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Title:
METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING PURE NITROGEN AND PURE OXYGEN BY LOW-TEMPERATURE SEPARATION OF AIR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/108187
Kind Code:
A1
Abstract:
The method and device are used for obtaining pure nitrogen and oxygen by low-temperature separation of air. A distillation column system comprises a high-pressure column (20), a low-pressure column (21) and an argon column (22) as well as a high-pressure column top condenser (23), a low-pressure column bottom condenser (24) and an argon top condenser (25). The entire amount of air supplied is compressed to a first pressure in a main air compressor (1). A first sub-stream (10, 6, 15, 16) of the air that has been compressed to the first pressure is cooled in a main heat exchanger (26) and is fed (18) at least in part to the distillation column system. A second sub-stream (7) of the air that has been compressed to the first pressure is cooled in the main heat exchanger (26) and is then at least partially liquefied in the low-pressure column bottom evaporator (24). The at least partially liquefied second sub-stream (31, 33, 19) is introduced at least in part into the distillation column system. A liquid oxygen-enriched fraction (62, 86) is introduced (63, 64, 65) into the evaporation chamber of the high-pressure top condenser (23). An argon-containing oxygen stream (70) from an intermediate point in the low-pressure column (21) is introduced into the argon column (22). The second sub-stream (31) downstream of the low-pressure column bottom evaporator (24) is introduced at least in part into the argon top condenser (25) and is partially evaporated therein. The second sub-stream (33) downstream of the argon top condenser (25) is introduced at least in part into the high-pressure column (20) and/or into the low-pressure column (21).

Inventors:
WINDMEIER, Christoph (Marienburgweg 10, Geretsried, 82538, DE)
DOWY, Stefan (Jägerstr. 5, Rosenheim, 83024, DE)
OBERMEIER, Andreas (Buchgraben 5, Egmating, 85658, DE)
Application Number:
EP2016/002162
Publication Date:
June 29, 2017
Filing Date:
December 22, 2016
Export Citation:
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Assignee:
LINDE AKTIENGESELLSCHAFT (Klosterhofstr. 1, München, 80331, DE)
International Classes:
F25J3/04
Foreign References:
US4854954A1989-08-08
US4854954A1989-08-08
Other References:
"Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage", 1985, article "Kapitel 4", pages: 281 - 337
Attorney, Agent or Firm:
IMHOF, Dietmar (Linde AG Technology & Innovation Corporate Intellectual Property, Dr.-Carl-von-Linde-Str. 6-14, Pullach, 82049, DE)
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Claims:
Patentansprüche

Verfahren zur Erzeugung von reinem Stickstoff und Sauerstoff durch

Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System, das eine Hochdrucksäule (20) und eine Niederdrucksäule (21) aufweist sowie einen

Hochdrucksäulen-Kopfkondensator (23) und einen Niederdrucksäulen- Sumpfverdampfer (24, 424, 488, 524), die beide als Kondensator-Verdampfer ausgebildet sind, wobei

- die gesamte Einsatzluft in einem Hauptluftverdichter (1) auf einen ersten Druck verdichtet wird,

- ein erster Teilstrom (10, 6, 15, 16; 209, 246, 247) der auf den ersten Druck

verdichteten Luft in einem Hauptwärmetauscher (26) abgekühlt und mindestens teilweise dem Destillationssäulen-System zugeführt (18; 249) wird,

- ein zweiter Teilstrom (7) der auf den ersten Druck verdichteten Luft in dem

Hauptwärmetauscher (26) abgekühlt und anschließend in dem

Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (24, 424, 488, 524) mindestens teilweise verflüssigt wird,

- der mindestens teilweise verflüssigte zweite Teilstrom (31 , 33, 19) mindestens zum Teil in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird,

- eine flüssige sauerstoffangereicherte Fraktion (62, 86) in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators (23) eingeleitet (63, 64, 65) wird,

- das Destillationssäulen-System außerdem eine Argonsäule (22) mit Argon-

Kopfkondensator (25) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und

- ein argonhaltiger Sauerstoffstrom (70) von einer Zwischenstelle der

Niederdrucksäule (21 ) abgezogen und in die Argonsäule (22) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass

- der zweite Teilstrom (31) stromabwärts des Niederdrucksäulen-

Sumpfverdampfers (24, 424, 488, 524) mindestens teilweise in den Argon- Kopfkondensator (25) eingeleitet und dort teilweise verdampft wird und

- der zweite Teilstrom (33) stromabwärts des Argon-Kopfkondensators (25)

mindestens teilweise in die Hochdrucksäule (20) und/oder in die

Niederdrucksäule (21) eingeleitet wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom (16; 247) stromaufwärts seiner Einleitung in die Hochdrucksäule (20)

beziehungsweise in die Niederdrucksäule (21 ) in einer ersten

Entspannungsmaschine (17; 248) arbeitsleistend entspannt wird.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom stromaufwärts seiner arbeitsleistenden Entspannung auf einen zweiten Druck nachverdichtet (1 1 , 13; 244) wird, der höher als der erste Druck ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

- eine flüssige Fraktion (58; 78) aus dem Destillationssäulen-System in flüssigem

Zustand auf einen erhöhten Produktdruck gebracht (59, 79), unter diesem erhöhten Produktdruck in dem Hauptwärmetauscher (26) angewärmt und schließlich als gasförmiges Druckprodukt (GAN-IC; GOX-IC) abgezogen wird,

- ein dritter Teilstrom (10, 8) der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft auf einen dritten Druck nachverdichtet (1 1 , 34) wird, der höher als der erste Druck und insbesondere höher als der zweite Druck ist, und in dem

Hauptwärmetauscher (26) abgekühlt wird und

- der abgekühlte dritte Teilstrom (37) entspannt (38, 938) und in die

Hochdrucksäule (20) und/oder die Niederdrucksäule (21 ) eingeleitet (40, 41 , 43) wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

- die flüssige Fraktion durch einen flüssigen Sauerstoffstrom (78) aus der

Niederdrucksäule (21) oder aus dem Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (24, 424, 488, 524) gebildet wird,

- die flüssige Fraktion durch einen flüssigen Stickstoffstrom (58) aus der

Hochdrucksäule (20) oder aus dem Hochdrucksäulen-Kopfkondensator (23; 323) gebildet wird oder

- eine erste flüssige Fraktion durch einen ein flüssigen Sauerstoffstrom (78) aus der Niederdrucksäule (21 ) oder aus dem Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (24, 424, 488, 524) und eine zweite flüssige Fraktion durch einen flüssigen Stickstoffstrom (58) aus der Hochdrucksäule (20) oder aus dem

Hochdrucksäulen-Kopfkondensator (23; 323) gebildet werden. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teilstrom (37) stromabwärts des Hauptwärmetauschers (26) in einem

Flüssigkeitsexpander (38, 938) arbeitsleistend entspannt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Teilstrom (9) der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft in einer zweiten Entspannungsmaschine (48) arbeitsleistend entspannt und anschließend in die Niederdrucksäule (21) eingeleitet (49) wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige sauerstoffangereicherte Fraktion (63, 65), die in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators (23) eingeleitet wird, durch

Sumpfflüssigkeit (62) der Hochdrucksäule (20) und/oder aus der verbleibenden Flüssigkeit 86 aus dem Verdampfungsraum des Argon-Kopfkondensators 25 gebildet wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige sauerstoffangereicherte Fraktion, die in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators (323) eingeleitet wird, durch eine

Zwischenflüssigkeit der Niederdrucksäule (21 ) gebildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Niederdrucksäule (21) einen Zwischenverdampfer (488) aufweist, der als

Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, und

- mindestens ein Teil des zweiten Teilstroms (489) stromabwärts des

Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers (424) und stromaufwärts des Argon- Kopfkondensators (25) in den Verflüssigungsraum des Zwischenverdampfers (488) eingeleitet wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers (524) als

Dephlegmator ausgebildet ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3 bis 1 1 rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsmaschine durch zwei seriell verbundene Turbinen (617a, 617b) gebildet wird und insbesondere der erste Teilstrom (618, 616) zwischen den beiden Turbinen (617a, 617b) in den

Hauptwärmetauscher (26) eingeleitet und dort abgekühlt oder angewärmt wird. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Turbinen (617a, 617b) durch eine der folgenden Methoden gebremst werden:

- je einen Nachverdichter (613a, 613b), wobei die beiden Nachverdichter seriell verbunden sind,

- einen gemeinsamen Nachverdichter (813), der mit beiden Turbinen (617a, 617b) mechanisch gekoppelt ist,

- je einen elektrischen Generator.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7 bis 12 rückbezogen auf Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teilstrom (37) stromabwärts des Hauptwärmetauschers (26) und stromaufwärts des Flüssigkeitsexpanders (938) in einem Unterkühlungs-Gegenströmer (42) abgekühlt wird.

Vorrichtung zur Erzeugung von reinem Stickstoff und Sauerstoff durch

Tieftemperaturzerlegung von Luft mit

- einem Destillationssäulen-System, das eine Hochdrucksäule (20) und eine

Niederdrucksäule (21) aufweist sowie einen Hochdrucksäulen-Kopfkondensator (23) und einen Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (24, 424, 488, 524), die beide als Kondensator-Verdampfer ausgebildet sind,

- einem Hauptluftverdichter (1) zum Verdichtern der gesamten Einsatzluft auf einen ersten Druck,

- einem Hauptwärmetauscher (26) zum Abkühlen von Einsatzluft,

- Mitteln zum Zuführen (18; 249) eines im Hauptwärmetauscher (26) abgekühlten ersten Teilstroms (10, 6, 15, 16; 209, 246, 247) der auf den ersten Druck verdichteten Luft zu dem Destillationssäulen-System,

- Mitteln zum Zuführen eines in dem Hauptwärmetauscher (26) abgekühlten zweiten Teilstroms (7) der auf den ersten Druck verdichteten Luft in den Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers (24, 424, 488, 524), - Mitteln zum Einleiten des Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-

Sumpfverdampfers (24, 424, 488, 524) verflüssigten zweiten Teilstroms (31 , 33, 19) in das Destillationssäulen-System und mit

- Mitteln zum Einleiten (63, 64, 65) einer flüssigen sauerstoffangereicherten

Fraktion (62, 86) in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen- Kopfkondensators (23),

- wobei das Destillationssäulen-System außerdem eine Argonsäule (22) mit Argon-

Kopfkondensator (25)

- sowie Mittel zum Einleiten eines argonhaltigen Sauerstoffstroms (70) von einer

Zwischenstelle der Niederdrucksäule (21) in die Argonsäule (22) aufweist , gekennzeichnet durch

- Mittel zum Einleiten des zweiten Teilstroms (31) stromabwärts des

Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers (24, 424, 488, 524) in den

Verdampfungsraum des Argon-Kopfkondensators (25) und

- Mittel zum Einleiten des zweiten Teilstroms (33) stromabwärts des Argon- ' Kopfkondensators (25) in die Hochdrucksäule (20) und/oder in die

Niederdrucksäule (21).

Description:
Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von reinem Stickstoff und reinem Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von reinem Stickstoff und Sauerstoff durch 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 Destillationssäulen-System kann als Zwei-Säulen-System (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem) ausgebildet sein, oder auch als Drei- oder Mehr-Säulen-System. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung hochreiner Produkte und/oder anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung und/oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.

Unter einer "Argonausschleussäule" wird hier eine Trennsäule zur Argon-Sauerstoff- Trennung verstanden, die nicht zur Gewinnung eines reinen Argonprodukts, sondern zur Ausschleusung von Argon aus der Luft dient, die in Hochdrucksäule und

Niederdrucksäule zerlegt wird. Ihre Schaltung unterscheidet sich nur wenig von der einer klassischen Rohargonsäule, die im Allgemeinen 70 bis 180 theoretische Böden aufweist; allerdings enthält sie deutlich weniger theoretische Böden, nämlich weniger als 40, insbesondere zwischen 15 und 30. Wie bei einer Rohargonsäule ist der Sumpfbereich einer Argonausschleussäule mit einer Zwischenstelle der

Niederdrucksäule verbunden, und die Argonausschleussäule wird durch einen

Kopfkondensator gekühlt, auf dessen Verdampfungsseite entspannte Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule oder ein ähnliches Kühlmittel eingeleitet wird; eine

Argonausschleussäule weist in der Regel keinen Sumpfverdampfer auf.

Das Wort "Argonsäule" wird hier als Oberbegriff für Argonausschleussäulen, vollwertige Rohargonsäulen und alle Übergänge dazwischen verwendet. Ein "Hauptwärmetauscher" dient zur Abkühlung von Einsatzluft in indirektem

Wärmeaustausch mit Rückströmen aus dem Destillationssäulen-System. Er kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell geschalteten und funktionell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken.

Als "Kondensator-Verdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensator-Verdampfer weist einen

Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf, die aus

Verflüssigungspassagen beziehungsweise Verdampfungspassagen bestehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen. Der

Verdampfungsraum eines Kondensator-Verdampfers kann als Badverdampfer, Fallfilmverdampfer oder Forced-Flow-Verdampfer ausgebildet sein. Ein einschlägiges Verfahren ist aus Petras/Mostello, Experience with supplying oxygen to an IGCC power plant and evaluation of alternative supply arrangements for future coal gasification facilities, 6th EPRI Coal Gasification Contractors Conference, October 1986, Abbildung 6-6 bekannt. Es dient zur Erzeugung von 96 %-igem Sauerstoff als Hauptprodukt.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung sind aus US 4854954 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen Verfahren sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff mit hoher Reinheit zu gewinnen, das heißt mit einer

Reinheit von mindestens 99 mol-%, vorzugsweise mehr als 99,99 mol-% bei Stickstoff und mit einer Reinheit von mindestens 96 mol-%, vorzugsweise mehr als 99,5 mol-% bei Sauerstoff. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Argonsäulen werden im Allgemeinen mit sauerstoffangereicherter Flüssigkeit aus der Hochdrucksäule gekühlt (siehe zum Beispiel Abbildung 6-9, 6-11 und 6-12 in dem oben genannten Artikel von Petras/Mostello. Systeme gemäß dem Oberbegriff, bei denen die Kühlkapazität der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit aus der Hochdrucksäule schon zur Kopfkühlung der Hochdrucksäule verbraucht wird, werden daher bisher grundsätzlich nicht mit einer Argonsäule versehen. Im Rahmen der Erfindung hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass in dem Niederdrucksäulen- Sumpfverdampfer so viel Luft kondensiert werden kann, dass sie als Kühlmittel für den Kopfkondensator einer Argonsäule ausreicht. Auf diese Weise kann im Rahmen der Erfindung die Kondensatorkonfiguration an Hochdrucksäule und Niederdrucksäule gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorteilhaft mit einer Argonsäule kombiniert werden. Dadurch kann das in der Einsatzluft enthaltene Argon ausgeschleust und gegebenenfalls als Produkt gewonnen werden. Durch die Ausschleusung des Argons können bei der Erfindung sowohl der Stickstoff als auch der Sauerstoff als reine Produkte erzeugt werden:

Es ist vorteilhaft, wenn der erste Teilstrom der Einsatzluft stromaufwärts seiner Einleitung in die Hochdrucksäule beziehungsweise in die Niederdrucksäule in einer ersten Entspannungsmaschine arbeitsleistend entspannt wird. Dazu wird eine

Mitteldruckdruckturbine oder eine Einblaseturbine eingesetzt. In einer speziellen Ausgestaltung können auch sowohl eine Mitteldruckdruckturbine als auch eine

Einblaseturbine vorgesehen sein, die dann mit verschiedenen Teilen der Einsatzluft betrieben werden (Zwei-Turbinen-Verfahren).

Vorzugsweise wird der erste Teilstrom stromaufwärts seiner arbeitsleistenden

Entspannung auf einen zweiten Druck nachverdichtet, der höher als der erste Druck ist. Dazu kann ein mit externer Energie angetriebener Nachverdichter und/oder ein von einer Turbine angetriebener Nachverdichter verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit einer Innenverdichtung betrieben werden. Bei der Innenverdichtung wird allgemein ein flüssig auf Druck gebrachter Produktstrom gegen einen Wärmeträger verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen. Für den Fall eines überkritischen Drucks findet kein

Phasenübergang im eigentlichen Sinne statt, der Produktstrom wird dann "pseudo- verdampft". Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird eine flüssige Fraktion aus dem Destillationssäulen-System in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Produktdruck gebracht, unter diesem erhöhten Produktdruck in dem Hauptwärmetauscher angewärmt und schließlich als gasförmiges Druckprodukt abgezogen; ein dritter Teilstrom der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft wird als Wärmeträger auf einen dritten Druck nachverdichtet, der höher als der erste Druck und insbesondere höher als der zweite Druck ist, und anschließend in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt; der abgekühlte dritte Teilstrom wird entspannt und in die Hochdrucksäule und/oder die Niederdrucksäule eingeleitet. Der dritte Teilstrom wird in dem

Hauptwärmetauscher verflüssigt (oder - bei überkritischem Druck - pseudo-verflüssigt) und tritt im Wesentlichen in flüssigem Zustand in die Trennsäule(n) ein.

Die flüssige Fraktion, aus der das innenverdichtete Produkt gewonnen wird, kann gemäß Patentanspruch 5 entweder durch Sauerstoff aus der Niederdrucksäule oder durch Stickstoff aus Hochdrucksäule gebildet werden; ferner ist es möglich, beide Fraktionen gleichzeitig als innenverdichtete Produkte zu erzeugen.

Der (pseudo-)verflüssigte dritte Teilstrom der Einsatzluft aus dem Hauptwärmetauscher wird vorzugsweise in einem Flüssigkeitsexpander (dense liquid expander)

arbeitsleistend entspannt, bevor dieser in die Trennsäule(n) eingespeist wird.

Wie bereits erwähnt kann zusätzlich zu einer Mitteldruckturbine ein vierter Teilstrom der Einsatzluft in einer zweiten Entspannungsmaschine, die als Einblaseturbine ausgebildet ist, arbeitsleistend entspannt und anschließend in die Niederdrucksäule eingeleitet werden. Hierdurch kann ein relativ großer Anteil der Produkte in flüssiger Form abgeführt werden.

Die flüssige sauerstoffangereicherte Fraktion, die in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators eingeleitet wird, kann grundsätzlich von einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule stammen. In einer ersten Variante wird sie durch mindestens einen Teil der Sumpfflüssigkeit der Hochdrucksäule gebildet. In diesem Fall ist der Hochdrucksäulen-Kopfkondensator vorzugsweise am Kopf der

Hochdrucksäule angeordnet. In einer zweiten Variante wird abweichend davon die flüssige sauerstoffangereicherte Fraktion für den Hochdrucksäulen-Kopfkondensator durch eine Zwischenflüssigkeit der Niederdrucksäule gebildet. In diesem Fall kann der Hochdrucksäulen-Kopfkondensator im Inneren der Niederdrucksäule, separat von Niederdrucksäule und Hochdrucksäule oder am Kopf der Hochdrucksäule angeordnet sein.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 15. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen einzelner, mehrerer oder aller abhängigen Verfahrensansprüche entsprechen.

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, das als Zwei-Turbinen- Verfahren ausgebildet ist,

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das als Ein-Turbinen- Verfahren gestaltet ist,

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der

Hochdrucksäulen-Kopfkondensator in die Niederdrucksäule eingebaut ist,

Figur 4 ein erfindungsgemäßes System mit einen zusätzlichen

Zwischenverdampfer in der Niederdrucksäule,

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Niederdrucksäulen- Sumpfverdampfer als Dephlegmator ausgeführt ist,

Figur 6 eine abweichende Turbinenkonfiguration der Erfindung mit zwei seriellen

Turbinen und Zwischenabkühlung,

Figur 7 eine andere Turbinenkonfiguration der Erfindung mit zwei seriellen

Turbinen und Zwischenanwärmung,

Figur 8 eine spezielle Maschinenkonfiguration der Erfindung, bei der beide

Turbinen und ein einziger Nachverdichter auf einer gemeinsamen Welle sitzen, und

Figur 9 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer speziellen Anordnung eines Flüssigkeitsexpanders. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 wird atmosphärische Luft (AIR) in einem Hauptluftverdichter 1 mit Zwischen- und Nachkühlung 2 auf einen ersten Druck von beispielsweise 4,3 bis 5,0 bar, vorzugsweise 4,5 bis 4,7 bar verdichtet. Die verdichtete Luft wird in einer Vorkühlung 3, beispielsweise einem Direktkontaktkühler, weiter gekühlt und einer Reinigungsvorrichtung 4 zugeführt, die durch ein Paar von

Molekularsieb-Adsorbern gebildet wird.

Die gereinigte Einsatzluft 5 unter dem ersten Druck wird in dem Beispiel in einen ersten Teilstrom 6, einen zweiten Teilstrom 7, einen dritten Teilstrom 8 und einen vierten Teilstrom 9 verzweigt. Der erste Teilstrom 6 und der dritte Teilstrom 8 werden gemeinsam (Strom 10) in einem ersten Nachverdichter 1 1 mit Nachkühler 12 auf einen Zwischendruck von beispielsweise 4,3 bis 8,0 bar, vorzugweise 4,5 bis 6,0 bar nachverdichtet und unter diesem Zwischendruck voneinander abgezweigt. Der erste Teilstrom 6 wird unter dem Zwischendruck in einem zweiten Nachverdichter 13 mit Nachkühler 14 weiter auf einen zweiten Druck von beispielsweise 4,5 bis 9,0 bar, vorzugweise 4,7 bis 7,0 bar verdichtet. Der erste Teilstrom 15 wird dann unter " dem zweiten Druck dem Hauptwärmetauscher 26 am warmen Ende zugeführt und dort auf eine erste Zwischentemperatur abgekühlt. Unter der ersten Zwischentemperatur wird der erste Teilstrom 16 einer Entspannungsmaschine 17 zugeleitet und darin arbeitsleistend auf etwa den Betriebsdruck einer Hochdrucksäule (siehe unten) entspannt. Die Entspannungsmaschine ist wie alle Entspannungsmaschinen in den Ausführungsbeispielen als Turboexpander ausgeführt. Die Entspannungsmaschine 17 wird auch als Mitteldruckturbine bezeichnet und treibt über eine gemeinsame Welle den zweiten Nachverdichter 13 an. Der arbeitsleistend entspannte erste Teilstrom 8 wird über Leitung 19 der Hochdrucksäule 20 zugeführt, und zwar unmittelbar über dem Sumpf.

Die Hochdrucksäule 20 ist Teil eines Destillationssäulen-Systems, das außerdem eine Niederdrucksäule 21 , eine Argonsäule 22 und die dazugehörigen Kondensator- Verdampfer aufweist, nämlich einen Hochdrucksäulen-Kopfkondensator 23, einen Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer 24 und einen Argon-Kopfkondensator 25.

Der zweite Teilstrom wird unter dem ersten Druck in dem Hauptwärmetauscher 26 abgekühlt und gegebenenfalls teilweise verflüssigt und am kalten Ende des Hauptwärmetauschers 26 entnommen. Der Dampfanteil in dem abgekühlten zweiten Teilstrom 30 beträgt mehr als 70 mol-%, vorzugsweise mehr als 98 mol-%. Der abgekühlte und hauptsächlich gasförmige zweite Teilstrom 30 wird in den

Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers 24 eingeleitet. Dort strömt er; vorzugsweise von oben nach unten, durch den Verflüssigungsraum und wird dabei mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig oder fast vollständig verflüssigt im indirekten Wärmeaustausch mit der teilweise verdampfenden Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule 21. Der Dampfanteil beim Austritt aus dem Niederdrucksäulen- Sumpfverdampfer 24 beträgt weniger als 10 mol-%; vorzugsweise ist der zweite Teilstrom an dieser Stelle vollständig flüssig, aber nicht unterkühlt. Der flüssige zweite Teilstrom 31 wird anschließend in den Verdampfungsraum des Argon- Kopfkondensators 25 geleitet und vorher in einer Entspannungsvorrichtung 32

(beispielsweise einem Ventil) auf den geeigneten Druck entspannt. Der im

Kondensator 25 verdampfte Anteil 33 des zweiten Teilstroms wird über Leitung 19 in die Hochdrucksäule 20 eingespeist. Die verbleibende Flüssigkeit 86 aus dem

Verdampfungsraum des Argon-Kopfkondensators 25 (der hier als Trennstufe wirkt) wird mit der Sumpfflüssigkeit 62 der Hochdrucksäule 20 vermischt.

Der dritte Teilstrom 8 wird von dem Zwischendruck aus in einem dritten Nachverdichter 34 mit Nachkühler 35 weiter auf einen dritten Druck verdichtet, der höher als der zweite Druck ist. Die Hochdruckluft 36 wird im Hauptwärmetauscher 26 abgekühlt und verflüssigt oder (falls der Druck überkritisch ist) pseudo-verflüssigt. Die flüssige oder überkritische kalte Luft wird in einem Flüssigkeitsexpander (dense liquid expander) 38 auf etwa 7,0 bar, im niedrigsten Fall auf etwa Hochdrucksäulendruck arbeitsleistend entspannt. Alternativ kann die Entspannung der flüssigen oder überkritischen kalten Luft in einem Joule-Thomson-Ventil in der Leitung 138 geschehen. Die entspannte flüssige Luft 39 wird zu einem ersten Teil 40 der Hochdrucksäule 20 an einer

Zwischenstelle zugeleitet. Ein zweiter Teil 41 wird in einem Unterkühlungs- Gegenströmer 42 abgekühlt und nach entsprechender Entspannung 43 in die

Niederdrucksäule 21 eingespeist.

Der vierte Teilstrom 9 wird in einem dritten Nachverdichter 44 mit Nachkühler 45 von dem ersten Druck aus weiter auf etwa 5,0 bis 7,0 bar verdichtet. Der nachverdichtete vierte Teilstrom 46 wird dem Hauptwärmetauscher 26 am warmen Ende zugeführt und dort auf eine zweite Zwischentemperatur abgekühlt, die gleich oder verschieden von der ersten Zwischentemperatur sein kann. Unter der zweiten Zwischentemperatur wird der abgekühlte vierte Teilstrom 47 einer Entspannungsmaschine 48 zugeleitet und darin arbeitsleistend auf etwa den Betriebsdruck einer Hochdrucksäule (siehe unten) entspannt. Auch diese Entspannungsmaschine ist als Turboexpander ausgeführt. Sie wird auch als Einblaseturbine bezeichnet und treibt über eine gemeinsame Welle den dritten Nachverdichter 44 an. Der arbeitsleistend entspannte vierte Teilstrom 49 wird der Niederdrucksäule 21 an einer Zwischenstelle zugeführt. Die zweite

Zwischentemperatur wird vorzugsweise so gewählt, dass sich der thermodynamische Zustand des Teilstroms 49 maximal 10 K oberhalb des seines Taupunkts und minimal bei 10 % molarem Flüssigkeitsanteil einstellt.

Vom Kopf der Hochdrucksäule 20 wird gasförmiger Kopf stickst off 50 abgezogen und zu einem ersten Teil 51 im Hochdrucksäulen-Kopfkondensator 23 im Wesentlichen vollständig kondensiert. Der dabei gewonnene flüssige Stickstoff 52 wird zu einem ersten Teil 53 als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 20 aufgegeben. Ein zweiter Teil 56 wird als Rücklauf in der Niederdrucksäule 21 verwendet; ein dritter Teil 57 kann bei Bedarf als Flüssigprodukt (LIN) abgezogen werden. Dieses Stickstoffprodukt weist eine Reinheit von weniger als 1000 ppm Sauerstoff auf, vorzugsweise weniger als 10 ppm Sauerstoff. Der zweite und der dritte Teil des flüssigen Stickstoffs 52 werden

gemeinsam zum Unterkühlungs-Gegenströmer 42 geführt (54), dort abgekühlt und anschließend in einem Ventil 55 auf Niederdrucksäulendruck entspannt. Ein vierter Teil 58 wird einer Innenverdichtung zugeführt. Er wird in einer Pumpe 59 in flüssigem Zustand auf einen erhöhten ersten Produktdruck von typischerweise mehr als 6 bar gebracht. Der Hochdruck-Stickstoff 60 wird unter diesem erhöhten ersten Produktdruck in dem Hauptwärmetauscher 26 angewärmt und schließlich als gasförmiges

Druckprodukt (GAN-IC) abgezogen. Ein zweiter Teil des gasförmigen Kopfstickstoffs 50 der Hochdrucksäule 20 wird im Hauptwärmetauscher 26 angewärmt und als gasförmiges Mitteldruckproduckt (PGAN) gewonnen. Die flüssige sauerstoffangereicherte Fraktion 62 aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 20 wird zusammen mit dem flüssigen sauerstoffangereicherten Strom 86 aus dem Verdampfungsraum des Argon-Kopfkondensators 25 über Leitung 63 zum

Unterkühlungs-Gegenströmer 42 geführt, dort abgekühlt, in einer

Entspannungsvorrichtung 64 (beispielsweise einem Ventil) auf etwa

Niederdrucksäulendruck gedrosselt und zu einem ersten Teil 65 in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators 23 eingeleitet. Der Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators 23 ist in dem Beispiel als Badverdampfer ausgebildet. Der Rest 66 strömt über Leitung 67 direkt in die

Niederdrucksäule 21. Die in dem Hochdrucksäulen-Kopfkondensator 23 verdampfte sauerstoffangereicherte Fraktion 68 wird der Niederdrucksäule 21 zugeführt (69).

Spülflüssigkeit beziehungsweise nicht verdampfte sauerstoffangereicherte Flüssigkeit 69 wird über Leitung 67 an anderer Stelle in die Niederdrucksäule 21 eingeleitet.

Über die Leitungen 70 und 71 und die optionale Pumpe 72 kommuniziert die

Niederdrucksäule 21 an einer Zwischenstelle mit dem Sumpf der Argonsäule 22, die hier bevorzugt als Argonausschleussäule ausgebildet ist. Insbesondere wird ein argonhaltiger Sauerstoffstrom 70 von einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule 21 abgezogen und in die Argonsäule 22 eingeleitet. Das Kopfgas 73 enthält mehr als 50 mol-%, vorzugsweise mehr als 70 mol-% Argon. Es wird in den Verflüssigungsraum des Argon-Kopfkondensators 25 eingeleitet und dort fast vollständig kondensiert. Das Kondensat 74 wird als Rücklauf in die Argonsäule 22 zurückgeleitet. Das verbleibende Gas (CGA = Crude Gaseous Argon) wird als Reststrom abgezogen. Es kann im

Anschluss entweder direkt oder nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher 26 verworfen werden oder einem nachgeschalteten Trennschritt zugeführt werden. Die Rücklaufflüssigkeit, die im Sumpf der Argonsäule 22 ankommt wird, optional mittels der Pumpe 72, über Leitung 71 zurück in die Niederdrucksäule 21 geleitet.

Vom Sumpf der Niederdrucksäule 21 , oder genauer aus dem Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers wird flüssiger Sauerstoff 76 abgezogen und zu einem ersten Teil 77 bei Bedarf als Flüssigprodukt (LOX) gewonnen. Der Rest 78 wird einer Innenverdichtung zugeführt. Er wird in einer Pumpe 79 in flüssigem Zustand auf einen erhöhten zweiten Produktdruck von typischerweise 6 bis 30 bar gebracht. Der flüssige oder überkritische Hochdruck-Sauerstoff 80 wird unter diesem erhöhten zweiten Produktdruck in dem Hauptwärmetauscher 26 angewärmt und schließlich als gasförmiges Druckprodukt (GOX-IC) abgezogen. Die Reinheit des flüssigen

Sauerstoffs aus dem Niederdrucksäulensumpf beträgt mehr als 98 mol-%,

vorzugsweise mehr als 99,5 mol-%.

Vom Kopf der Niederdrucksäule wird gasförmiger Stickstoff 81 abgezogen, in dem Unterkühlungs-Gegenströmer 42 und weiter im Hauptwärmetauscher 26 angewärmt und als druckloses Stickstoffprodukt (GAN) gewonnen. Von einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule 21 wird gasförmiger Unreinstickstoff 82 abgezogen und ebenfalls im Unterkühlungs-Gegenströmer 42 und im Hauptwärmetauscher 26 angewärmt. Der warme Unreinstickstoff (UN2) 83 kann zu einem Teil 84 als Regeneriergas für die Reinigungsvorrichtung 4 und zu einem anderen Teil 85 als trockenes Gas für die Vorkühlung 3 in einem Verdunstungskühler eingesetzt werden.

Die relative Höhenanordnung von Hochdrucksäule 20, Niederdrucksäule 21 und Hochdrucksäulen-Kopfkondensator 23 ist so gewählt, dass die in den Kondensatoren erzeugten Flüssigkeiten, insbesondere die Rücklaufflüssigkeiten 53 und 56, mit Hilfe der natürlichen Gefälle oder Druckunterschiede ihr Ziel erreichen, also ohne Pumpe.

Die Betriebsdrücke betragen:

- 2,5 bis 3,5 bar, vorzugsweise 2,7 bis 3,0 bar am unteren Ende der

Hochdrucksäule 20,

- 1 ,3 bis 1 ,5 bar am unteren Ende der Niederdrucksäule 21 ,

- 1 , 1 bis 1 ,4 bar am oberen Ende der Argonsäule 22.

Die Hochdrucksäule enthält 30 bis 60, vorzugsweise 40 bis 50 theoretische Böden; diese können beispielsweise durch Siebböden oder geordnete Packung realisiert sein. Die Niederdrucksäule enthält 90 bis 160, vorzugsweise 120 bis 150 theoretische Böden; diese können beispielsweise durch Siebböden oder geordnete Packung realisiert sein. In der Argonsäule befinden sich 20 bis 200 theoretische Böden, vorzugsweise in Form geordneter Packung. In den Ausführungsbeispielen ist die Argonsäule als Argonausschleussäule ausgebildet, das heißt sie dient nur oder hauptsächlich zur Ausschleusung von Argon und damit zur Erhöhung der

Sauerstoffausbeute und/oder der Sauerstoffreinheit. Abweichend hiervon kann mit einer entsprechend hohen Bodenzahl die Argonsäule als echte Rohargonsäule ausgebildet sein, die praktisch sauerstofffreies Rohargon produziert und beispielsweise an eine Reinargonsäule zur Argon-Stickstoff-Trennung weitergibt.

Ein anderes Ausführungsbeispiel, das in keiner Zeichnung dargestellt ist, ist als EinTurbinen-Verfahren ausgebildet. Es geht aus Figur 1 hervor, indem der vierte Teilstrom 9, 46, 47, 49, die Turbinen-Nachverdichter-Kombination 44/48 und die entsprechende Passage im Hauptwärmetauscher 26 sowie Leitung 66 weggelassen werden. In diesem Fall wird der sauerstoffangereicherte Strom 63 vollständig über Leitung 65 in den Kopfkondensator 23 eingeleitet und dort partiell verdampft. Die Gasphase 68 und die Flüssigphase 69 werden der Niederdrucksäule zugeführt, wobei die Zuspeisung der Gasphase oberhalb der der Flüssigphase liegt.

Auch Figur 2 zeigt ein Ein-Turbinen-Verfahren. Hier wurde die Mitteldruckturbine 17 aus Figur 1 weggelassen, aber eine Einblaseturbine 248 beibehalten. In diesem Fall bildet der Strom 209 den "ersten Teilstrom" und die Einblaseturbine 248 die "erste Entspannungsmaschine gemäß Anspruch 1. Ansonsten gilt die Beschreibung von Figur 1 analog für Figur 2. In diesem Beispiel wird der zweite Teilstrom 30 der

Einsatzluft in dem Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer 24 vorzugsweise vollständig verflüssigt. Zwischen den Einspeisungen der Ströme 67 und 68 in die

Niederdrucksäule 21 liegen hier 20 bis 60 theoretische Böden. In Figur 2 nicht dargestellt ist eine Flüssigkeitsentnahme am tiefsten Punkt des Hochdrucksäulen- Kopfkondensators 23. Hier kann eine Spülung des Bades vorgenommen werden.

Figur 3 basiert auf dem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Figur 1 ohne

Einblaseturbine, stellt also ein Ein-Turbinen-Verfahren mit einer Mitteldruckturbine 17 dar. Die Sumpfflüssigkeit 62 der Hochdrucksäule 20 wird hier nicht direkt in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators 323 eingeleitet, der als Zwischenverdampfer im Inneren der Niederdrucksäule 21 angeordnet ist. Sie wird vielmehr über die Leitung 367 zu einer oberen Zwischenstelle der Niederdrucksäule 21 geführt und strömt dann, gemeinsam mit der Rücklaufflüssigkeit aus dem oberen Abschnitt der Niederdrucksäule 21 , über mindestens einen Stoffaustauschabschnitt 387, bevor sie in den Verdampfungsraum des Hochdrucksäulen-Kopfkondensators 323 fließt. Der Stoffaustauschabschnitt 387 kann auch weggelassen werden.

Figur 4 geht wie Figur 3 von dem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Figur 1 ohne Einblaseturbine aus, stellt also wiederum ein Ein-Turbinen-Verfahren mit einer Mitteldruckturbine 17 dar. Hier ist die Kondensation des zweiten Teilstroms 30 der Luft auf zwei Kondensatoren verteilt, die verflüssigungsseitig seriell verbunden sind. Außer dem bekannten Niederdrucksäule-Sumpfverdampfer 424 wird dabei zusätzlich ein Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer 488 eingesetzt. Der im Wesentlichen gasförmige zweite Teilstrom wird in dem Sumpfverdampfer 424 zunächst nur teilweise verflüssigt. Das Zwei-Phasen-Gemisch 489 - oder nach fakultativer Phasentrennung nur der gasförmige Anteil - wird dann im Zwischenverdampfer 488 vollständig oder fast vollständig verflüssigt und dann wie gehabt über Leitung 31 in den Verdampfungsraum des Argon-Kopfkondensators 25 geleitet. Zwischen die beiden Verdampfer 424, 488 kann - muss aber nicht - ein zusätzlicher Stoffaustauschabschnitt 487 eingebaut sein. Die Luft strömt vorzugsweise in Richtung der Schwerkraft durch den Sumpfverdampfer 424 und den Zwischenverdampfer 488. Eine derartige Ausführung des Verfahrens ermöglicht ein Absenken des Austrittsdrucks des Hauptluftverdichters von

typischerweise 30 bis 100 mbar gegenüber den Ausgestaltungen der Figuren 1 bis 3.

In Figur 5 wird ein Dephlegmator als Niederdrucksäulen-Sumpfheizung 524

eingesetzt. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel der Figur 5 wiederum Figur 1 ohne Einblaseturbine. Auf der Verdampfungsseite des Niederdrucksäulen- Sumpfverdampfers 524 findet hier innerhalb der Wärmetauscherpassagen ein

Gegenstrom-Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit statt. Verdampfter

Sauerstoff kann nach oben aufsteigen und am Stoffaustausch mit dem herabrieselnden Sauerstoff im Gegenstrom über entsprechend gestaltete Einbauten teilnehmen.' Die Luft strömt in diesem Fall vorzugsweise entgegen der Schwerkraft durch die Verflüssigungspassagen. Ein größerer Teil der Trennleistung der Niederdrucksäule als bei einem Badverdampfer wird hier durch den Verdampfer zur Verfügung gestellt. Der zweite Teilstrom 30/31 strömt dagegen unverändert von unten nach oben durch die Verflüssigungspassagen des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers 524. Flüssigkeit und eventuell verbliebenes Gas verlassen den Wärmetauscher beide an der Oberseite. Eine derartige Ausführung des Verfahrens ermöglicht ein Absenken des Austrittsdrucks des Hauptluftverdichters von typischerweise 50 bis 150 mbar gegenüber den

Ausgestaltungen der Figuren 1 bis 3.

Auch Figur 6 verzichtet auf eine Einblaseturbine und ist ansonsten weitgehend identisch mit Figur 1. Das Ausführungsbeispiel unterscheidet sich lediglich in der Ausführung der arbeitsleistenden Entspannung des ersten Teilstroms 15. Die arbeitsleistende Entspannung von dem zweiten Druck auf den Hochdrucksäulendruck wird zweistufig in zwei seriellen Turbinen 617a, 617b durchgeführt. Die erste, warme Turbine 617a entspannt auf einen Zwischendruck. Der resultierende Luftstrom 618 wird in dem Hauptwärmetauscher 26 von einer höheren auf eine niedrigere

Zwischentemperatur abgekühlt. Unter der niedrigeren Temperatur tritt der zweiten Teilstrom 616 in die zweite, kalte Turbine ein und wird dort auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt. Die beiden an die Turbinen gekoppelten Nachverdichter 613b, 613a sind seriell verbunden. Diese Anordnung erlaubt eine weitere energetische Optimierung des Prozesses gegenüber den Ausgestaltungen der Figuren 1 bis 3.

Figur 7 unterscheidet sich von Figur 6 dadurch, dass zwischen den beiden Turbinen 617a, 617b keine Zwischenabkühlung, sondern eine Zwischenanwärmung

durchgeführt wird. Der Strom 618 wird in dem Hauptwärmetauscher 26 angewärmt, bevor er über Leitung 616 in die kalte Turbine 617b eingeleitet wird. Diese Anordnung erlaubt eine weitere energetische Optimierung des Prozesses gegenüber den

Ausgestaltungen der Figuren 1 bis 3.

Figur 8 ist verfahrenstechnisch identisch mit Figur 6. Es wird allerdings eine

Kombimaschine eingesetzt, über die beide Turbinen 617a, 617b mit einem einzigen Nachverdichter 813 gekoppelt sind.

Figur 9 geht von dem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Figur 1 ohne

Einblaseturbine aus, stellt also wiederum ein Ein-Turbinen-Verfahren mit einer Mitteldruckturbine 17 dar. Hier ist der Flüssigkeitsexpander 938 stromabwärts des Unterkühlungs-Gegenströmers 42 angeordnet. Dadurch kann das vorhandene

Druckgefälle vollständig ausgereizt und außerdem Spitzenkälte erzeugt werden.

In einem weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiel wird der zweite Teilstrom 37 nur über einen Flüssigkeitsexpander 38 entspannt; dieser ist zwischen

Hauptwärmetauscher und Unterkühlungs-Gegenströmer positioniert. Auch dabei wird das vorhandene Druckgefälle vollständig ausgereizt, da es zu keiner technisch relevanten Druckabsenkung über Stellglied 43 aus Figur 1 mehr kommt.