Figur 3 gezeigt und im Rahmen der Figurenbeschreibung näher erläutert ist. Generell zeigt sich, dass bei einem derartigen optimierten Q,t-Profil sehr kalte Eintrittstemperaturen an der ersten ("kalten") Entspannungsmaschine auftreten. Es wurde herausgefunden, dass diese unter Umständen sogar zur Flüssigkeitsbildung im Turbinenspalt einer entsprechenden Entspannungsmaschine führen können. Dies wurde erfindungsgemäß als Nachteil existierender Verfahren erkannt und kann durch die hier vorgeschlagenen Maßnahmen ohne Effizienzeinbußen vermieden werden.
  • Der Begriff "Entspannungsmaschine" umfasst grundsätzlich jede Maschine zur arbeitsleistenden Entspannung eines Prozessstroms. Die Entspannungsmaschinen bei der vorliegenden Erfindung sind jedoch durch die grundsätzlich aus dem Bereich der Kryotechnik bekannten Turboexpander bzw. Expansionsturbinen gebildet. Ein Turboexpander weist wenigstens eine Expansionsstufe mit einem Laufrad, einem Leitrad und einem zwischen dem Laufrad und dem Leitrad angeordneten Turbinenspalt auf, wie sie beispielsweise in Figur 5 veranschaulicht ist. Der "Turbinenspalt" bezeichnet, mit anderen Worten, den Spalt, der in einem Turboexpander radial außerhalb des Laufrads bzw. zwischen Lauf- und Leitrad liegt.
  • Die Anforderungen bekannter Entspannungsmaschinen bezüglich des Vorliegens von Flüssigkeit innerhalb oder stromab der Entspannungsmaschine sind unterschiedlich. Bei den folgenden Angaben handelt es sich um typische, nicht einschränkende Beispiele. Einige Hersteller erlauben keine Flüssigkeit im Turbinenspalt, bei anderen Herstellern sind bis zu 6 Molprozent Flüssigkeit im Turbinenspalt zugelassen. Da auch in letzterem Fall entsprechende Sicherheitsmargen einzuhalten sind, sollten jedoch z.B. 1,5 Molprozent Flüssigkeit niemals überschritten werden. Andere Entspannungsmaschinen können mit erhöhtem Flüssigkeitsanteil betrieben werden, der bis zu 15 Molprozent am Turbinenaustritt betragen kann. Hierbei kann jedoch mit deutlichen Abschlägen am Wirkungsgrad von bis zu ca. 2% gerechnet werden.
  • Die Flüssigkeitsbildung in oder nach einer Entspannungsmaschine hängt im Wesentlichen von drei Faktoren ab, nämlich der Eintrittstemperatur, dem Eintrittsdruck und dem Austrittsdruck. Zur Lösung des erläuterten Problems kann dabei theoretisch zunächst die Eintrittstemperatur erhöht werden. Theoretisch kann auch eine Verringerung des Eintrittsdrucks und/oder eine Erhöhung des Austrittsdrucks erfolgen. Prozesstechnisch ist jedoch der Austrittsdruck mit dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule gekoppelt. Somit verbleiben in der Praxis nur noch die Eintrittstemperatur und der Eintrittsdruck als Stellgrößen.
  • In den eingangs erläuterten Verfahren wird aber i.d.R. die Gesamtluftmenge, die durch den Hauptverdichter bereitgestellt wird, zunächst durch einen ersten Nachverdichter und anschließend durch einen zweiten Nachverdichter geführt, die seriell angeordnet sind. Dies bedeutet jedoch, dass die Druckerhöhung durch die jeweiligen Nachverdichter nicht frei einstellbar ist. Die Nachverdichter sind jeweils mit Entspannungsmaschinen gekoppelt und werden durch diese angetrieben. Die Druckerhöhung durch die Nachverdichter ergibt sich damit jeweils aus der Leistung der Entspannungsmaschinen. Die Leistung der Entspannungsmaschinen wiederum ist mit dem Kältebedarf der Luftzerlegungsanlage gekoppelt und damit kaum veränderbar. Dies wird auch im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren veranschaulicht.
  • Damit ist von den zuvor erwähnten Größen in herkömmlichen Anlagen auch der Eintrittsdruck in die erste ("kalte") Entspannungsmaschine im Wesentlichen festgelegt, weil eine definierte Druckdifferenz zu dem (wie oben angegeben beim Betriebsdruck der Hochdrucksäule festgelegten) Austrittsdruck für eine festgelegte Druckerhöhung in dem ersten Nachverdichter nötig ist. Als einzige Möglichkeit, die Flüssigkeitsbildung in oder nach der ersten ("kalten") Entspannungsmaschine zu beeinflussen, bleibt daher in herkömmlichen Anlagen die Veränderung der Eintrittstemperatur.
  • Eine Erhöhung der Eintrittstemperatur der ersten ("kalten") Entspannungsmaschine bewirkt jedoch eine deutlich erhöhte Leistungsaufnahme, da das Q,t-Profil in diesem Fall nicht mehr optimal ist.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt zur Überwindung der genannten Nachteile ein Verfahren zur Gewinnung von Luftprodukten durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage, das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, vor. Wie in herkömmlichen HAP-Verfahren auch wird dabei eine in dem Verfahren insgesamt eingesetzte Gesamtluftmenge in einem Hauptverdichter auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, bei dem die Hochdrucksäule betrieben wird.
  • Zumindest ein erster und ein zweiter Anteil der Gesamtluftmenge werden gemeinsam als Turbinenstrom nacheinander in einem Hauptwärmetauscher abgekühlt und in einer ersten ("kalten") Entspannungsmaschine auf einen ersten Turbinenaustrittsdruck entspannt. Der erste Anteil wird anschließend in die Hochdrucksäule eingespeist und der zweite Anteil wird anschließend in dem Hauptwärmetauscher erwärmt und in einer zweiten Entspannungsmaschine auf einen zweiten Turbinenaustrittsdruck weiter entspannt.
  • Als die erste Entspannungsmaschine wird, wie erwähnt, ein Turboexpander mit wenigstens einer Expansionsstufe mit einem Laufrad, einem Leitrad und einem zwischen dem Laufrad und dem Leitrad angeordneten Turbinenspalt verwendet.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Turbinenstrom (der zumindest durch den ersten und den zweiten Anteil der Gesamtluftmenge gebildet wird) der ersten Entspannungsmaschine vollständig in einem gasförmigen Zustand und mit einem Druck und einer Temperatur zuzuführen, die bewirken, dass der Turbinenstrom in dem Turbinenspalt zu 85 Molprozent oder mehr in dem gasförmigem Zustand verbleibt. Vorzugsweise verbleibt der Turbinenstrom in dem Turbinenspalt dabei zu 90, 95, 99, 99,5 oder 99,9 Molprozent oder mehr, insbesondere vollständig, in dem gasförmigem Zustand.
  • Der erste Turbinenaustrittsdruck entspricht dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule oder ist geringfügig höher als dieser (mit dem "geringfügigen" Druckunterschied von z.B. höchstens 0,05 oder 0,1 bar werden beispielsweise Leitungsverluste ausgeglichen). Der zweite Turbinenaustrittsdruck entspricht beispielsweise Atmosphärendruck oder dem Druck der Niederdrucksäule oder liegt in entsprechendem Sinn "geringfügig" höher.
  • Wie erwähnt, ist bei den eingangs erläuterten und im Rahmen der Erfindung eingesetzten HAP-Verfahren der Druck, mit dem die Gesamtluftmenge bereitgestellt wird, wesentlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule. Unter "wesentlich höher" wird dabei im Rahmen dieser Anmeldung ein Druckunterschied von mindestens 4 bar und vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar verstanden.
  • Ein "Hauptverdichter" ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Verdichter oder die Verdichteranordnung, die die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft in der Luftzerlegungsanlage darstellt. Unter dem Begriff "einzige Maschine" wird hier ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter verstanden, dessen Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind, wobei alle Stufen in einem Gehäuse untergebracht oder mit einem Getriebe verbunden sein können. Die Nachverdichter zählen nicht zu den mit externer Energie angetriebenen Maschinen, da sie, wie erwähnt, durch die ihnen jeweils zugeordneten Entspannungsmaschinen (Turboexpander) angetrieben werden.
  • Der "Hauptwärmetauscher" kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, beispielsweise aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Ein Hauptwärmetauscher dient zur Abkühlung der Anteile der Gesamtluftmenge im indirekten Wärmetausch mit Rückströmen aus dem Destillationssäulensystem bzw. zur Verdampfung bzw. Pseudoverdampfung bei der Innenverdichtung.
  • Ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung davon die Rede, dass Anteile der Gesamtluftmenge in einem Hauptwärmetauscher "abgekühlt" und/oder "erwärmt" werden, bedeutet dies, dass entsprechende Anteile der Gesamtluftmenge den Wärmetauscher zumindest über eine gewisse Fließstrecke durchlaufen. Die Abkühlung bzw. Erwärmung muss dabei nicht im gesamten Umfang des durch den Wärmetauscher bereitgestellten Temperaturgradienten erfolgen, entsprechende Anteile können vielmehr auch nur teilweise abgekühlt bzw. erwärmt werden.
  • In entsprechender Weise werden die Anteile in den verwendeten Entspannungsmaschinen bzw. weiteren Entspannungseinrichtungen wie Entspannungsventilen nicht notwendigerweise vollständig (d.h. auf Umgebungsdruck) entspannt sondern ggf. nur in einem gewissen Umfang (teilentspannt).
  • In dem Verfahren wird ferner vorteilhafterweise ein dritter Anteil der Gesamtluftmenge als Drosselstrom in einem ersten Nachverdichter nachverdichtet, in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt, in einem Entspannungsventil entspannt und in die Hochdrucksäule eingespeist. Der erste und der zweite Anteil der Gesamtluftmenge, die den Turbinenstrom bilden, werden hingegen vor dem Abkühlen in dem Hauptwärmetauscher in einem zweiten Nachverdichter nachverdichtet. Der erste und der zweite Nachverdichter sind damit parallel angeordnet, die Aufteilung der Gesamtluftmenge in den Turbinenstrom und den Drosselstrom erfolgt bereits vor der Nachverdichtung. Der erste Nachverdichter ist mit der ersten Entspannungsmaschine und der zweite Nachverdichter ist mit der zweiten Entspannungsmaschine gekoppelt und entsprechend angetrieben. Es ist auch möglich, den ersten Nachverdichter mit der zweiten Entspannungsmaschine und den zweiten Nachverdichter mit der ersten Entspannungsmaschine mechanisch zu koppeln und anzutreiben.
  • Die Erfindung ermöglicht in dieser vorteilhaften Ausgestaltung die Erhöhung der Eintrittstemperatur in die erste ("kalte") Entspannungsmaschine ohne nennenswerte Effizienzverluste, weil der erste und der zweite Nachverdichter voneinander entkoppelt sind. Dies wird durch die Aufteilung der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge bereits stromauf der Nachverdichter ermöglicht. Wählt man das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren, erhält man einen geringeren Eintrittsdruck, kann aber auch eine erhöhte Eintrittstemperatur in die erste ("kalte") Entspannungsmaschine einstellen. Letzteres ist aufgrund einer Verschiebung des optimalen Q,t-Profils bedingt.
  • Die Erfindung sieht damit vorteilhafterweise vor, nicht mehr die Gesamtluftmenge in beiden (damit seriell hintereinander angeordneten) Nachverdichtern nachzuverdichten, sondern die Nachverdichtung parallel vorzunehmen. Dies ermöglicht es, die jeweilige Verdichterleistung (und damit die Bedingungen für die den Verdichtern zugeordneten Entspannungsmaschinen) einzeln anzupassen.
  • Das Verfahren umfasst vorteilhafterweise, den Druck und die Temperatur, mit dem der Turbinenstrom der ersten Entspannungsmaschine zugeführt wird, so zu wählen, dass nach der Entspannung auf den ersten Turbinenaustrittsdruck in der ersten Entspannungsmaschine ein Anteil des Turbinenstroms von 0 Molprozent bis 15 Molprozent, insbesondere 1 Molprozent bis 15 Molprozent oder mehr verflüssigt vorliegt. Dies ermöglicht eine besonders günstige Einspeisung des ersten Anteils der Gesamtluftmege in die Hochdrucksäule. Die erste Entspannungsmaschine kann damit ohne Effizienzverluste eine weitgehende Entspannung vornehmen.
  • In gängigen Entspannungsmaschinen, die, wie erwähnt, als Turboexpander ausgebildet sind, wird eine Geschwindigkeit des Turbinenstroms in dem Leitrad von einem Ausgangswert auf einen Zwischenwert erhöht, wodurch ein Druck des Turbinenstroms in dem Leitrad von einem Ausgangswert auf einen Zwischenwert verringert wird. Eine Temperatur, auf die der Turbinenstrom in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt wird, wird dabei zumindest in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Ausgangswert und dem Zwischenwert der Geschwindigkeit und/oder des Drucks ausgewählt. Die entsprechenden Werte sind bekannt und/oder lassen sich aus Kenngrößen des Turboexpanders ableiten, so dass entsprechend sichere Werte zuverlässig eingestellt werden können.
  • Vorteilhafterweise wird die Temperatur, auf die der Turbinenstrom in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt wird, so gewählt, dass bei dem Zwischenwert des Drucks des Turbinenstroms eine Tautemperatur des Turbinenstroms bzw. einer Komponente hiervon nicht unterschritten wird.
  • Das vorliegende Verfahren kann umfassen, aus dem Destillationssäulensystem zumindest einen flüssigen Strom abzuziehen, der flüssig auf Druck gebracht und in dem Hauptwärmetauscher zu einem gasförmigen Druckprodukt verdampft wird. Das vorliegende Verfahren eignet sich damit für die eingangs erläuterte Innenverdichtung. Als flüssiger Strom kann beispielsweise flüssiger Stickstoff und/oder flüssiger Sauerstoff entnommen werden. Das Verfahren eignet sich auch zur Gewinnung wenigstens eines Edelgasprodukts, insbesondere Argon, Krypton und/oder Xenon.
  • Die erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage ist zur Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens eingerichtet und verfügt über entsprechend ausgebildete Mittel. Zu den Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage sei auf die obigen Erläuterungen ausdrücklich verwiesen.
  • Insbesondere weist eine derartige Luftzerlegungsanlage Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, zumindest den Druck und/oder die Temperatur des Turbinenstroms und/oder einen Flüssigkeitsanteil an einem Austritt der ersten Entspannungsmaschine zu bestimmen und/oder einzustellen. Dies erfolgt z.B. im Rahmen einer automatischen Steuerung oder Regelung.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegenüber dem Stand der Technik näher erläutert.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Figur 1 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in Form eines schematischen Anlagendiagramms.
    • Figur 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms.
    • Figur 3 zeigt ein Q,t-Diagramm der Luftzerlegungsanlage gemäß Figur 1.
    • Figur 4 zeigt ein Q,t-Diagramm der Luftzerlegungsanlage gemäß Figur 2.
    • Figur 5 zeigt ein Laufrad und ein Leitrad eines Turboexpanders in stark vereinfachter, schematischer Darstellung.
    • Figur 6 veranschaulicht Zustandsänderungen an einem Turboexpander in Form eines h,s-Diagramms.
    Ausführliche Beschreibung der Figuren
  • In Figur 1 ist eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage schematisch in Form eines Anlagendiagramms dargestellt. Die zur Innenverdichtung eingerichtete Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 110 bezeichnet. Wie erwähnt, eignet sich die Erfindung jedoch auch zum Einsatz in Luftzerlegungsanlagen ohne Innenverdichtung. Eine Gesamtluftmenge atmosphärischer Luft (AIR) wird über ein Filter 1 von einem Hauptverdichter 2 angesaugt und dort auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet, der bei einem HAP-Verfahren, wie es hier zum Einsatz kommt, zumindest 4 bar höher ist als der Betriebsdruck einer Hochdrucksäule (siehe unten). Nach Durchströmen eines Nachkühlers 3 und eines hier nicht näher erläuterten Direktkontaktkühlers 4 wird die verdichtete Luft einer Reinigungsvorrichtung 5 zugeführt, die ein Paar von mit Adsorptionsmaterial, vorzugsweise Molekularsieb, gefüllten Behältern aufweist. Die entsprechend gereinigte Luft verlässt die Reinigungsvorrichtung 5 als Strom a.
  • Der Strom a wird in der Luftzerlegungsanlage 110 auf herkömmliche Weise zunächst in einem ersten Nachverdichter 11 und anschließend in einem zweiten Nachverdichter 21 nachverdichtet. Der erste Nachverdichter 11 und der zweite Nachverdichter 21 sind jeweils mit einer ersten Entspannungsmaschine 12 bzw. einer zweiten Entspannungsmaschine 22 mechanisch gekoppelt, beispielsweise jeweils über eine gemeinsame Welle. Stromab des ersten Nachverdichters 11 und des zweiten Nachverdichters 21 sind jeweils Nachkühler 13 bzw. 23 angeordnet. Stromab des zweiten Nachverdichters 21 bzw. des Nachkühlers 23 wird der Strom a in einen ersten Teilstrom b und in einen zweiten Teilstrom c aufgeteilt. Der Strom b wird als Turbinenstrom, der Strom c als Drosselstrom bezeichnet.
  • Der Turbinenstrom b und der Drosselstrom c werden in einem Hauptwärmetauscher 6 abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt vorzugsweise auf unterschiedliche Temperaturen, so dass der Turbinenstrom b dem Hauptwärmetauscher 6 bei einer Zwischentemperatur entnommen und damit "teilabgekühlt" wird und der Drosselstrom c den Hauptwärmetauscher 6 bis zu dessen kaltem Ende durchläuft.
  • Nach der Entnahme des Turbinenstroms b aus dem Hauptwärmetauscher 6 wird dieser der ersten Entspannungsmaschine 12 zugeführt und dort auf einen ersten Turbinenaustrittsdruck entspannt. Der erste Turbinenaustrittsdruck liegt geringfügig oberhalb eines Betriebsdrucks einer Hochdrucksäule 71 eines Destillationssäulensystems 7, das unten noch näher erläutert wird, oder entspricht diesem Betriebsdruck.
  • Der weiterhin mit b bezeichnete und auf den Zwischendruck entspannte Turbinenstrom wird einem Abscheider 8 zugeführt, von dessen Sumpf eine flüssige Fraktion als ein Strom d abgezogen werden kann. Der Strom d kann (vgl. Verknüpfungspunkt A) in eine Niederdrucksäule 72 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist werden.
  • Eine gasförmige Fraktion vom Kopf des Abscheiders 8 kann als Strom e abgezogen und in einen ersten Teilstrom f und einen zweiten Teilstrom g aufgeteilt werden. Der erste Teilstrom f (der "erste Anteil" der Gesamtluftmenge) wird in die Hochdrucksäule 71 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist, wie unten näher erläutert. Der zweite Teilstrom g (der "zweite Anteil" der Gesamtluftmenge) wird in dem Hauptwärmetauscher 6 im obigen Sinn teilerwärmt und in der zweiten Entspannungsmaschine 22 auf einen zweiten Turbinenaustrittsdruck, beispielsweise Atmosphärendruck oder den Druck der Niederdrucksäule 72 (siehe unten), entspannt. Der auf den zweiten Turbinenaustrittsdruck weiter entspannte zweite Teilstrom g kann anschließend in dem Hauptwärmetauscher 6 weiter erwärmt und mit weiteren Strömen vereinigt, zumindest teilweise in die Atmosphäre (ATM) abgeblasen und/oder einem Verdunstungskühler zugeführt werden.
  • Der Drosselstrom c wird nach dem Durchlaufen des Hauptwärmetauschers 6 über ein Entspannungsventil 9 entspannt und ebenfalls bei entsprechenden Druck in die Hochdrucksäule 71 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist.
  • Bei dem Destillationssäulensystem 7 handelt es sich im dargestellten Beispiel um ein Destillationssäulensystem 7 mit einer klassischen Linde-Doppelsäule, die die Hochdrucksäule 71 und die Niederdrucksäule 72 als bauliche Einheit umfasst. Alternativ dazu ist der Einsatz der Erfindung auch in Destillationssäulensystemen 7 möglich, bei denen eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule getrennt voneinander angeordnet sind. Die Hochdrucksäule 71 und die Niederdrucksäule 72 sind über einen Hauptkondensator 73 wärmetauschend miteinander verbunden. Die Betriebs- bzw. Trenndrücke - jeweils am Kopf - betragen beispielsweise 4,5 bis 6,5 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar in der Hochdrucksäule und 1,2 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,3 bar in der Niederdrucksäule. Im dargestellten Beispiel sind ferner eine geteilte Rohargonsäule 74, 75 und eine Reinargonsäule 76 vorgesehen, die Erfindung kann jedoch auch in Anlagen ohne eine entsprechende Argongewinnung zum Einsatz kommen.
  • Flüssiger Rohsauerstoff wird als Strom h vom Sumpf der Hochdrucksäule 71 abgezogen, in einem Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt und zu einem Teil in einem Sumpfverdampfer 78 der Reinargonsäule 76 weiter abgekühlt. Ein anderer Teil kann an dem Sumpfverdampfer 78 vorbeigeleitet werden. Ist keine Argongewinnung vorgesehen, kann der Strom h auch direkt an einer Zwischenstelle in die Niederdrucksäule 72 überführt werden.
  • Anschließend strömt ein Teil des Rohsauerstoffs des Stroms h in den Verdampfungsraum eines Kopfkondensators der Rohargonsäule 75, ein anderer Teil in den Verdampfungsraum eines Kopfkondensators der Reinargonsäule 76. Der in den Kopfkondensatoren einerseits verdampfte und andererseits flüssig verbliebene Anteil des Rohsauerstoffs wird der Niederdrucksäule 72 in Form der Ströme i und j an geeigneten Zwischenstellen zugeführt. Wie erwähnt kann, wenn keine Argongewinnung vorgesehen ist, der Rohsauerstoff des Stroms h auch direkt an diesen oder entsprechenden Zwischenstellen eingespeist werden.
  • Gasförmiger Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 71 wird zu einem ersten Teil als Strom k zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 6 geleitet, dort auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und kann als Dichtgas (Sealgas, SG) für die verwendeten Verdichter der Anlage eingesetzt werden.
  • Der restliche gasförmige Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 71 wird als Strom I dem Hauptkondensator 73 zugeführt und dort mindestens teilweise kondensiert. Der dabei erzeugte flüssige Stickstoff kann zu einem Teil als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 71 aufgegeben werden. Ein anderer Teil wird als Strom m dem Unterkühlungsgegenströmer 77 zugeführt, dort unterkühlt und zum Kopf der Niederdrucksäule 72 geleitet. Dort kann ein Teil als Strom n zur Bereitstellung eines Flüssigstickstoffprodukts (LIN) abgezogen werden. Das Flüssigstickstoffprodukt kann beispielsweise in einem Tank eingelagert werden.
  • Unmittelbar oberhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule 72 kann gasförmiger Sauerstoff als Strom o entnommen und, gegebenenfalls nach Vereinigung mit einem Strom p (Unreinstickstoff), der ebenfalls der Niederdrucksäule 72 entnommen und in dem Unterkühlungsgegenströmer 77 erwärmt wird, in einem Hauptwärmetauscher 6 angewärmt werden. Die weitere Verwendung der Ströme o und p entspricht beispielsweise jener des erläuterten Stroms g.
  • Ein flüssiger Sauerstoffstrom q aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 72 kann mittels einer Pumpe 79 druckerhöht und als Strom r zumindest teilweise in dem Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt und einem Flüssigtank (LOX) zugeleitet werden. Ein anderer Teil des mittels der Pumpe 79 druckerhöhten Sauerstoffstroms q aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 72 kann als Strom s im Hauptwärmetauscher 6 verdampft (beziehungsweise bei überkritischem Druck pseudo-verdampft), auf Umgebungstemperatur angewärmt und als gasförmiges Druckprodukt (GOX-IC) abgezogen werden.
  • Gasförmiger Stickstoff kann als Strom t vom Kopf der Niederdrucksäule 72 abgezogen und im Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt werden. Der Strom t kann nach Erwärmung im Hauptwärmetauscher 6 in einem Verdichter (ohne Bezeichnung) extern verdichtet und als gasförmiger Druckstickstoff (GAN-EC) bereitgestellt werden.
  • An einer Zwischenstelle, dem sogenannten Argonübergang, kann in der dargestellten Anlage der Niederdrucksäule 72 ein argonhaltiger Strom u entnommen und dem unteren Teil 74 der Rohargonsäule 74, 75 unmittelbar über dem Sumpf zugeführt werden. Sumpfflüssigkeit des unteren Teils 74 der Rohargonsäule 74, 75 kann als Strom v in die Niederdrucksäule 72 zurückgeleitet werden.
  • Der untere Teil 74 und der obere Teil 75 der zweigeteilten Rohargonsäule 74, 75 können über Leitungen w und x und entsprechende Pumpen und Ventile (ohne Bezeichnung) miteinander gekoppelt sein. Die Rohargonsäule kann auch einteilig ausgebildet sein.
  • Die Kopfkondensatoren des oberen Teils 75 der Rohargonsäule 74, 75 und der Reinargonsäule 76 können beispielsweise als Rücklaufkondensatoren oder als Badkondensatoren ausgebildet sein. Der Rohargonsäule 75 kann im dargestellten Beispiel am oberen Ende der Rücklaufpassagen des Kopfkondensators, der hier als Rücklaufkondensator gezeigt ist, über einen seitlichen Header ein Rohargonstrom y gasförmig entnommen und der Reinargonsäule 76 an einer geeigneten Zwischenstelle zugeleitet werden.
  • Die Sumpfflüssigkeit der Reinargonsäule 76 kann zu einem Teil in dem Sumpfverdampfer 78 verdampft werden, wobei der dabei erzeugte Dampf als aufsteigendes Gas in der Reinargonsäule genutzt werden kann. Der Rest kann der Reinargonsäule als flüssiger Reinargonproduktstrom z entnommen werden. Das flüssige Reinargon (LAR) kann in einen Tank überführt werden. Zumindest ein Teil des Reinargons kann flüssig auf Druck gebracht, in den Hauptwärmetauscher 6 verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (LAR IC) abgegeben werden (vgl. die rechte Kammer des Hauptwärmetauschers 6, sogenannte Argoninnenverdichtung).
  • In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in Form eines Anlagendiagramms dargestellt. Die ebenfalls zur Innenverdichtung eingerichtete Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet.
  • Die Luftzerlegungsanlage 100 entspricht teilweise der in Figur 1 dargestellten Luftzerlegungsanlage 110. Im Gegensatz zu der Luftzerlegungsanlage 110 erfolgt hier jedoch eine Aufteilung des Stroms a in den ersten und dem zweiten Teilstrom b und c (Turbinen- und Drosselstrom) stromauf der Nachverdichter 11 und 21. Turbinen- und Drosselstrom werden damit nicht mehr gemeinsam und seriell in den Nachverdichter 11 und 21 nachverdichtet, sondern parallel. Der Antrieb der Nachverdichter kann dabei, wie oben erläutert, durch die Entspannungsmaschinen 12 und 22 erfolgen. Hierbei kann abweichend zur Darstellung in der Figur 2 auch der erste Nachverdichter 11 mit der zweiten Entspannungsmaschine 22 und der zweite Nachverdichter 21 mit der ersten Entspannungsmaschine 12 gekoppelt sein. Wie eingangs erläutert, lässt sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ein geringerer Eintrittsdruck und eine höhere Eintrittstemperatur an der ersten ("kalten") Entspannungsmaschine 12 erzielen. Letzteres ist durch eine Verschiebung des optimalen Q,t-Profils bedingt, wie es nachfolgend veranschaulicht wird.
  • In der Figur 3 ist ein typisches optimiertes Q,t-Profil einer Luftzerlegungsanlage 110 der Figur 1 dargestellt. Entsprechend ist in der Figur 4 ein typisches optimiertes Q,t-Profil einer Luftzerlegungsanlage 100 der Figur 2 dargestellt. In den in der Figur 3 und der Figur 4 dargestellten Diagrammen ist jeweils eine Wärmemenge in kW auf der Ordinate gegenüber einer Temperatur in K auf der Abszisse aufgetragen.
  • In den beiden Figuren sind charakteristische Punkte der jeweiligen Profile mit 301, 302 und 303 bzw. 401, 402 und 403 bezeichnet. Der Punkt 301 bzw. 401 entspricht dabei der Entnahme des Stroms, der zur ersten ("kalten") Entspannungsmaschine 12 geführt wird, aus dem Wärmetauscher 6. Der Punkt 302 bzw. 402 entspricht der Rückführung des aus der zweiten Entspannungsmaschine 22 kommenden Stroms in den Wärmetauscher 6. Der Punkt 302 bzw. 402 entspricht der Entnahme des Stroms, der zur zweiten Entspannungsmaschine 22 geführt wird, aus dem Wärmetauscher 6. Wie aus der Zusammenschau der Figuren 3 und 4 ersichtlich, liegt der Punkt 401 bei einer Temperatur deutlich oberhalb jener des Punktes 301, was einer höheren Entnahmetemperatur aus der ersten Entspannungsmaschine und damit einem geringeren Flüssiganteil aufgrund der höheren Entnahmetemperatur entspricht.
  • In Figur 5 ist ein Leitrad und ein Laufrad einer als Turboexpander ausgebildeten Entspannungsmaschine, z.B. der Entspannungsmaschine 12, ausschnittsweise und stark schematisiert in Form einer Ansicht 120 einer Turbinenstufe dargestellt. Bekannte Turboexpander weisen eine oder mehrere derartiger Turbinenstufen auf. Ein Laufrad, hier mit 121 bezeichnet, weist eine Reihe von Laufradschaufeln 121' auf, auf die über ein Leitrad 122 (mit Leitradschaufeln 122') Fluid geleitet wird. Das Laufrad 121 wird hierdurch in Rotation versetzt. Das Fluid wird dabei über einen Turbinenspalt 123 geleitet. Wie eingangs erläutert, ist insbesondere im Turbinenspalt 123 die Abscheidung von Flüssigkeit kritisch.
  • Dies wird anhand des in Figur 6 gezeigten h,s-Diagramms veranschaulicht, das Zustandsänderungen in einer Stufe einer entsprechenden Entspannungsmaschine zeigt. Hierbei ist eine spezifische Entropie s auf der Abszisse gegenüber einer spezifischen Enthalpie h auf der Ordinate aufgetragen. Mit p0, p1 und p2 sind Isobarenlinien in dem h,s-Diagramm angegeben, die unterschiedlichen Druckniveaus in der Entspannungsmaschine bzw. einer Stufe 120 entsprechen. Ein Druck p0 liegt dabei beim Eintritt des Fluids in das Leitrad 122, also beim Eintritt in die jeweilige Stufe 120, ein Druck p1 im Turbinenspalt 123 und ein Druck p2 nach dem Durchlaufen des Laufrads 121, also am Austritt aus der Stufe 120 vor. Mit hLE ist ein Enthalpieabbau im Leitrad 122, mit hLA ein Enthalpieabbau im Laufrad 121 und mit hST ein Enthalpieabbau in der gesamten Stufe 120 angegeben.
  • Im Leitrad 122 tritt eine Beschleunigung der Strömung ein, wobei mit c0 die Geschwindigkeit des Fluids am Eintritt in das Leitrad 122, und damit beim Eintritt in die jeweilige Stufe 120, und mit c1 die Geschwindigkeit des Fluids am Austritt aus dem Leitrad 122 angegeben ist. Arbeit wird bei dieser Zustandsänderung (im Gegensatz zur Beschleunigung im Laufrad 121) nicht abgeführt, daher bleibt die Gesamtenthalpie (die sich jeweils aus der Enthalpie vor und nach der Zustandsänderung h0 und h1 und einem Geschwindigkeitsterm zusammensetzt) konstant: h 0 + c 0 2 2 = h 1 + c 1 2 2 .
    Figure imgb0001
  • Bei der Zustandsänderung (Beschleunigung) kommt es gemäß dem Gesetz von Bernoulli zu einem Abfall des Drucks (p1 < p0). Hierbei ist kritisch, wenn der Druck so weit absinkt, dass die diesem Druck entsprechende Tautemperatur des Fluids unterschritten wird. In diesem Fall kommt es zur (unerwünschten) Flüssigkeitsbildung im Turbinenspalt.
  • Die Erfindung ermöglicht es aufgrund der Aufteilung der Einsatzluftströme vor der Nachverdichtung, den Turbinenstrom (vgl. Figur 2, Strom b) in dem Hauptwärmetauscher 6 auf eine Temperatur abzukühlen, die so gewählt werden kann, dass sich bei der Teilentspannung des Turbinenstroms b in der ersten Entspannungsmaschine 12 die Luft des Turbinenstroms b in dem Turbinenspalt (vgl. Figur 5, Bezugszeichen 123) kaum oder vorzugsweise überhaupt nicht verflüssigt.
  • Wie erläutert, wird die Geschwindigkeit der Luft in dem Leitrad 122 bzw. den von den entsprechenden Leitradschaufeln 122' gebildeten Kanälen, von einem Ausgangswert c0 auf einen Zwischenwert c1 erhöht, wodurch ein Druck des Turbinenstroms b in dem Leitrad 122 von einem Ausgangswert p0 auf einen Zwischenwert p1 verringert wird. Die Temperatur, auf die der Turbinenstrom b in dem Hauptwärmetauscher 6 abgekühlt wird, wird daher zumindest in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Ausgangswert c0 bzw. p0 und dem Zwischenwert c1 bzw. p1 der Geschwindigkeit und/oder des Drucks ausgewählt.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Gewinnung von Luftprodukten durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulensystem (7) einer Luftzerlegungsanlage (100), das eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) aufweist, wobei
    - eine in dem Verfahren insgesamt eingesetzte Gesamtluftmenge in einem Hauptverdichter (2) auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet wird, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, bei dem die Hochdrucksäule (71) betrieben wird, wobei
    - zumindest ein erster und ein zweiter Anteil der Gesamtluftmenge als Turbinenstrom (b) nacheinander in einem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt und in einer ersten Entspannungsmaschine (12) auf einen ersten Turbinenaustrittsdruck entspannt werden, wobei
    - der erste Anteil anschließend in die Hochdrucksäule (71) eingespeist und der zweite Anteil anschließend in dem Hauptwärmetauscher (6) erwärmt und in einer zweiten Entspannungsmaschine (22) auf einen zweiten Turbinenaustrittsdruck weiter entspannt wird, und wobei
    - als die erste Entspannungsmaschine (12) ein Turboexpander mit wenigstens einer Expansionsstufe (120) mit einem Laufrad (121), einem Leitrad (122) und einem zwischen dem Laufrad (121) und dem Leitrad (122) angeordneten Turbinenspalt (123) verwendet wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Turbinenstrom (b) der ersten Entspannungsmaschine (12) vollständig in gasförmigem Zustand und mit einem Druck und einer Temperatur zugeführt wird, die bewirken, dass der Turbinenstrom (b) in dem Turbinenspalt (123) zu 85 Molprozent oder mehr in dem gasförmigem Zustand verbleibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein dritter Anteil der Gesamtluftmenge als Drosselstrom (c) in einem ersten Nachverdichter (11) nachverdichtet, in dem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt, in einem Entspannungsventil (9) entspannt und in die Hochdrucksäule (71) eingespeist wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Turbinenstrom (b) vor dem Abkühlen in dem Hauptwärmetauscher (6) in einem zweiten Nachverdichter (21) nachverdichtet wird, wobei der erste Nachverdichter (11) mit der ersten Entspannungsmaschine (12) und der zweite Nachverdichter (21) mit der zweiten Entspannungsmaschine (22) oder der erste Nachverdichter (11) mit der zweiten Entspannungsmaschine (22) und der zweite Nachverdichter (21) mit der ersten Entspannungsmaschine (12) gekoppelt ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Druck und die Temperatur, mit dem der Turbinenstrom (b) der ersten Entspannungsmaschine (12) zugeführt wird, so gewählt wird, dass nach der Entspannung auf den ersten Turbinenaustrittsdruck in der ersten Entspannungsmaschine (12) ein Anteil des Turbinenstroms (b) verflüssigt vorliegt, der 0 Molprozent bis 15 Molprozent, insbesondere 1 Molprozent bis 15 Molprozent beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Geschwindigkeit des Turbinenstroms (b) in dem Leitrad (122) von einem Ausgangswert (c0) auf einen Zwischenwert (c1) erhöht wird, wodurch ein Druck des Turbinenstroms (b) in dem Leitrad (122) von einem Ausgangswert (p0) auf einen Zwischenwert (p1) verringert wird, wobei eine Temperatur, auf die der Turbinenstrom (b) in dem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt wird, zumindest in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Ausgangswert (c0, p0) und dem Zwischenwert (c1, p1) der Geschwindigkeit und/oder des Drucks ausgewählt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Temperatur, auf die der Turbinenstrom (b) in dem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt wird, so gewählt wird, dass bei dem Zwischenwert (p1) des Drucks des Turbinenstroms (b) eine Tautemperatur des Turbinenstroms (b) nicht unterschritten wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem aus dem Destillationssäulensystem (7) zumindest ein flüssiger Strom (q, n, z) abgezogen wird, der flüssig auf Druck gebracht und in dem Hauptwärmetauscher (6) zu einem gasförmigen Druckprodukt verdampft wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als flüssiger Strom (q, n, z) flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und/oder flüssiges Argon entnommen wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem mit dem Destillationssäulensystem (7) ferner wenigstens ein Edelgasprodukt (z), insbesondere Argon, Krypton und/oder Xenon, gewonnen wird.
  10. Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (7) das eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) aufweist, wobei die Luftzerlegungsanlage (100) ferner aufweist:
    - einen Hauptverdichter (2), der dafür eingerichtet ist, eine der Luftzerlegungsanlage (100) insgesamt zugeführte Gesamtluftmenge auf einen Hauptverdichterdruck zu verdichten, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule (50) eingerichtet ist,
    - einen Hauptwärmetauscher (6) und eine erste Entspannungsmaschine (12), die dafür eingerichtet sind, zumindest einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge als Turbinenstrom (b) abzukühlen und auf einen ersten Turbinenaustrittsdruck zu entspannen,
    - Mittel, die dafür eingerichtet sind, den ersten Anteil anschließend in die Hochdrucksäule (71) einzuspeisen und den zweiten Anteil anschließend in dem Hauptwärmetauscher (6) zu erwärmen und auf einen zweiten Turbinenaustrittsdruck weiter zu entspannen, wobei
    - zur Entspannung des Turbinenstroms (b) auf den ersten Turbinenaustrittsdruck eine Entspannungsmaschine (12) in Form einesTurboexpanders mit zumindest einer Expansionsstufe (120) mit einem Laufrad (121), einem Leitrad (122) und einem zwischen dem Laufrad (121) und dem Leitrad (122) angeordneten Turbinenspalt (123) vorgesehen ist,
    gekennzeichnet durch
    - Mittel, die dazu eingerichtet sind, den Turbinenstrom (b) der ersten Entspannungsmaschine (12) vollständig in gasförmigem Zustand und mit einem Druck und einer Temperatur zuzuführen, die bewirken, dass der Turbinenstrom (b) in dem Turbinenspalt (123) zu 99 Molprozent oder mehr in dem gasförmigem Zustand verbleibt.
  11. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 10, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.
  12. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 10 oder 11, die Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind, zumindest den Druck und/oder die Temperatur des Turbinenstroms (b) und/oder einen Flüssigkeitsanteil an einem Austritt der ersten Entspannungsmaschine zu bestimmen und/oder einzustellen.
  13. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, die ferner dafür eingerichtet ist, einen dritten Anteil der Gesamtluftmenge als Drosselstrom (c) nacheinander in einem ersten Nachverdichter (11) nachzuverdichten, in dem Hauptwärmetauscher (6) abzukühlen, in einem Entspannungsventil (9) zu entspannen und in die Hochdrucksäule (71) einzuspeisen.
  14. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 13, die ferner dafür eingerichtet ist, den Turbinenstrom (b) vor dem Abkühlen in dem Hauptwärmetauscher (6) in einem zweiten Nachverdichter (21) nachzuverdichten, wobei der erste Nachverdichter (11) mit der ersten Entspannungsmaschine (12) und der zweite Nachverdichter (21) mit der zweiten Entspannungsmaschine (22) oder der erste Nachverdichter (11) mit der zweiten Entspannungsmaschine (22) und der zweite Nachverdichter (21) mit der ersten Entspannungsmaschine (12) mechanisch gekoppelt ist.
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