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WO2007104449A1 - Vefahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

Vefahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft Download PDF

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Publication number
WO2007104449A1
WO2007104449A1 PCT/EP2007/001917 EP2007001917W WO2007104449A1 WO 2007104449 A1 WO2007104449 A1 WO 2007104449A1 EP 2007001917 W EP2007001917 W EP 2007001917W WO 2007104449 A1 WO2007104449 A1 WO 2007104449A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
air
air flow
nitrogen
air stream
distillation column
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/001917
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Alekseev
Dietrich Rottmann
Florian Schliebitz
Dirk Schwenk
Original Assignee
Linde Aktiengesellschaft
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 Aktiengesellschaft filed Critical Linde Aktiengesellschaft
Priority to US12/282,606 priority Critical patent/US20090188280A1/en
Priority to CN2007800135967A priority patent/CN101421575B/zh
Priority to JP2008558680A priority patent/JP2009529648A/ja
Priority to EP07723062A priority patent/EP1994344A1/de
Publication of WO2007104449A1 publication Critical patent/WO2007104449A1/de

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    • F25J3/04296—Claude expansion, i.e. expanded into the main or high pressure column
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    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
    • F25J3/04303—Lachmann expansion, i.e. expanded into oxygen producing or low pressure column
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    • F25J3/04375—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc.
    • F25J3/04393—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc. using multiple or multistage gas work expansion
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    • F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/04—Multiple expansion turbines in parallel

Definitions

  • the invention relates to a method for the cryogenic separation of air according to the preamble of patent claim 1.
  • the distillation column system of the invention can be designed as a single-column system for nitrogen-oxygen separation, as a two-column system (for example as a classic Linde double column system), or as a three-column or multi-column system.
  • other devices may be provided to recover other air components, particularly noble gases, such as argon or krypton-xenon recovery.
  • the invention relates to a process in which at least one gaseous product is obtained by withdrawing a liquid product stream from the nitrogen-oxygen separation distillation column system, bringing it to an elevated pressure in the liquid state, and evaporating it under this increased pressure by indirect heat exchange or (at supercritical pressure) is pseudo-evaporated.
  • the invention has for its object to make such a method and a corresponding device economically particularly favorable.
  • both booster are operated with an inlet temperature which is higher than 250 K, in particular higher than 270 K.
  • Both booster compressors are therefore operated in warm conditions. This can be used well proven technology, for example, two identical turbine booster combinations.
  • the heat exchanger volume is relatively low and thus investment costs are saved.
  • the expansion machines are preferably designed as turbines. They have "substantially the same inlet pressure", that is to say their inlet pressures differ at most by different pressure losses in lines, heat exchanger passages or the like.
  • the inlet temperatures of the two expansion machines are the same or different and are at one or two intermediate levels between the hot and cold ends of the main heat exchanger.
  • the invention is applicable to methods with exactly two air streams and the subdivision of the second air stream into exactly two sub-streams.
  • one or more additional air streams and / or one or more additional partial streams can be used.
  • the two or more expansion machines of the invention may also be connected in parallel on the outlet side, that is to say have substantially the same outlet pressure and substantially the same outlet temperature.
  • the transmission of the mechanical energy from the working expansion is preferably effected by a direct mechanical coupling of a first of the two parallel relaxation machines with the first of the two serially connected booster and by a direct mechanical coupling of the second of the two expansion machines with the second of the two booster.
  • a first of the two partial streams is introduced downstream of its work-performing expansion in the high-pressure column.
  • the outlet pressure of the corresponding expansion turbine is approximately at the level of the operating pressure of the high pressure column.
  • the second of the two partial streams can then also be expanded to about high-pressure column pressure and, for example, introduced into the high-pressure column together with the first.
  • the second of the two partial streams of the second air stream is at least partially introduced into the low-pressure column. This makes it possible to choose the outlet pressure of the corresponding expansion turbine lower and to perform more work in the relaxation and thus more cold by the increased pressure ratio.
  • the first partial flow can at least partially in the high-pressure column and the second Partial flow at least partially into the medium-pressure column and / or the low-pressure column are introduced.
  • the first air stream upstream of the first post-compressor and the first air stream downstream of the second post-compressor are brought into indirect heat exchange.
  • the first air stream is heated before the first booster and cooled again after the second booster.
  • the first air flow occurs at a temperature in the main heat exchanger, which is lower than the temperature after the second booster or after the aftercooler.
  • this temperature difference is 1 to 10 K, preferably 2 to 5 K.
  • the product streams can be removed at lower temperature from the main heat exchanger, which has favorable effects for the pre-cooling of the air and for cooling the molecular sieve for air purification.
  • classic intermediate or aftercoolers are used which remove the compression occurring in the after-compressors by indirect heat exchange with an external coolant, for example with cooling water.
  • one or two aftercoolers can be used by only the first booster, only the second booster or both
  • After-compressor each have an aftercooler.
  • at least the first after-compressor has an aftercooler (intercooler).
  • the invention also relates to a device for the cryogenic separation of air according to claim 9.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention and Figure 2 shows a second embodiment with cold compressor.
  • atmospheric air is sucked as the main air flow via line 1 from an air compressor 2, there brought to a first pressure of 10 to 30 bar, preferably about 19 bar, cooled in a pre-cooling 3 to about ambient temperature and an adsorptive air cleaning. 4 fed.
  • the purified main air stream 5 is branched at 6 into a first air stream 7 and a second air stream 8.
  • the first air stream is heated in a booster heat exchanger 9 to about the cooling water temperature and further compressed in a first booster 10 to an intermediate pressure of 15 to 60 bar, preferably about 25 bar. Subsequently, the heat of compression is at least partially removed in a first aftercooler 11.
  • the first air stream 12 is then further compressed in a second booster 13 to a final pressure of 22 to 90 bar, preferably about 40 bar and then heated in a second aftercooler 14 and the booster heat exchanger 9 to slightly above the cooling water temperature. Under this final pressure, the first air stream 15 enters a main heat exchanger 16 and is cooled and liquefied there, or (at supercritical pressure) pseudo-liquefied.
  • the cold first air stream 17 is expanded to a pressure of 4 to 10 bar, preferably about 6 bar (in the example in a throttle valve 18) and under this pressure in at least partially liquid state via line 19 into the high-pressure column 21 of a distillation column system Nitrogen-oxygen separation 20 introduced, which also has a low-pressure column 22, a not shown condenser-evaporator and a supercooling countercurrent 23.
  • the second air stream 8 It is not recompressed, the second air stream 8. It is introduced under the first pressure in the main heat exchanger 16 and there cooled to an intermediate temperature of 125 to 200 K, preferably about 140 K. The second air stream is branched at this intermediate temperature into two partial streams 24, 27 and subjected to the work-performing expansion in two parallel-connected turbines 25, 28, which both relax to approximately the operating pressure of the high-pressure column 21. The two relaxed partial streams 26, 29 are reunited and introduced into the high-pressure column 21 via line 30 essentially in the gas state.
  • nitrogen for example from the main condenser or from the high-pressure column of the distillation column system for nitrogen-oxygen separation 20, can also be internally compressed in an analogous manner.
  • Post-compressor 10 and the second turbine 28 and the second booster 13 mechanically coupled in pairs via a common shaft.
  • the booster heat exchanger 9 and the aftercooler 14 are optional. They can be omitted individually or altogether.
  • Figure 2 shows an embodiment containing two modifications to the method of Figure 1, both of which are independently applicable.
  • the same or comparable method steps bear the same reference numerals as in FIG. 1.
  • the first modification relates to the outlet pressure of the second turbine 28. This relaxes here to 1, 2 to 4 bar, preferably about 1, 4 bar, that is about the operating pressure of the low pressure column 22. The relaxed lower part stream 129 is then blown into the low pressure column. The entry pressures of the two
  • Turbines 25, 28 are still the same, the inlet temperatures may be the same or different.
  • the second after-compressor 113 is designed as a cold compressor.
  • the first air flow 12a, 12b, 12c is therefore already below the Intermediate pressure introduced into the main heat exchanger 16 and removed at a second intermediate temperature of 120 to 180 K, preferably about 48 K again from the main heat exchanger 16.
  • This second intermediate temperature may be less than or equal to the inlet temperature of the turbines 25, 28, preferably it is - contrary to the representation in the drawing - higher.
  • the second air stream 115 is reintroduced into the main heat exchanger 16 at a third intermediate temperature which is higher than the turbine inlet temperature and 140 to 220 K, preferably about 180 K.
  • the second air flow upstream of the cold booster 1 13 can also be led to the cold end of the main heat exchanger 16 and thereby at least partially liquefied. He is then then slightly throttled, reintroduced into the cold end of the main heat exchanger, again vaporized and finally heated to the inlet temperature of the compressor 113, as explained in detail for example in EP 1067345 B1.

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20), das mindestens eine Trennsäule (21, 22) aufweist. Ein Hauptluftstrom (1, 5) wird in einem Luftverdichter (2) verdichtet und in einer Reinigungsvorrichtung (4) gereinigt. Ein erster und ein zweiter Luftstrom (7, 8) werden aus dem Hauptluftstrom (5) abgezweigt. Der erste Luftstrom (7) wird in zwei seriell verbundenen Nachverdichtern (10, 13) nachverdichtet. Der nachverdichtete erste Luftstrom (15) wird durch indirekten Wärmeaustausch (16) abgekühlt und mindestens teilweise verflüssigt oder pseudoverflüssigt und anschließend in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20) eingeleitet. Der zweite Luftstrom (8) wird durch indirekten Wärmeaustausch (16) abgekühlt und anschließend, in zwei Teilströme (24, 27) aufgeteilt, in zwei Entspannungsmaschinen (25, 28) arbeitsleistend entspannt, wobei die beiden Entspannungsmaschinen im Wesentlichen den gleichen Eintrittsdruck aufweisen. Die arbeitsleistend entspannten Teilströme (26, 29) des zweiten Luftstroms werden mindestens zum Teil in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20) eingeleitet (30, 129). Die bei der arbeitsleistenden Entspannung (25, 28) des zweiten Luftstroms erzeugte mechanische Energie wird mindestens teilweise zum Antrieb der beiden seriell verbundenen Nachverdichter (10, 13) genutzt. Ein flüssiger Produktstrom (31 ) wird aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (32) und unter diesem erhöhten Druck durch indirekten Wärmeaustausch (16) mit dem ersten Luftstrom (15) verdampft oder pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiger Produktstrom (34) abgezogen. Beide Nachverdichter (10, 13) werden mit einer Eintrittstemperatur betrieben, die höher als 250 K, insbesondere höher als 270 K ist.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlequnq von Luft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt. Das Destilliersäulen-System der Erfindung kann als Einsäulensystem zur Stickstoff- Sauerstoff-Trennung ausgebildet sein, als Zweisäulensystem (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehrsäulensystem. Zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung können weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen vorgesehen sein, beispielsweise eine Argon- oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren, in dem mindestens ein gasförmiges Druckprodukt gewonnen wird, indem ein flüssiger Produktstrom aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht und unter diesem erhöhten Druck durch indirektem Wärmeaustausch verdampft oder (bei überkritischem Druck) pseudo- verdampft wird. Derartige Innenverdichtungsverfahren sind zum Beispiel bekannt aus DE 830805, DE 901542 (= US 2712738/US 2784572), DE 952908, DE 1103363 (= US 3083544), DE 1112997 (= US 3214925), DE 1124529, DE 1117616 (= US 3280574), DE 1226616 (= US 3216206), DE 1229561 (= US 3222878), DE 1199293, DE 1 187248 (= US 3371496), DE 1235347, DE 1258882
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung wirtschaftlich besonders günstig zu gestalten.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass beide Nachverdichter mit einer Eintrittstemperatur betrieben werden, die höher als 250 K, insbesondere höher als 270 K ist.
Beide Nachverdichter werden also im Warmen betrieben. Hierdurch kann man wohl erprobte Technik einsetzen, zum Beispiel zwei identische Turbinen-Booster- Kombinationen. Außerdem wird das Wärmetauscher-Volumen relativ gering und damit werden Investitionskosten gespart.
Die Entspannungsmaschinen sind vorzugsweise als Turbinen ausgebildet. Sie weisen "im Wesentlichen denselben Einstrittsdruck" auf, das heißt ihre Eintrittsdrücke unterscheiden sich allenfalls durch verschiedene Druckverluste in Leitungen, Wärmetauscherpassagen oder Ähnlichem. Die Eintrittstemperaturen der beiden Entspannungsmaschinen sind gleich oder verschieden und liegen auf einem oder zwei Zwischenniveaus zwischen dem warmen und dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers.
Die Erfindung ist auf Verfahren mit genau zwei Luftströmen und der Unterteilung des zweiten Luftstroms in genau zwei Teilströme anwendbar. Alternativ können bei der Erfindung auch ein oder mehrere zusätzliche Luftströme und/oder ein oder mehrere zusätzliche Teilströme eingesetzt werden. Beispielsweise ist es möglich, drei oder mehr Entspannungsmaschinen einzusetzen. Diese können, müssen aber nicht, eintrittsseitig parallel geschaltet sein.
Die zwei oder mehr Entspannungsmaschinen der Erfindung können auch austrittsseitig parallel geschaltet sein, das heißt im Wesentlichen den gleichen Austrittsdruck und im Wesentlichen die gleiche Austrittstemperatur aufweisen. Alternativ dazu weisen mindestens zwei der eintrittsseitig parallel geschalteten Entspannungsmaschinen unterschiedliche Drücke auf.
Die Übertragung der mechanische Energie aus der arbeitsleistenden Entspannung wird vorzugsweise durch eine direkte mechanische Kopplung einer ersten der beiden parallel geschalteten Entspannungsmaschinen mit dem ersten der beiden seriell verbundenen Nachverdichter und durch eine direkte mechanische Kopplung der zweiten der beiden Entspannungsmaschinen mit dem zweiten der beiden Nachverdichter bewirkt.
Besonders günstig ist die Anwendung der Erfindung auf ein Zwei- oder Mehr-Säulen- System, das mindestens eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, wobei der Betriebsdruck der Niederdrucksäule niedriger als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule ist.
Vorzugsweise wird ein erster der beiden Teilströme stromabwärts seiner arbeitsleistenden Entspannung in die Hochdrucksäule eingeleitet. Der Austrittsdruck der entsprechenden Entspannungsturbine liegt dabei etwa auf dem Niveau des Betriebsdrucks der Hochdrucksäule.
Der zweite der beiden Teilströme kann dann ebenfalls auf etwa Hochdrucksäulendruck entspannt und beispielsweise gemeinsam mit den ersten in die Hochdrucksäule eingeleitet werden.
Alternativ dazu wird der zweite der beiden Teilströme des zweiten Luftstroms mindestens zum Teil in die Niederdrucksäule eingeleitet. Damit ist es möglich, den Austrittsdruck der entsprechenden Entspannungsturbine niedriger zu wählen und durch das erhöhte Druckverhältnis mehr Arbeit bei der Entspannung zu leisten und damit mehr Kälte zu erzeugen.
Bei einem Drei- oder Mehr-Säulen-System, wenn also das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eine Hochdrucksäule, eine Mitteldrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, die unter verschiedenen Drücken betrieben werden, kann der erste Teilstrom mindestens zum Teil in die Hochdrucksäule und der zweite Teilstrom mindestens zum Teil in die Mitteldrucksäule und/oder die Niederdrucksäule eingeleitet werden.
In vielen Fällen ist es günstig, wenn der erste Luftstrom stromaufwärts des ersten Nachverdichters und der erste Luftstrom stromabwärts des zweiten Nachverdichters in indirekten Wärmeaustausch gebracht werden. Hierbei wird der erste Luftstrom vor dem ersten Nachverdichter angewärmt und nach dem zweiten Nachverdichter wieder abgekühlt. Damit tritt der erste Luftstrom mit einer Temperatur in den Hauptwärmetauscher ein, die niedriger als die Temperatur nach dem zweiten Nachverdichter beziehungsweise nach dessen Nachkühler ist. Typischerweise beträgt diese Temperaturdifferenz 1 bis 10 K, vorzugsweise 2 bis 5 K. Damit können die Produktströme unter niedrigerer Temperatur aus dem Hauptwärmetauscher abgeführt werden, was günstige Auswirkungen für die Vorkühlung der Luft und für das Kühlen des Molekularsiebs für die Luftreinigung hat.
Alternativ oder zusätzlich werden klassische Zwischen- beziehungsweise Nachkühler eingesetzt, welche die in den Nachverdichtern anfallende Kompression durch indirekten Wärmeaustausch mit einem externen Kühlmittel, beispielsweise mit Kühlwasser, entfernen. Hierbei können ein oder zwei Nachkühler eingesetzt werden, indem nur der erste Nachverdichter, nur der zweite Nachverdichter oder beide
Nachverdichter je einen Nachkühler aufweisen. Grundsätzlich ist es auch möglich, auf Nachkühler und den oben beschriebenen indirekten Wärmeaustausch vollständig zu verzichten. In der Regel weist jedoch mindestens der erste Nachverdichter einen Nachkühler (Zwischenkühler) auf.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 9.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit Kaltverdichter. In dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 wird atmosphärische Luft als Hauptluftstrom über Leitung 1 von einem Luftverdichter 2 angesaugt, dort auf einen ersten Druck von 10 bis 30 bar, vorzugsweise etwa 19 bar gebracht, in einer Vorkühlung 3 auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt und einer adsorptiven Luftreinigung 4 zugeführt. Der gereinigte Hauptluftstrom 5 wird bei 6 in einen ersten Luftstrom 7 und einen zweiten Luftstrom 8 verzweigt.
Der erste Luftstrom wird in einem Booster-Wärmetauscher 9 auf etwa Kühlwassertemperatur angewärmt und in einem ersten Nachverdichter 10 weiter auf einen Zwischendruck von 15 bis 60 bar, vorzugsweise etwa 25 bar verdichtet. Anschließend wird die Verdichtungswärme mindestens teilweise in einem ersten Nachkühler 11 entfernt. Der erste Luftstrom 12 wird dann in einem zweiten Nachverdichter 13 noch weiter auf einen Enddruck von 22 bis 90 bar, vorzugsweise etwa 40 bar komprimiert und anschließend in einem zweiten Nachkühler 14 und dem Booster-Wärmetauscher 9 auf etwas über Kühlwassertemperatur angewärmt. Unter diesem Enddruck tritt der erste Luftstrom 15 in einen Hauptwärmetauscher 16 ein und wird dort abgekühlt und verflüssigt, beziehungsweise (bei überkritischem Druck) pseudo-verflüssigt. Der kalte erste Luftstrom 17 wird auf einen Druck von 4 bis 10 bar, vorzugsweise etwa 6 bar entspannt (in dem Beispiel in einem Drosselventil 18) und unter diesem Druck in mindestens teilweise flüssigem Zustand über Leitung 19 in die Hochdrucksäule 21 eines Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 20 eingeleitet, das außerdem eine Niederdrucksäule 22, einen nicht dargestellten Kondensator-Verdampfer und einen Unterkühlungs-Gegenströmer 23 aufweist.
Nicht nachverdichtet wird der zweite Luftstrom 8. Er wird unter dem ersten Druck in den Hauptwärmetauscher 16 eingeleitet und dort auf eine Zwischentemperatur von 125 bis 200 K, vorzugsweise etwa 140 K abgekühlt. Der zweite Luftstrom wird bei dieser Zwischentemperatur in zwei teilströme 24, 27 verzweigt und der arbeitsleistenden Entspannung in zwei parallel geschalteten Turbinen 25, 28 unterworfen, die beide auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule 21 entspannen. Die beiden entspannten Teilströme 26, 29 werden wieder vereinigt und über Leitung 30 im Wesentlichen im Gaszustand in die Hochdrucksäule 21 eingeleitet.
Aus der Niederdrucksäule 22 des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung 20 wird direkt oder über einen Flüssigtank Sauerstoff 31 als "flüssiger Produktstrom" abgezogen, durch eine Pumpe 32 in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck von 4 bis 70 bar, vorzugsweise etwa 40 bar gebracht. Unter diesem erhöhten Druck wird der flüssige beziehungsweise überkritische Sauerstoff 33 in dem Hauptwärmetauscher 16 durch indirektem Wärmeaustausch mit dem ersten Luftstrom verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Der Sauerstoff wird schließlich als gasförmiger Produktstrom 34 abgegeben. Aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 20 können ein oder mehrere weitere Produkt- oder Restströme 35 über den Hauptwärmetauscher abgezogen werden. Zusätzlich oder alternativ zu der in den Zeichnungen dargestellten Innenverdichtung von Sauerstoff kann auch Stickstoff, beispielsweise aus dem Hauptkondensator oder aus der Hochdrucksäule des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 20 auf analoge Weise innenverdichtet werden.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 sind die erste Turbine 25 und der erste
Nachverdichter 10 sowie die zweite Turbine 28 und der zweite Nachverdichter 13 über jeweils eine gemeinsame Welle paarweise mechanisch gekoppelt.
Der Booster-Wärmetauscher 9 und der Nachkühler 14 sind optional. Sie können einzeln oder insgesamt weggelassen werden.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das zwei Abwandlungen gegenüber dem Verfahren von Figur 1 enthält, die beide unabhängig voneinander anwendbar sind. Gleiche oder vergleichbare Verfahrensschritte tragen dieselben Bezugszeichen wie in Figur 1.
Die erste Abwandlung betrifft den Austrittsdruck der zweiten Turbine 28. Diese entspannt hier auf 1 ,2 bis 4 bar, vorzugsweise etwa 1 ,4 bar, also etwa den Betriebsdruck der Niederdrucksäule 22. Der entspannte Unterteilstrom 129 wird anschließend in die Niederdrucksäule eingeblasen. Die Eintrittsdrücke der beiden
Turbinen 25, 28 sind aber nach wie vor gleich, die Eintrittstemperaturen können gleich oder verschieden sein.
In einer zweiten Abwandlung ist der zweite Nachverdichter 113 als Kaltverdichter ausgebildet. Der erste Luftstrom 12a, 12b, 12c wird daher bereits unter dem Zwischendruck in den Hauptwärmetauscher 16 eingeführt und bei einer zweiten Zwischentemperatur von 120 bis 180 K, vorzugsweise etwa 48 K wieder aus dem Hauptwärmetauscher 16 entnommen. Diese zweite Zwischentemperatur kann kleiner oder gleich der Eintrittstemperatur der Turbinen 25, 28 sein, vorzugsweise ist sie - entgegen der Darstellung in der Zeichnung - höher. Stromabwärts der Kaltverdichtung 113 wird der zweite Luftstrom 115 bei einer dritten Zwischentemperatur, die höher als die Turbinen-Eintrittstemperatur ist und 140 bis 220 K, vorzugsweise etwa 180 K beträgt wieder in den Hauptwärmetauscher 16 eingeführt.
Abweichend von dem Ausführungsbeispiel in Figur 2 kann der zweite Luftstrom stromaufwärts des kalten Nachverdichters 1 13 auch bis zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 16 geführt und dabei mindestens teilweise verflüssigt werden: Er wird dann anschließend leicht abgedrosselt, wieder in das kalte Ende des Hauptwärmetauschers eingeführt, wieder verdampft und schließlich bis zur Eintrittstemperatur des Verdichters 113 angewärmt, wie es beispielsweise in EP 1067345 B1 im Einzelnen erläutert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20), das mindestens eine Trennsäule (21 , 22) aufweist, bei dem - ein Hauptluftstrom (1 , 5) in einem Luftverdichter (2) verdichtet und in einer
Reinigungsvorrichtung (4) gereinigt wird,
- ein erster und ein zweiter Luftstrom (7, 8) aus dem Hauptluftstrom (5) abgezweigt werden,
- der erste Luftstrom (7) in zwei seriell verbundenen Nachverdichtern (10, 13) nachverdichtet wird,
- der nachverdichtete erste Luftstrom (15) durch indirekten Wärmeaustausch (16) abgekühlt und mindestens teilweise verflüssigt oder pseudo-verflüssigt und anschließend in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20) eingeleitet wird, - der zweite Luftstrom (8) durch indirekten Wärmeaustausch (16) abgekühlt und anschließend, in zwei Teilströme (24, 27) aufgeteilt, in zwei Entspannungsmaschinen (25, 28) arbeitsleistend entspannt wird, wobei die beiden Entspannungsmaschinen im Wesentlichen den gleichen Eintrittsdruck aufweisen, - die arbeitsleistend entspannten Teilströme (26, 29) des zweiten Luftstroms mindestens zum Teil in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung (20) eingeleitet (30, 129) werden,
- die bei der arbeitsleistenden Entspannung (25, 28) des zweiten Luftstroms erzeugte mechanische Energie mindestens teilweise zum Antrieb der beiden seriell verbundenen Nachverdichter (10. 13) genutzt wird,
- ein flüssiger Produktstrom (31 ) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff- Sauerstoff-Trennung (20) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (32) und unter diesem erhöhten Druck durch indirekten Wärmeaustausch (16) mit dem ersten Luftstrom (15) verdampft oder pseudo- verdampft und schließlich als gasförmiger Produktstrom (34) abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass beide Nachverdichter (10, 13) mit einer
Eintrittstemperatur betrieben werden, die höher als 250 K, insbesondere höher als 270 K ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen- System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20) eine Hochdrucksäule (21) und eine Niederdrucksäule (22) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster (26) der beiden Teilströme des zweiten Luftstroms mindestens zum Teil in die Hochdrucksäule (21 ) eingeleitet (30) wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite (29) der beiden Teilströme des zweiten Luftstroms mindestens zum Teil in die
Hochdrucksäule (21 ) eingeleitet (30) wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite der beiden Teilströme des zweiten Luftstroms mindestens zum Teil in die Niederdrucksäule (22) eingeleitet (129) wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eine Hochdrucksäule, eine Mitteldrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, wobei der erste Teilstrom mindestens zum Teil in die Hochdrucksäule und der zweite Teilstrom mindestens zum Teil in die Mitteldrucksäule und/oder die Niederdrucksäule eingeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Luftstrom stromaufwärts des ersten Nachverdichters und der erste Luftstrom stromabwärts des zweiten Nachverdichters in indirekten Wärmeaustausch (9) miteinander gebracht werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nur der erste Nachverdichter, nur der zweite Nachverdichter oder beide
Nachverdichter je einen Nachkühler (11 , 14) aufweisen.
9. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20), das mindestens eine Trennsäule (21 , 22) aufweist, mit - einem Luftverdichter (2) zur Verdichtung eines Hauptluftstroms (1)
- Reinigungsvorrichtung (4) zur Reinigung des verdichteten Hauptluftstroms
- Mitteln zum Abzweigen eines ersten und eines zweiten Luftstroms (7, 8) aus dem Hauptluftstrom (5), - zwei seriell verbundenen Nachverdichtern (10, 13) zum Nachverdichten des ersten Luftstroms (7),
- Mitteln (16, 20) zum Abkühlen und Verflüssigen oder beziehungsweise Pseudo- Verflüssigen des nachverdichteten ersten Luftstroms (15) durch indirekten Wärmeaustausch und zu dessen Einleiten in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20),
- Mitteln (16) zum Abkühlen des zweiten Luftstrom (8) durch indirekten Wärmeaustausch (16) auf eine Zwischentemperatur
- zwei eintrittsseitig parallel geschalteten Entspannungsmaschinen (25, 28) zur arbeitsleistenden Entspannung des abgekühlten zweiten Luftstroms in zwei Teilströmen (24, 27),
- Mitteln (26, 29, 30, 129) zum Einleiten der arbeitsleistend entspannten Teilströme (26, 29) des zweiten Luftstroms in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20),
- Mitteln zur Übertragung der bei der arbeitsleistenden Entspannung (25, 28) des zweiten Luftstroms erzeugten mechanische Energie auf die beiden seriell verbundenen Nachverdichter (10. 13),
- Mittel (31 , 32, 33, 16, 34) zum Entnehmen eines flüssigen Produktstroms (31 ) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (20), zur Druckerhöhung des flüssigen Produktstroms im flüssigen Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (32), zum Verdampfen oder Pseudo-Verdampfen unter diesem erhöhten Druck durch indirektem Wärmeaustausch mit dem ersten Luftstrom (15) und zum Abziehen als gasförmiger Produktstrom (34), dadurch gekennzeichnet, dass beide Nachverdichter (10, 13) mit Mitteln zur Zufuhr des ersten Luftstroms unter einer Eintrittstemperatur, die höher als 250 K, insbesondere höher als 270 K ist, verbunden sind.
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