DE102010056570A1

DE102010056570A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Drucksauerstoff und Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft

Info

Publication number: DE102010056570A1
Application number: DE201010056570
Authority: DE
Inventors: Alexander Alekseev; Dirk Schwenk
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Gewinnung von Drucksauerstoff und Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das mindestens eine Drucksäule (8) aufweist. Einsatzluft wird in einem Luftverdichter (2) verdichtet. Die verdichtete Einsatzluft (3, 6) wird in einem Hauptwärmetauscher (20) abgekühlt und mindestens teilweise in die Drucksäule (8) eingeleitet. Ein flüssiger Sauerstoffstrom (11, 12) wird aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (13), unter diesem erhöhten Druck in den Hauptwärmetauscher (20) eingeleitet, im Hauptwärmetauscher (20) verdampft oder pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt (14) gewonnen. Ein gasförmiger Kreislaufstickstoffstrom (18, 19) wird aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung abgezogen und wird mindestens zum Teil (21) in einem Kreislaufverdichter (22) verdichtet. Ein erster Teilstrom des im Kreislaufverdichter (22) verdichteten Kreislaufstickstoffstroms (34, 734) wird in dem Hauptwärmetauscher (20) in indirekten Wärmeaustausch mit dem Sauerstoffstrom gebracht und anschließend entspannt (36, 38), wobei der entspannte erste Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms (37) mindestens teilweise in flüssigem Zustand in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet wird. Ein zweiter Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms wird stromabwärts des Kreislaufverdichters und/oder von einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters unter einem Produktdruck (P2, P3, P4) abgezweigt und als Druckstickstoffprodukt (27, 29, 53, 564, 565) gewonnen. Ein Turbinenstrom (40), der durch einen dritten Teilstrom des im Kreislaufverdichter (22) verdichteten Kreislaufstickstoffstroms gebildet wird, arbeitsleistend entspannt (41) und mindestens teilweise in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Drucksauerstoff und Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Unter ”Drucksäule” wird hier eine Säule verstanden, die unter überatmosphärischem Betriebsdruck von mindestens 3,2 bar (absolut) und die entweder durch eine Einzelsäule zur Stickstoff-Sauerstofftrennung gebildet wird oder durch die Hochdrucksäule eines Zwei- oder Mehrsäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstofftrennung, wobei dieses Zwei- oder Mehrsäulen-System außerdem eine Niederdrucksäule aufweist, die unter niedrigerem Betriebsdruck als die (Hoch-)Drucksäule betrieben wird und mit der (Hoch-)Drucksäule über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer in wärmetauschender Verbindung steht.
Der ”Hauptwärmetauscher” dient zur Abkühlung von Einsatzluft und kann durch einen einzelnen Wärmetauscherblock oder auch durch eine Mehrzahl von Wärmetauscherblöcken gebildet sein.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Drucksauerstoff, bei dem die Druckerhöhung im Flüssigprodukt vorgenommen und die Hochdruckflüssigkeit anschließend in indirektem Wärmeaustausch mit einem Hochdruck-Prozessstrom (Wärmeträger) verdampft (beziehungsweise – bei überkritischem Druck – pseudo-verdampft) wird. Dieser Verfahrenstyp wird häufig als ”Innenverdichtung” bezeichnet und ist beispielsweise in Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, S. 319–322 beschrieben. Als Hochdruck-Prozessstrom kann Stickstoff oder Einsatzluft eingesetzt werden. Der Produktdruck der Innenverdichtung beträgt beispielsweise 6 bis 100 bar, vorzugsweise 30 bis 95 bar. Der obere Kreislaufdruck des Stickstoffkreislaufs liegt beispielsweise zwischen 20 und 90 bar, vorzugsweise zwischen 20 und 75 bar.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus US 5341647 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig sind und insbesondere einen besonders niedrigen Energieverbrauch bei vertretbarem apparativen Aufwand aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Hierbei wird der Kreislaufverdichter nicht nur für die (Pseudo-)Verdampfung des Drucksauerstoffprodukts und die für die Erzeugung von Druckstickstoffprodukt (sozusagen als Produktverdichter) genutzt, sondern auch für die Erzeugung von Verfahrenskälte. Auf diese Weise kann der Druck in dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und am Luftverdichter im Vergleich zum Produktdruck besonders niedrig gehalten und damit Energie eingespart werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Drucksäule mit einem Betriebsdruck (am Kopf) von beispielsweise 5 bis 6,5 bar, vorzugsweise 5,2 bis 6,2 bar betrieben. Im Fall des Einsatzes eines Zwei- oder Mehr-Kolonnensystems als Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung beträgt der Niederdrucksäulendruck weniger als 2 bar, vorzugsweise weniger als 1,6 bar.
Der Produktdruck kann gleich, niedriger oder höher als der Druck sein, unter dem der erste Teilstrom aus dem Kreislaufverdichter abgezogen wird.
Der ”gasförmige Kreislaufstickstoffstrom” aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zum Kreislaufverdichter wird vorzugsweise aus der Drucksäule abgezogen, insbesondere von deren Kopf.
Die bei der arbeitsleistenden Entspannung des Turbinenstroms erzeugte Energie wird vorzugsweise mechanisch auf einen Nachverdichter übertragen, in dem beispielsweise der Turbinenstrom stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung und/oder der erste Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms stromaufwärts seiner Einleitung in den Hauptwärmetauscher nachverdichtet werden.
Es ist günstig, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Flüssigfraktion aus der Drucksäule unter dem Betriebsdruck der Drucksäule in einen ersten Kondensator-Verdampfer eingeleitet und dort in indirektem Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms mindestens teilweise verdampft wird, wobei der dabei erzeugte Dampf mindestens teilweise in die Drucksäule zurückgeleitet wird. Das Aufkochen der Drucksäule verbessert deren Trennwirkung. Als Heizmittel wird im Rahmen der Erfindung kein eigens zu verdichtender Strom eingesetzt, sondern der ohnehin auf geeignetem Druckniveau vorhandene Turbinenstrom. Der Kreislaufverdichter wird somit zu einem weiteren Zweck, der Ausheizung der Drucksäule genutzt.
Der ”Kondensator-Verdampfer”, in dem eine Flüssigfraktion aus der Drucksäule aufgekocht wird, ist als vom Hauptwärmetauscher getrennter Wärmetauscher ausgeführt, insbesondere als mindestens ein Plattenwärmetauscherblock, höchst vorzugsweise als ein einziger Plattenwärmetauscherblock; er kann innerhalb der Drucksäule angeordnet sein oder auch außerhalb in einem separaten Behälter.
Die Flüssigfraktion zum Kondensator-Verdampfer kann aus dem Sumpf der Drucksäule entnommen werden – der erste Kondensator-Verdampfer wirkt dann als Sumpfheizung und ist vorzugsweise unmittelbar im Sumpf der Drucksäule angeordnet. Alternativ ist der erste Kondensator-Verdampfer als Zwischenheizung der Drucksäule ausgebildet und beispielsweise auf einem Zwischenniveau im Inneren der Drucksäule angeordnet; die Flüssigfraktion für den Kondensator-Verdampfer wird dann an der entsprechenden Zwischenstelle der Drucksäule abgezogen. In einer besonderen Ausgestaltung weist die Drucksäule sowohl eine Zwischenheizung als auch eine Sumpfheizung auf, wobei eine der beiden Kolonnenheizungen vom Turbinenstrom beheizt wird (”erster Kondensator-Verdampfer” in Sinne des Patentanspruchs) und die andere (ein ”zweiter Kondensator-Verdampfer”) von einem weiteren Teilstrom des Kreislaufstickstoffstrom, der bei einem geeigneten Druck aus dem Kreislaufverdichter entnommen wird.
Häufig ist der Druck des ersten Teilstroms des Kreislaufstickstoffstroms der höchste im Verfahren benötigte Druck. Bei besonders hohem Kältebedarf kann auch der dritte Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms (Turbinenstrom) auf diesem Druckniveau aus dem Kreislaufverdichter abgezogen werden. In vielen Fällen ist es aber günstig, den dritten Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms unter einem oberen Zwischendruck (P3, P4) von einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters abzuziehen und anschließend der arbeitsleistenden Entspannung zuzuführen. Der Eintrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung liegt dann etwa auf dem Niveau des oberen Zwischendrucks, kann aber gegebenenfalls durch einen an die Entspannungsmaschine gekoppelten Nachverdichter erhöht werden.
Der erste Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms kann unter einem hohen Druck (P4) aus dem Kreislaufverdichter abgezogen werden, der höher als der Zwischendruck (P3) ist, bei dem der dritte Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms aus dem Kreislaufverdichter entnommen wird; anschließend wird der erste Teilstrom unter diesem hohen Druck oder unter einem noch höheren Druck in den Hauptwärmetauscher eingeleitet. Damit lässt sich einerseits ein besonders hoher Produktdruck für das gasförmige Drucksauerstoffprodukt realisieren, andererseits ist dieses Druckniveau entkoppelt von dem Eintrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung, der niedriger sein kann. Darüber hinaus kann auch ein Teil des Kreislaufstickstoffstroms unter dem hohen Druck als Druckstickstoffprodukt gewonnen werden, ohne dass zusätzlicher Maschinenaufwand notwendig wäre.
In einer ersten Betriebsweise wird ein vierter Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms unter einem unteren Zwischendruck (P2) von einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters abgezogen, in einer Zwischendruckpassage des Hauptwärmetauschers abgekühlt und mit dem arbeitsleistend entspannten Turbinenstrom stromaufwärts des Kondensator-Verdampfers vermischt. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn der Turbinenstrom zur Ausheizung der Drucksäule in dem ersten Kondensator-Verdampfer genutzt wird. Wenn relativ wenig Kälte benötigt wird, kann der Turbinenstrom so klein sein, dass er alleine nicht mehr die für die Kolonnenheizung benötigte Wärme aufbringen kann. Durch die Zumischung des vierten Teilstroms kann zusätzliche Wärme in den Kondensator-Verdampfer eingetragen werden. Kälteerzeugung und Kolonnenbetrieb sind damit unabhängig. Die Kälteleistung, die durch den Turbinenstrom erbracht wird, kann in weitem Bereich variiert werden, ohne dass die den Betrieb des Destilliersäulen-Systems beeinflusst.
Umgekehrt kann in einer zweiten Betriebsweise ein Teil des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms in der Zwischendruckpassage des Hauptwärmetauschers angewärmt und dem Kreislaufverdichter an einer Zwischenstufe zugeführt werden. Dies ist vor Allem dann vorteilhaft, wenn viel Kälte erzeugt wird und der Turbinenstrom damit zu groß für die Beheizung des ersten Kondensator-Verdampfers ist. Für diese Rückführung und für die Führung des vierten Teilstroms in der ersten Betriebsweise wird vorzugsweise eine Pendelleitung, die durch dieselben Passagen des Hauptwärmetauschers führt (”Zwischenpassage”).
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zu einem Zweisäulen-System mit einer Niederdrucksäule ausgebaut werden, wie es in Patentanspruch 8 beschrieben ist. Vorzugsweise liefert die Niederdrucksäule keinen reinen Stickstoff, sondern an ihrem Kopf wird unreiner Stickstoff als Restgas abgezogen.
Zusätzlich kann eine Zwischenflüssigkeit, deren Sauerstoffgehalt zwischen demjenigen der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit und demjenigen der stickstoffangereicherten Flüssigkeit liegt, aus der Drucksäule entnommen und der Niederdrucksäule an einer zweiten Zwischenstelle zugeführt werden, die oberhalb der ersten Zwischenstelle angeordnet ist, wobei die Zwischenflüssigkeit insbesondere in Höhe des Zwischenverdampfers der Drucksäule entnommen wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Gewinnung von Drucksauerstoff und Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 10 bis 14.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, die alle als Zwei-Säulen-Systeme ausgebildet sind. Hierbei zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Kondensator-Verdampfern in der Drucksäule, bei dem die arbeitsleistende Entspannung auf den Eintrittsdruck der zweiten Stufe des Kreislaufverdichters führt,
2 eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels, bei dem die arbeitsleistende Entspannung auf den Eintrittsdruck der zweiten Stufe des Kreislaufverdichters führt,
3 ein Ausführungsbeispiel mit nur einem Kondensator-Verdampfer in der Drucksäule und Nachverdichtung des Turbinenstroms und
4 eine Abwandlung dieser Variante mit Nachverdichtung des ersten Teilstroms des Kreislaufstickstoffstroms
In den Zeichnungen nicht dargestellt ist, wie atmosphärische Luft über ein Filter von einem Luftverdichter angesaugt und auf einen Druck von ca. 6 bar verdichtet und weiter über eine Vorkühlungseinrichtung und eine Reinigungseinrichtung geführt wird.
In 1 wird die verdichtete und gereinigte Einsatzluft 6 in einem Hauptwärmetauscher 20 auf etwa Taupunkt abgekühlt und über Leitung 7 einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zugeführt, das in dem Beispiel aus einer Drucksäule 8 und den ihr zugeordneten Kolonnenverdampfern, einem Sumpfverdampfer 9 und einem Zwischenverdampfer (”erster Kondensator-Verdampfer”) 10 besteht, sowie aus einer Niederdrucksäule 460 und aus einem Hauptkondensator 461, über den die Drucksäule 8 und die Niederdrucksäule 460 in wärmetauschender Verbindung stehen. Der Betriebsdruck am Kopf der Niederdrucksäule 460 beträgt ca. 1,4 bar. Der Hauptwärmetauscher 20 kann integriert oder gesplittet ausgeführt werden, 1 und die nachfolgenden Zeichnungen zeigen nur die Grundfunktion des Tauschers – warme Ströme werden durch kalte gekühlt.
Die Sumpfflüssigkeit 462 aus der Drucksäule 8 beziehungsweise von der Verflüssigungsseite ihres Sumpfverdampfers 9 wird vollständig durch einen ersten Unterkühlungs-Gegenströmer 16 und einen zweiten Unterkühlungs-Gegenströmer 415 geführt, in einem Drosselventil 463 auf Niederdrucksäulendruck entspannt und über Leitung 464 der Niederdrucksäule an einer ersten Zwischenstelle zugeführt. Ein Teil 465 der Zwischenflüssigkeit der Drucksäule 8, die an der Verflüssigungsseite des Zwischenverdampfers 10 anfällt, wird von dort abgezogen, ebenfalls in den Unterkühlungs-Gegenströmern 16 und 416 unterkühlt und nach Drosselung 466 über Leitung 467 an einer zweiten Zwischenstelle der Drucksäule 8 zugeleitet, die oberhalb der ersten Zwischenstelle liegt. Ein dritter Einsatzstrom in Form von unreinem flüssigen Stickstoff 468 wird nach Unterkühlung 16/416 und Drosselung 469 über Leitung 470 auf den Kopf der Niederdrucksäule 460 aufgegeben.
Der flüssige Sauerstoff wird hier vom Sumpf der Niederdrucksäule 460 beziehungsweise von der Verflüssigungsseite des Hauptkondensators 461 entnommen und analog zu Strom 11 der 1 in einen Innenverdichtungsstrom (”flüssiger Sauerstoffstrom”) 412 und ein Flüssigprodukt (415/417) aufgeteilt.
Im Sumpf der Niederdrucksäule 460 wird flüssiger Sauerstoff 11 erzeugt, der zu einem ersten Teil als ”flüssiger Sauerstoffstrom” 12 in einer Pumpe 13 der – je nach Produktanforderungen – auf einen Druck von 6 bis 100 bar gebracht wird. Die Flüssigkeit (IC-LOX) wird unter diesem erhöhten Druck in den Hauptwärmetauscher 20 eingeleitet, im Hauptwärmetauscher verdampft oder pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Schließlich wird der Sauerstoff als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt 14 gewonnen.
Ein anderer Teil 15 der Sumpfflüssigkeit 11 der Niederdrucksäule 460 wird – gegebenenfalls nach Unterkühlung in dem Unterkühlungs-Gegenströmer 416 über Leitung 17 als flüssiges Sauerstoffprodukt (LOX) abgegeben.
Vom Kopf der Drucksäule 8 wird über Leitung 18 Stickstoff als ”gasförmiger Kreislaufstickstoffstrom” abgezogen, in dem Unterkühlungs-Gegenströmer 16 und weiter (Leitung 19) im Hauptwärmetauscher 20 angewärmt und schließlich mindestens zu einem ersten Teil über Leitung 21 der ersten Stufe 23 eines Kreislaufverdichters 22 zugeführt, der in dem Beispiel vier Stufen 23, 25, 560 mit Nachkühlern 24, 16, 561 aufweist (die beiden letzten Verdichterstufen 560 und Nachkühler 561 sind vereinfacht dargestellt). (Alternativ kann ein Kreislaufverdichter mit zwei, drei oder mehr als vier Stufen eingesetzt werden.) Ein anderer Teil des Kreislaufstickstoffstroms kann als Druckstickstoffprodukt 27 (PGAN) unter etwa dem Betriebsdruck der Drucksäule gewonnen werden.
In der ersten Stufe 23 des Kreislaufverdichters 22 wird der Kreislaufstickstoffstrom auf einen ersten Zwischendruck (P1-GAN) von ca. 9 bar und in der zweiten Stufe 25 weiter auf einen zweiten Zwischendruck (P2-GAN) von ca. 12 bar verdichtet. Die beiden letzten Stufen 560 komprimieren auf einen hohen Druck, der das 1,4 bis 2,5-Fache des Sauerstoffdrucks beträgt (P4-GAN), beziehungsweise einen dritten Zwischendruck (P3-GAN). (Weitere) Druckstickstoffproduktströme können – je nach Bedarf – von jedem dieser Druckniveaus (Leitungen 53, 29, 565, 564) abgezogen werden; jeder dieser Druckstickstoffproduktströme bildet einen ”zweiten Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms”. Ein anderer Teil des Kreislaufstickstoffstroms auf einem dieser Niveaus bildet einen ”dritten Teilstrom”. Dieser wird in einem Nachverdichter 566 auf den 1,3 bis 2-fachen Druck nachverdichtet und nach Nachkühlung als Turbinenstrom 40 im Hauptwärmetauscher auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und schließlich in einer Entspannungsmaschine 41, die vorzugsweise durch eine Expansionsturbine gebildet wird, arbeitsleistend entspannt. Der arbeitsleistend entspannte Turbinenstrom 42 wird zu mindestens einem ersten Teil 30 in dem Zwischenverdampfer 9 (”erster Kondensator-Verdampfer”) der Drucksäule 8 als Heizmittel eingesetzt. Hierbei wird er in indirektem Wärmeaustausch mit verdampfender Zwischenflüssigkeit der Drucksäule 8 mindestens teilweise verflüssigt. Anschließend wird dieser Strom über die Leitung 31, durch den Unterkühlungs-Gegenströmer 16, das Drosselventil 32 und schließlich Leitung 33 wieder in den Kopf der Drucksäule 8 zurückgeleitet.
Für eine konkrete Anlage wird je nach Kältebedarf einer der Drücke P2-GAN bis P4-GAN für den Strom 540 ausgewählt und eine entsprechende Verrohrung realisiert. Die in der Expansionsturbine 41 erzeigt mechanische Leistung wird durch mechanische Kopplung auf den Nachverdichter 566 übertragen. Alternativ kann die Turbine 41 an einen anderen Verdichter, einen Generator oder an eine dissipative Bremseinrichtung gekoppelt sein.
Am Kopf der Drucksäule 8 kann Flüssigstickstoff 43 als weiterer Produktstrom (PLIN) abgezogen werden
Mindestens ein Teil des Kreislaufstickstoffstroms, der auf den Enddruck des Kreislaufverdichters 22 verdichtet wurde, bildet einen ”ersten Teilstrom”, der im Hauptwärmetauscher 20 die Wärme für die (Pseudo-)Verdampfung des flüssigen Drucksauerstoffs liefert. Der kalte erste Teilstrom 35 wird in dem Unterkühlungs-Gegenströmer 16 abgekühlt (in 1 nicht dargestellt), in einem Drosselventil 36 auf Drucksäulendruck entspannt und schließlich über Leitung 37 auf den Kopf der Drucksäule 8 aufgegeben. Die Entspannung auf Drucksäulendruck kann alternativ auch arbeitsleistend in einer Flüssigturbine 38 durchgeführt werden; in dem dargestellten Beispiel wird die Flüssigturbine 38 durch einen Generator 39 gebremst.
Vom Kopf der Niederdrucksäule 460 wird Unreinstickstoff 50 als Restgas abgezogen, in den Unterkühlungs-Gegenströmern 416 und 16 und weiter (Leitung 51, P-UN2) im Hauptwärmetauscher 20 angewärmt und schließlich über Leitung 52 als Restprodukt abgegeben; es kann in dem Verfahren noch als Regeneriergas oder als trockenes Gas in einem Verdunstungskühler genutzt werden.
Ein Teil 45 des Kreislaufstickstoffstroms stromabwärts der ersten Stufe 23 des Kreislaufverdichters 22 – nach Abkühlung im Hauptwärmetauscher 20 – wird als Zwischendruck-Kreislaufstickstoffstrom 46 in dem Sumpfverdampfer 9 der Drucksäule mindestens teilweise verflüssigt. Anschließend wird der Zwischendruck-Kreislaufstickstoffstrom über Leitung 47, den Unterkühlungs-Gegenströmer 16, und das Drosselventil 48 auf den Kopf der Drucksäule 8 aufgegeben.
Eine Leitung 44, die durch eine Passagengruppe des Hauptwärmetauschers 20 (”Zwischenpassage”) führt, wird in dem Ausführungsbeispiel als Pendelleitung betrieben.
In einer ersten Betriebsweise wird ein vierter Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms unter einem unteren Zwischendruck (P1-GAN) von der ersten Zwischenstufe des Kreislaufverdichters 22 abgezogen, in der Zwischendruckpassage des Hauptwärmetauschers abgekühlt und über die – in diesem Fall nach rechts durchströmte – Pendelleitung mit dem arbeitsleistend entspannten Turbinenstrom 42 stromaufwärts des ersten Kondensator-Verdampfers 10 vermischt. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn relativ wenig Kälte benötigt wird und deshalb der Turbinenstrom für die Kolonnenheizung nicht ausreicht.
Umgekehrt kann in einer zweiten Betriebsweise ein Teil des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms in der Pendelleitung nach links geführt, in der Zwischendruckpassage des Hauptwärmetauschers angewärmt und dem Kreislaufverdichter 22 stromaufwärts der zweiten Stufe 25 wieder zugeführt werden. Dies ist vor Allem dann vorteilhaft, wenn viel Kälte erzeugt wird und der Turbinenstrom damit zu groß für die Beheizung des ersten Kondensator-Verdampfers ist.
Das Verfahren von 2 unterscheidet sich dadurch von demjenigen der 1, dass die arbeitsleistende Entspannung 41 einen höheren Austrittsdruck aufweist. Dieser liegt auf einem Niveau von ca. 12 bar, das hier am Austritt der zweiten Stufe 25 des Kreislaufverdichters 22 anliegt (P2-GAN). Dieser Druck reicht aus, um den Sumpfverdampfer 209 der Drucksäule 8 mit dem Strom 230 zu betreiben, der hier den ”ersten Kondensator-Verdampfer” darstellt. Die Pendelleitung 244 befindet sich damit ebenfalls auf dem höheren Druckniveau (P2-GAN). Als Heizmittel für den Zwischenverdampfer 210 wird hier ein Teilstrom 246 des Kreislaufstickstoffstroms verwendet, der stromaufwärts der zweiten Stufe 25 des Kreislaufverdichters 22 abgezweigt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 weist die Drucksäule nur einen einzigen Kondensator-Verdampfer auf, den Sumpfverdampfer 209. Gegenüber 2 wurde der Zwischenverdampfer weggelassen. Dadurch kann auch der 322 eine Stufe weniger als in 2 aufweisen.
4 zeigt eine Abwandlung von 3. Hier wird nicht der Turbinenstrom (”dritter Teilstrom”) 440 durch den an die Turbine 41 gekoppelten Nachverdichter geschickt, sondern der ”erste Teilstrom” 434, der anschließend im Hauptwärmetauscher 20 zur (Pseudo-)Verdampfung des Sauerstoffprodukts eingesetzt wird. Sowohl der erste als auch der dritte Teilstrom stammen hier vom Austritt der Endstufe des Kreislaufverdichters 322 (Druckniveau P4-GAN).
Alternativ kann in den 1 bis 3 statt der Turbinen-Nachverdichter-Kombination 41/566 auch eine Generatorturbine eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5341647 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, S. 319–322 [0004]

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Drucksauerstoff und Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das mindestens eine Drucksäule (8) aufweist, wobei bei dem Verfahren – Einsatzluft in einem Luftverdichter (2) verdichtet wird, – die verdichtete Einsatzluft (3, 6) in einem Hauptwärmetauscher (20) abgekühlt und mindestens teilweise in die Drucksäule (8) eingeleitet wird, – ein flüssiger Sauerstoffstrom (11, 12) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (13), unter diesem erhöhten Druck in den Hauptwärmetauscher (20) eingeleitet, im Hauptwärmetauscher (20) verdampft oder pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt (14) gewonnen wird, – ein gasförmiger Kreislaufstickstoffstrom (18, 19) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung abgezogen wird und mindestens zum Teil (21) in einem Kreislaufverdichter (22) verdichtet wird, – ein erster Teilstrom des im Kreislaufverdichter (22) verdichteten Kreislaufstickstoffstroms (34, 435) in dem Hauptwärmetauscher (20) in indirekten Wärmeaustausch mit dem Sauerstoffstrom gebracht und anschließend entspannt (36, 38) wird, wobei der entspannte erste Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms (37) mindestens teilweise in flüssigem Zustand in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet wird, und bei dem – ein zweiter Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms stromabwärts des Kreislaufverdichters und/oder von einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters unter einem Produktdruck (P2, P3, P4) abgezweigt und als Druckstickstoffprodukt (27, 29, 53, 564, 565) gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Turbinenstrom (40), der durch einen dritten Teilstrom des im Kreislaufverdichter (22) verdichteten Kreislaufstickstoffstroms gebildet wird, arbeitsleistend entspannt (41) und mindestens teilweise in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigfraktion aus der Drucksäule unter dem Betriebsdruck der Drucksäule in einen ersten Kondensator-Verdampfer eingeleitet und dort in indirektem Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms mindestens teilweise verdampft wird, wobei der dabei erzeugte Dampf mindestens teilweise in die Drucksäule zurückgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigfraktion vom Sumpf der Drucksäule oder von einer Zwischenstelle der Drucksäule abgezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislaufverdichter mehrstufig ausgebildet ist und der dritte Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms unter einem oberen Zwischendruck (P3, P4) von einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters abgezogen und anschließend der arbeitsleistenden Entspannung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms unter einem hohen Druck (P4) aus dem Kreislaufverdichter abgezogen wird, der höher als der Zwischendruck (P3) ist, und anschließend in den Hauptwärmetauscher eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislaufverdichter mehrstufig ausgebildet ist und in einer ersten Betriebsweise ein vierter Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms unter einem unteren Zwischendruck (P1-GAN, P2-GAN) von einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters abgezogen, in einer Zwischendruckpassage des Hauptwärmetauschers abgekühlt und mit dem arbeitsleistend entspannten Turbinenstrom stromaufwärts des Kondensator-Verdampfers vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Betriebsweise ein Teil des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms in der Zwischendruckpassage des Hauptwärmetauschers angewärmt und dem Kreislaufverdichter an einer Zwischenstufe zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung außerdem eine Niederdrucksäule (460) aufweist, die über einen als Kondensator-Verdampfer ausgebildeten Hauptkondensator (461) mit der Drucksäule (8) in wärmetauschender Verbindung steht, – eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit (462, 464) aus der Drucksäule (8) entnommen und der Niederdrucksäule (460) an einer ersten Zwischenstelle zugeführt wird, – eine stickstoffangereicherte Flüssigkeit (468, 470) aus der Drucksäule (8) entnommen und auf den Kopf der Niederdrucksäule (460) aufgegeben wird und dass – der flüssige Sauerstoffstrom (411, 412) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (460) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenflüssigkeit (465, 467), deren Sauerstoffgehalt zwischen demjenigen der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit (462) und demjenigen der stickstoffangereicherten Flüssigkeit (468) liegt, aus der Drucksäule (8) entnommen und der Niederdrucksäule (460) an einer zweiten Zwischenstelle zugeführt wird, die oberhalb der ersten Zwischenstelle angeordnet ist, wobei die Zwischenflüssigkeit (465) insbesondere in Höhe des Zwischenverdampfers (10) der Drucksäule (8) entnommen wird.
Vorrichtung zur Gewinnung von Drucksauerstoff und Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit – einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das mindestens eine Drucksäule (8) aufweist, – einem Luftverdichter (2) zum Verdichten von Einsatzluft, – einem Hauptwärmetauscher (20) zum Abkühlen der verdichteten Einsatzluft (3, 6), – Mitteln zum Einleiten der abgekühlten Einsatzluft in die Drucksäule (8), – Mitteln zum Entnehmen eines flüssigen Sauerstoffstroms (11, 12, 411, 412) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, – Mitteln um den Sauerstoffstrom in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck zu bringen (13), unter diesem erhöhten Druck in den Hauptwärmetauscher (20) einzuleiten, im Hauptwärmetauscher (20) zu verdampfen oder pseudozuverdampfen und auf etwa Umgebungstemperatur anzuwärmen und schließlich als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt (14) abzuziehen, – Mitteln zum Abziehen eines gasförmigen Kreislaufstickstoffstroms (18, 19) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, – einem Kreislaufverdichter (22) zum Verdichten mindestens eines Teils (21) des Kreislaufstickstoffstroms, – Mitteln, um einen ersten Teilstrom des im Kreislaufverdichter (22) verdichteten Kreislaufstickstoffstroms (34, 435) in dem Hauptwärmetauscher (20) in indirekten Wärmeaustausch mit dem Sauerstoffstrom zu bringen und anschließend zu entspannen (36, 38), – Mitteln zum Einleiten des entspannten ersten Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms (37) mindestens teilweise in flüssigem Zustand in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und mit – Mitteln zum Abzweigen eines zweites Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms stromabwärts des Kreislaufverdichters und/oder von einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters unter einem Produktdruck (P2, P3, P4) und zum Abziehen als Druckstickstoffprodukt (27, 29, 53, 564, 565), gekennzeichnet durch – eine Entspannungsmaschine zur arbeitsleistenden Entspannung (41) eines Turbinenstroms (40), der durch einen dritten Teilstrom des im Kreislaufverdichter (22) verdichteten Kreislaufstickstoffstroms gebildet wird und durch – Mittel zum Einleiten des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung.
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen ersten Kondensator-Verdampfer zum Verdampfen einer Flüssigfraktion die Flüssigfraktion vom Sumpf der Drucksäule oder von einer Zwischenstelle der Drucksäule unter dem Betriebsdruck der Drucksäule in indirektem Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislaufverdichter mehrstufig ausgebildet ist und der dritte Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms von einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters abgezogen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass – das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung außerdem eine Niederdrucksäule (460) aufweist, die über einen als Kondensator-Verdampfer ausgebildeten Hauptkondensator (461) mit der Drucksäule (8) in wärmetauschender Verbindung steht, – eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit (462, 464) aus der Drucksäule (8) entnommen und der Niederdrucksäule (460) an einer ersten Zwischenstelle zugeführt wird, – eine stickstoffangereicherte Flüssigkeit (468, 470) aus der Drucksäule (8) entnommen und auf den Kopf der Niederdrucksäule (460) aufgegeben wird und dass – der flüssige Sauerstoffstrom (11, 12) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (460) entnommen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenflüssigkeit (465, 467), deren Sauerstoffgehalt zwischen demjenigen der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit (462) und demjenigen der stickstoffangereicherten Flüssigkeit (468) liegt, aus der Drucksäule (8) entnommen und der Niederdrucksäule (460) an einer zweiten Zwischenstelle zugeführt wird, die oberhalb der ersten Zwischenstelle angeordnet ist, wobei die Zwischenflüssigkeit (465) insbesondere in Höhe des Zwischenverdampfers (10) der Drucksäule (8) entnommen wird.