Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

Abstract

 Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System (50), das mindestens eine Trennsäule (14, 15) aufweist. Ein Hauptluftstrom (1, 5) wird in einem Luftverdichter (2) auf einen ersten Druck verdichtet und in anschließend einer Reinigungsvorrichtung (4) gereinigt. Ein erster Luftstrom (6), der aus mindestens einem Teil des gereinigten Hauptluftstroms (5) gebildet wird, wird in einem Nachverdichter (7) auf einen zweiten Druck nachverdichtet, der höher als der erste Druck ist. Aus dem nachverdichteten ersten Luftstrom (10) werden ein Drosselstrom (11) und ein Turbinenstrom (18, 70, 21) abgezweigt. Der Drosselstrom (11) wird in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt und anschließend einer Entspannungseinrichtung (12) zugeführt. Der entspannte Drosselstrom (13) wird in das Destilliersäulen-System (50) eingeleitet. Der Turbinenstrom (70) wird in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und unter einer Zwischentemperatur des Hauptwärmetauschers (9) in eine Entspannungsmaschine (19) eingeleitet und dort arbeitsleistend entspannt. Der arbeitsleistend entspannte Turbinenstrom (21) wird mindestens teilweise in das Destilliersäulen-System (50) eingeleitet. Ein flüssiger Produktstrom (47; 55; 105) wird aus dem Destilliersäulen-System (50) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (48; 56; 106) und unter diesem erhöhten Druck durch indirekten Wärmeaustausch (9) mit dem Drosselstrom verdampft oder pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiger Produktstrom (51; 59; 108) abgezogen. Der Turbinenstrom wird in dem Hauptwärmetauscher (9) so weit abgekühlt wird, dass - falls der Druck des Turbinenstroms unterkritisch ist - die Taupunkttemperatur oder kälter abgekühlt wird. Der verflüssigte oder pseudo-verflüssigte Turbinenstrom (17) wird auf einen Zwischendruck entspannt (18), der zwischen dem ersten und dem zweiten Druck liegt. Der auf den Zwischendruck entspannte Turbinenstrom wird in dem Hauptwärmetauscher (9) auf die Zwischentemperatur angewärmt, bevor er der Entspannungsmaschine (19) zugeleitet (70) wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Ein solcher Prozess, bei dem ein flüssig auf Druck gebrachter Produktstrom gegen einen Wärmeträger verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen wird, wird auch als Innenverdichtungsverfahren bezeichnet. Es ist insbesondere zur Gewinnung von Drucksauerstoff verbreitet, kann aber auch zur Gewinnung von Druckstickstoff oder Druckargon eingesetzt werden. Für den Fall eines überkritischen Drucks findet im Hauptwärmetauscher kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne statt, der Produktstrom wird dann "pseudo-verdampft".

[0003] Gegen den (pseudo-)verdampfenden Produktstrom wird im Hauptwärmetauscher ein unter hohem Druck stehender Wärmeträger verflüssigt (beziehungsweise pseudo-verflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht), nämlich ein Teilstrom der Luft, der hier als "Drosselstrom" bezeichnet wird.

[0004] Hierbei ist es üblich, den Drosselstrom und den Turbinenstrom gemeinsam in einem Nachverdichter oder im Hauptluftverdichter auf einen höheren Druck zu bringen, als für die Destillation benötigt wird. Dieser Druck muss ausreichend hoch für die Verdampfung beziehungsweise Pseudo-Verdampfung des flüssig auf Druck gebrachten Produktstroms sein und kann zum Beispiel 20 oder 60 bar betragen. Der Turbinenstrom wird dann natürlicherweise ebenfalls von diesem Druck ("zweiter Druck") aus auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt; alternativ wird der Drosselstrom auf einen noch höheren Druck nachverdichtet werden ("dritter Druck").

[0005] Der Turbinenstrom dient ursprünglich der Kälteerzeugung. In Anlagen mit Innenverdichtung hat er aber eine zweite Funktion; er hilft nämlich dem Drosselstrom, die innenverdichtete Ströme (Stickstoff, Sauerstoff und/oder Argon) zu verdampfen (oder zu pseudo-verdampfen). Je größer der Turbinenstrom und je tiefer dieser Strom im Hauptwärmetauscher abgekühlt wird (je größer Temperaturdifferenz zwischen Eintritt und Austritt ist), desto mehr Wärme mit diesem Strom zum (Pseudo-)Verdampfen von innenverdichteten Produktströmen zur Verfügung gestellt wird und desto kleiner wird die Drosselstrommenge. Die mittlere Temperaturdifferenz im Wärmetauscher wird dabei kleiner, das Temperaturprofil günstiger, die Anlage effizienter. Das heißt, es ist immer vorteilhaft, den Turbinenstrom im Wärmetauscher so weit wie möglich abzukühlen. Das führt in der Regel dazu, dass der Strom am Austritt aus der Turbine nicht gasförmig ist, sondern sogar teilweise verflüssigt ist.

[0006] Die Erniedrigung der Temperatur am Eintritt in die Turbine ist jedoch nicht grenzenlos möglich, sondern bei den üblicherweise verwendeten Maschinen durch einen maximalen Flüssigkeitsanteil von etwa 6 % bis maximal 10 % gegeben (Designkriterium). Höhere Flüssigkeitsanteile können zur Beschädigung der Turbine führen. Durch diese Begrenzung wird dann z um Beispiel die Eintrittstemperatur in eine Luftturbine mit 60 bar am Eintritt und etwa 85 % Wirkungsgrad mit etwa 169 K limitiert. Für einen Eintrittsdruck von 20 bar würde die kleinstmögliche Turbineneintrittstemperatur etwa 125 K betragen. Gelänge es, die Turbineneinstrittstemperatur tiefer zu setzen ohne das Turbinendesignkriterium zu verletzen, entstünde ein effizienteres Verfahren.

[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein energetisch effizientes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die mit vergleichsweise geringem apparativen Aufwand zu realisieren sind.

[0008] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Turbinenstrom wird nicht mehr im Zuge des Abkühlens von einer Zwischenstelle des Hauptwärmetauschers entnommen, sondern weiter, durch den Hauptwärmetauscher geführt, sodass der Turbinenstrom - bei unterkritischen Drücken bis auf etwa die Tautemperatur oder tiefer gekühlt oder - bei überkritischem Druck - pseudo-verflüssigt wird. Anschließend wird er auf einen hinsichtlich der arbeitsleistenden Entspannung und des Temperaturprofils im Hauptwärmetauscher optimierten Zwischendruck entspannt, vorzugsweise in einem Drosselventil, und im Hauptwärmetauscher wieder auf die Zwischentemperatur angewärmt, die der Eintrittstemperatur der arbeitsleistenden Entspannung entspricht und die möglichst niedrig liegt, jedoch so dass das Turbinendesignkriterium nicht verletzt wird. Diese Zwischentemperatur liegt beispielsweise unter 169 K bei einem 60-bar-Turbinenstrom oder unter 125 K für einen 20-bar-Turbinenstrom.

[0009] Die Abkühlung und (Pseudo-)Verflüssigung des Turbinenstroms im Hauptwärmetauscher kann dann, wenn sein Druck gleich dem des Drosseistroms ist, gemeinsam mit dem Drosselstrom oder getrennt von diesem erfolgen. Der Zwischendruck, auf den der Yurbinenstrom vor seiner arbeitsleistenden Entspannung entspannt wird, ist gleich oder höher als

Das heißt, für einen 60-bar-Drosselstrom würde der Zwischendruck bei 18 bar oder höher, bei einem 20-bar-Drosselstrom bei 10,5 bar oder liegen (unter der Annahme, dass der Druck in der Hochdrucksäule 5,5 bar beträgt). Die Entspannung auf den Zwischendruck wird vorzugsweise in einem Drosselventil vorgenommen. Die arbeitsleistende Entspannung wird in einer Entspannungsmaschine durchgeführt, die vorzugsweise als Turbine ausgebildet ist.

[0010] In einer ersten Variante der Erfindung wird der Nachverdichter mit externer Energie angetrieben, und sowohl der Drosseistrom als auch der Turbinenstrom stehen bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher unter dem zweiten Druck. Durch den Einsatz eines Nachverdichters ohne Zwischenabzug kann der apparative Aufwand gering gehalten werden.

[0011] "Mit externer Energie angetrieben" bedeutet, dass der entsprechende Verdichter nicht mittels im Luftzerlegungsverfahren selbst erzeugter Energie angetrieben wird, sondern beispielsweise mittels eines Elektromotors, einer Dampfturbine oder einer Gasturbine.

[0012] In einer zweiten Variante der Erfindung wird der Nachverdichter von einer Entspannungsmaschine angetrieben, die mit einem Prozessstrom des Verfahrens betrieben wird, insbesondere von der Entspannungsmaschine (12), die mit dem Turbinenstrom (70) betrieben wird, wobei der Luftverdichter die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft darstellt.

[0013] Unter einer "einzigen Maschine" wird hier ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter verstanden, dessen Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind, wobei alle Stufen in demselben Gehäuse untergebracht oder mit demselben Getriebe verbunden sind. In dieser zweiten Variante liegt der "erste Druck" deutlich über dem höchsten Druck des Destilliersäulen-Systems, insbesondere deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule. Dieser Druckunterschied beträgt beispielsweise mindestens 4 bar und liegt vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar. In dieser Variante wird die im Luftverdichter verdichtete Gesamtluft (bis auf mögliche kleinere Anteile wie zum Beispiel Instrumentenluft) vorzugsweise vollständig auf den Drosseistrom und den Turbinenstrom aufgeteilt.

[0014] Der Prozessstrom, der zum Antrieb des Nachverdichters genutzt wird, kann anstelle des Turbinenstroms beispielsweise durch einen dritten Luftstrom, der auf den Betriebsdruck der Niederdrucksäule entspannt wird (Lachmann-Turbine) oder durch Druckstickstoff aus dem Destilliersäulensystem, insbesondere aus einer Hochdruckoder Niederdrucksäule gebildet werden. Der Druckstickstoff kann sich beim Eintritt in die entsprechende Entspannungsmaschine nahezu auf Umgebungstemperatur befinden, oder er wird vor dem Eintritt in die Entspannungsmaschine auf deutlich über Umgebungstemperatur angewärmt ("Hot Gas Expander").

[0015] Bei beiden Varianten der Erfindung kann der Drosselstrom unter einem höheren Druck als der Turbinenstromstehen, das heißt der Turbinenstrom steht bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher unter dem zweiten Druck und der Drosselstrom bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher unter einem dritten Druck, der gleich dem zweiten Druck oder höher als der zweite Druck ist.

[0016] Zu der weiteren Nachverdichtung vom zweiten auf den Druck wird bei der zweiten Variante ein zweiter Nachverdichter eingesetzt, der von einer Entspannungsmaschine angetrieben wird, die mit einem Prozessstrom des Verfahrens betrieben wird. Vorzugsweise wird der Nachverdichter, der auf den zweiten Druck führt, von der Entspannungsmaschine angetrieben, die mit dem Turbinenstrom betrieben wird und Prozessstrom, der zum Antrieb des zweiten Nachverdichters genutzt wird, wird durch einen dritten Luftstrom, der auf den Betriebsdruck der Niederdrucksäule entspannt wird (Lachmann-Turbine) oder durch Druckstickstoff aus dem Destilliersäulensystem, insbesondere aus einer Hochdruck- oder Niederdrucksäule gebildet werden. Alternativ können die beiden Antriebe vertauscht werden.

[0017] In Abwandlung der ersten Variante der Erfinder weist stattdessen der Nachverdichter mindestens zwei Stufen auf und kann auch mit externer Energie angetrieben werden. Die Nachverdichtung auf den zweiten Druck erfolgt dann in mindestens einer ersten Stufe des Nachverdichters; der Drosselstrom stromabwärts der Abzweigung des Turbinenstroms wird mindestens in der letzten Stufe des Nachverdichters auf einen dritten Druck nachverdichtet, der höher als der zweite Druck ist. Die erfindungsgemäßen Schritte der Abkühlung, Entspannung und Anwärmung des Turbinenstroms schaffen so viel zusätzliche Flexibilität, dass eine hohe Effizienz des Verfahrens erreicht werden kann, auch wenn die konstruktionsbedingten Zwischenentnahmedrücke von Nachverdichtern an sich ungünstig sind.

[0018] Vorzugsweise liegt der Zwischendruck 1,5 bis 5 bar unter dem zweiten Druck, das heißt der Turbinenstrom wird vor dem Eintritt in die Entspannungsmaschine um diese Druckdifferenz entspannt. Diese relativ geringe Drosselung bewirkt bei der niedrigen Temperatur praktisch keinen Energieverlust und erlaubt dennoch die gewünschte Verminderung der Eintrittstemperatur der Entspannungsmaschine.

[0019] Vorzugsweise weist das Destilliersäulen-System eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule auf, die über einen Hauptkondensator in Wärmeaustauschbeziehung stehen. Der Hauptkondensator ist als Kondensator-Verdampfer ausgebildet. Der Turbinenstrom wird in der Entspannungsmaschine vorzugsweise auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt und mindestens teilweise in die Hochdrucksäule eingespeist.

[0020] Als flüssiger Produktstrom aus dem Destilliersäulen-System kann ein flüssiger Sauerstoffstrom, ein flüssiger Stickstoffstrom und/oder ein flüssiger Argonstrom eingesetzt werden. Wird mehr als ein Produkt innenverdichtet, müssen selbstverständlich entsprechend viele unabhängige Einrichtungen zur Druckerhöhung (in der Regel Pumpen beziehungsweise Pumpenpaare) und unabhängige Passagen durch den Hauptwärmetauscher vorgesehen werden.

[0021] Es ist günstig, wenn ein zweiter Luftstrom aus einem anderen Teil des gereinigten Hauptluftstroms gebildet wird und der zweite Luftstrom unter dem ersten Druck im Hauptwärmetauscher abgekühlt und dem Destilliersäulen-System zugeleitet wird. Dieser zweite Luftstrom wird auch als Direktluftstrom bezeichnet. Vorzugsweise wird der Hauptluftstrom - abgesehen von einem kleinen Anteil der gegebenenfalls als Instrumentenluft genutzt wird - genau auf die drei hier genannten Teile aufgeteilt, nämlich Direktluftstrom, Turbinenstrom und Drosselstrom.

[0022] Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Patentanspruch 11.

[0023] 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 Ausführungsbeispiel der ersten Variante der Erfindung,

Figur 2

ein erstes Ausführungsbeispiel der zweiten Variante der Erfindung mit einer einzigen Turbine,

Figuren 3 und 4

zwei weitere Ausführungsbeispiele der zweiten Variante der Erfindung mit jeweils zwei Turbinen.

Figur 5

das Wärmeaustauschdiagramm (Temperatur gegen übertragene Enthalpie) bei einem Verfahren nach den Stand der Technik ohne Drosselung des Turbinenstroms und

Figur 6

das Wärmeaustauschdiagramm bei dem Verfahren der Figur 2.

[0024] In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist das Destilliersäulen-System 50 in demjenigen Teil, der zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung dient, eine Hochdrucksäule 14, eine Niederdrucksäule 15 und einen als Kondensator-Verdampfer ausgebildeten Hauptkondensator 16 aus, über den die beiden Säulen in Wärmeaustauschbeziehung stehen.

[0025] Atmosphärische Luft wird als Hauptluftstrom über Leitung 1 von einem Luftverdichter 2 angesaugt, dort auf einen ersten Druck gebracht, der etwa dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 14 entspricht, in einer Vorkühlung 3 auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt und einer adsorptiven Luftreinigung 4 zugeführt. Ein erster Teil des gereinigten Hauptluftstroms 5 wird als "erster Luftstrom" 6 in einem Nachverdichter 7 auf einen zweiten Druck von mindestens 50 bar, beispielsweise etwa 60 bar, nachverdichtet. Die Hochdruckluft 8 wird dem warmen Ende eines Hauptwärmetauschers 9 zugeleitet und in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und pseudo-verflüssigt. Die pseudo-verflüssigte Luft wird über Leitung 10 vom kalten Ende des Hauptwärmetauschers abgezogen und anschließend in einen Drosselstrom 11 und einen Turbinenstrom 17 aufgeteilt. Umgekehrt ausgedrückt werden Drossel- und Turbinenstrom nach der gemeinsamen Nachverdichtung 7 auch gemeinsam im Hauptwärmetauscher abgekühlt und pseudo-verflüssigt. (Alternativ könnte der Turbinenstrom 17 etwas oberhalb des kalten Endes des Hauptwärmetauschers 9 entnommen werden - siehe Figur 2.)

[0026] Der Drosselstrom ("JT-Air") 11 wird in einem Drosselventil 12 auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt und über Leitung 13 mindestens teilweise in flüssigem Zustand in die Hochdrucksäule 14 eingeleitet. Anstelle des Drosselventils 12 kann auch eine Flüssigturbine eingesetzt werden. Ein Teil 43 der Drosselstroms kann sofort wieder aus der Hochdrucksäule abgezogen und nach Abkühlung in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 31 über Leitung 44 der Niederdrucksäule 15 an einer Zwischenstelle zugespeist werden.

[0027] Der Turbinenstrom 17, der gemeinsam mit dem Drosselstrom pseudo-verflüssigt wurde, wird in einem Drosselventil 18 auf einen Zwischendruck zwischen dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule und dem zweiten Druck entspannt und anschließend wieder dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 zugeleitet. In dem Hauptwärmetauscher wird er wieder auf eine Zwischentemperatur angewärmt, die zwischen 140 und 150 K liegt. Bei dieser Zwischentemperatur wird der Turbinenstrom über Leitung 70 aus dem Hauptwärmetauscher 9 abgezogen und einer Turbine 19 zugeleitet, die in dem Beispiel von einem Generator 20 gebremst wird. In der Turbine 19 wird die Luft arbeitsleistend auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt. Der entspannte Turbinenstrom 21 wird in einen Abscheider (Phasentrenner) 22 eingeleitet, um gegebenenfalls flüssige Anteile abzutrennen. Solche flüssigen Anteile 23 werden über Leitung 24 an geeigneter Stelle in die Niederdrucksäule 15 eingespeist. Der gasförmige Anteil 25 wird über Leitung 26 als gasförmige Einsatzluft ("Feed-Air") in die Hochdrucksäule 14 eingeleitet.

[0028] Der Rest des gereinigten Hauptluftstroms 5 wird ohne druckverändernde Maßnahmen als Direktluftstrom ("zweiter Luftstrom") 27, 28 durch den Hauptwärmetauscher 9 geführt und strömt weiter über Leitung 26 in die Hochdrucksäule 14.

[0029] In einer ersten Version des Ausführungsbeispiels (System ohne Argongewinnung - "Systems w/o Argon") strömt flüssiger Rohsauerstoff 29 vom Sumpf der Hochdrucksäule 14 über Leitung 30, Unterkühlungs-Gegenströmer 31 und weiter über Leitung 32 zu einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule. Der gasförmige Kopfstickstoff 33 der Hochdrucksäule 14 wird mindestens zum Teil 34 im Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 16 kondensiert. Ein anderer Teil kann über Leitung 35 durch den Hauptwärmetauscher 9 geführt und schließlich über Leitung 36 als gasförmiges Mitteldruckprodukt (PGAN) abgezogen werden.

[0030] Der kondensierte Stickstoff 37 aus dem Hauptkondensator 16 wird zu einem ersten Teil 38 als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 14 aufgegeben. Ein zweiter Teil 39 wird im Unterkühlungs-Gegenströmer 31 abgekühlt und über Leitung 40 der Niederdrucksäule 15 als Rücklauf zugeführt.

[0031] Außerdem kann ein stickstoffangereicherter Strom 41, 42 von einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule 14 über den Unterkühlungs-Gegenströmer 31 zu einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule 15 geleitet werden.

[0032] Vom Sumpf der Niederdrucksäule kann ein Niederdruck-Sauerstoffprodukt 45 (GOX) direkt gasförmig entnommen, im Hauptwärmetauscher 9 angewärmt und über Leitung 46 als Niederdruckprodukt abgezogen werden.

[0033] Der als gasförmiges Druckprodukt gewünschte Sauerstoff wird flüssig (LOX) aus der Niederdrucksäule beziehungsweise aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators 16 abgezogen und als ein erster "flüssiger Produktstrom" 47 einer Innenverdichtung zugeführt (IC-LOX, IC = "Internal Compression"). Hierbei wird er mittels einer Sauerstoffpumpe 48 in flüssigem Zustand auf den gewünschten erhöhten Druck (erster erhöhter Druck) gebracht und über Leitung 49 dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 zugeleitet. Im Hauptwärmetauscher 9 wird der flüssige Sauerstoffstrom 49 unter dem erhöhten Druck verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Er verlässt schließlich über Leitung 51 als erstes gasförmiges Druckprodukt (HP-GOX) die Anlage.

[0034] Falls gewünscht, kann ein weiteres gasförmiges Sauerstoffprodukt 53, 54 (MP-GOX) unter einem Zwischendruck gewonnen werden, der zwischen dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule 15 und dem erhöhten Druck stromabwärts der Pumpe 48 liegt, indem dieser Teil stromabwärts der Pumpe 48 abgezweigt, entsprechend abgedrosselt (52) und schließlich im Hauptwärmetauscher 9 separat verdampft und angewärmt wird. Alternativ oder zusätzlich zu dem oder den innenverdichteten Sauerstoffströmen kann Stickstoff einer Innenverdichtung zugeführt werden. Dazu wird ein dritter Teil 55 des kondensierten Stickstoffs 37 als zweiter "flüssiger Produktstrom" aus dem Hauptkondensator 16 (HP-LIN) in einer Stickstoffpumpe 56 auf einen zweiten erhöhten Druck gebracht, der dem gewünschten Produktdruck entspricht und nicht gleich dem ersten erhöhten Druck sein muss. Der Hochdruckstickstoff wird über Leitung 57, 58 dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 zugeleitet. Im Hauptwärmetauscher 9 wird der flüssige oder überkritische Stickstoffstrom 58 unter dem erhöhten Druck verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Er verlässt schließlich über Leitung 59 als zweites gasförmiges Druckprodukt (HP-GAN) die Anlage.

[0035] Falls gewünscht, kann ein weiteres gasförmiges Stickstoffprodukt 61, 62 (MP-GAN) unter einem Zwischendruck gewonnen werden, der zwischen dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 16 und dem erhöhten Druck stromabwärts der Pumpe 56 liegt, indem dieser Teil stromabwärts der Pumpe 56 abgezweigt, entsprechend abgedrosselt (60) und schließlich im Hauptwärmetauscher 9 separat verdampft und angewärmt wird.

[0036] Als weitere Rückströme werden unreiner Stickstoff 63, 64, 65 und unreiner Stickstoff 66, 67, 68 gasförmig aus der Niederdrucksäule 15 abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 31 und weiter im Hauptwärmetauscher 9 angewärmt und als Niederdruckprodukte (GAN, UN2) abgezogen. Schließlich kann ein Teil der Produkte auch flüssig gewonnen werden, zum Beispiel flüssiger Stickstoff (LIN) 69 oder ein Teil des flüssigen Sauerstoffs (LOX) 47 vom Sumpf der Niederdrucksäule 15.

[0037] Das Verfahren der ersten Version des Ausführungsbeispiels kann beispielsweise auch nur mit einem flüssigen Produktstrom und einem gasförmigen Druckprodukt (zum Beispiel entweder Sauerstoff oder Stickstoff) betrieben werden, oder alternativ mit jeder beliebeigen Kombination der dargestellten flüssig auf Druck gebrachten Ströme 49, 53, 58 und 61.

[0038] In einer zweiten Version weist das Destilliersäulen-System des Ausführungsbeispiels zusätzlich zu den Einrichtungen für die Stickstoff-Sauerstoff-Trennung einen Argonteil 100 auf, der zur Gewinnung von flüssigem Reinargon (LAR) 105 dient. Der Argonteil weist eine oder mehrere Rohargonsäulen zur Argon-Sauerstoff-Trennung und eine Reinargonsäule zur Argon-Stickstofftrennung, die auf die bekannte Weise betrieben werden. Das untere Ende der Rohargonsäule kommuniziert über die Leitungen 101 und 102 mit einem Zwischenbereich der.Niederdrucksäule 15. Der flüssige Rohsauerstoff 29 aus der Hochdrucksäule 11 wird in diesem Fall über die Leitung 129 ("Systems with Argon") in den Argon-Teil geleitet und insbesondere mindestens teilweise in dem Kopfkondensator der Rohargonsäule(n) teilweise verdampft (nicht dargestellt). Der mindestens teilweise verdampfte Rohsauerstoff wird über Leitung 103 in die Niederdrucksäule 15 eingespeist, der flüssig verbliebene über Leitung 132. Aus dem Argon-Teil 100 wird außerdem ein gasförmiger Reststrom (Waste) 104 abgezogen.

[0039] Alternativ oder zusätzlich zu den bei der ersten Version beschriebenen Innenverdichtungsprodukten kann das flüssige Reinargon 105 einer Innenverdichtung zugeführt werden, indem es als dritter "flüssiger Produktstrom" in einer Argonpumpe 106 auf einen dritten erhöhten Druck gebracht, der dem gewünschten Produktdruck entspricht und nicht gleich dem ersten und/oder zweiten erhöhten Druck sein muss. Das Hochdruckargon wird über Leitung 107 dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 zugeleitet. Im Hauptwärmetauscher 9 wird der Argonstrom 107 unter dem erhöhten Druck verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Er verlässt schließlich über Leitung 108 als drittes gasförmiges Druckprodukt (HP-GAR) die Anlage.

[0040] Der Hauptwärmetauscher kann jeweils integriert oder gesplittet ausgeführt werden, die Zeichnungen zeigen nur die Grundfunktion des Tauschers - warme Ströme werden durch kalte gekühlt.

[0041] Figur 2 entspricht in weiten Teilen Figur 1. Daher wurden für die oben bereits erläuterten Verfahrensschritte und Apparateteile dieselben Bezugszeichen verwendet, und der Luftverdichter, die Luftreinigung und das Destilliersäulen-System sind in Figur 2 nicht dargestellt.

[0042] Der wesentliche Unterschied zu Figur 1 ist der höhere Austrittsdruck des Luftverdichters ("erster Druck"), der in Figur 2 deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt und in dem konkreten Beispiel 17 bar beträgt. Aus diesem Grunde fehlt auch der Direktluftstrom (27 in Figur 1). Vielmehr wird die Gesamtluft 8 stromabwärts des Nachverdichters 7 unter etwa 22 bar ("zweiter Druck") bei 203 auf den Turbinenstrom 10 und den Drosselstrom 11 aufgeteilt. (In Figur 2 könnte die Abkühlung von Turbinen- und Drosselstrom auch gemeinsam vorgenommen werden, wobei die Aufteilung im Inneren des Hauptwärmetauschers 9 kurz vor dessen kaltem Ende vorgenommen werden könnte.) Die Temperatur des Turbinenstroms 17 vor der Drosselung 18 liegt in dem Beispiel 1 K bis 50 K oberhalb der Temperatur des kalten Endes, also der Temperatur, bei welcher der Drosselstrom 11 den Hauptwärmetauscher verlässt. (Alternativ könnte der Turbinenstrom auch - wie in Figur 1 gezeigt - bis zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 geführt werden.)

[0043] Darüber hinaus ist in Figur 2 der Nachkühler 202 des Nachverdichters 7 dargestellt, der auch in dem Verfahren nach Figur 1 verwendet wird, aber in der dortigen Zeichnung nicht gezeigt ist. Das Bezugszeichen 201 deutet die fakultative Abkühlung des Hauptluftstroms 5 stromaufwärts des Nachverdichters 7 im Hauptwärmetauscher 9 an.

[0044] Figur 3 unterscheidet sich von Figur 3 durch eine zweite Entspannungsmaschine 319, die einen zweiten Nachverdichter 304 mit Nachkühler 305. Die Verzweigung in Turbinenstrom und Drosselstrom findet hier im Warmen bei 303 statt, wobei der Drosselstrom in dem zweiten Nachverdichter 304 von dem zweiten Druck (hier beispielsweise 22 bar) auf einen dritten Druck (hier beispielsweise 25 bar) nachverdichtet wird, Der Nachkühler 302 hinter dem ersten Nachverdichter 7 kann weggelassen werden, wenn die Vorkühlung 201 des Hauptluftstroms genutzt wird.

[0045] Der Protzesstrom 270, mit dem die zweite Entspannungsmaschine betrieben wird, kann durch einen der folgenden Ströme gebildet werden:

• Teilstrom des Turbinenstroms 70 (In diesem Fall wird der entspannte Strom 325 mit dem Strom 25 aus der ersten Entspannungsmaschine vermischt (beide Entspannungsmaschinen parallel).
• Weiterer Luftstrom, der unter dem Eintrittsdruck des ersten Nachverdichters 7 oder unter dem Austrittsdruck des ersten 7 oder zweiten 304 Nachverdichters bei einer Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher entnommen und stromabwärts der Entspannungsmaschine 319 in die Niederdrucksäule oder in die Hochdrucksäule (15 bzw. 14 in Figur 1) eingespeist wird (Lachmann- oder zweite Claude-Turbine).
• Druckstickstoffstrom (35, 64, 67 in Figur 1 oder jeweils ein Teilstrom davon) aus der Hochdrucksäule oder der Niederdrucksäule.

[0046] Alternativ kann die Kopplung zwischen den Turbinen 19, 319 und den Nachverdichtern 7, 304 auch umgekehrt wie in Figur 3 dargestellt sein.

[0047] Figur 4 unterscheidet sich dadurch von Figur 3, dass der zweite Nachverdichter 403, der nur den Drosselstrom nachverdichtet, als Kaltverdichter ausgebildet ist.

[0048] In den Figuren 5 (zum Stand der Technik) und 6 (zu Figur 2) ist die Wirkung der erfindungsgemäßen Drosselung stromaufwärts der Entspannungsmaschine am H-T-Diagramm des Hauptwärmetauschers abzulesen. In Figur 6 liegt die Turbineneintrittstemperatur (Strom 70 in Figur 2, Punkt Tin in den Figuren 5 und 6) deutlich niedriger als Figur 5. Die Kurven der abzukühlenden Ströme (oben) und der anzuwärmenden Ströme (unten) liegen wesentlich näher beieinander; entsprechen geringer sind die Austauschverluste.

Ansprüche

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System (50), das mindestens eine Trennsäule (14, 15) aufweist, bei dem

- ein Hauptluftstrom (1, 5) in einem Luftverdichter (2) auf einen ersten Druck verdichtet und in anschließend einer Reinigungsvorrichtung (4) gereinigt wird,

- ein erster Luftstrom (6), der aus mindestens einem Teil des gereinigten Hauptluftstroms (5) gebildet wird, in einem Nachverdichter (7) auf einen zweiten Druck nachverdichtet wird, der höher als der erste Druck ist,

- aus dem nachverdichteten ersten Luftstrom (10) ein Drosselstrom (11) und ein Turbinenstrom (18, 70, 21) abgezweigt werden,

- der Drosselstrom (11) in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt und einer Entspannungseinrichtung (12) zugeführt wird,

- der entspannte Drosselstrom (13) in das Destilliersäulen-System (50) eingeleitet wird,

- der Turbinenstrom (70) in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und unter einer Zwischentemperatur des Hauptwärmetauschers (9) in eine Entspannungsmaschine (19) eingeleitet und dort arbeitsleistend entspannt wird,

- der arbeitsleistend entspannte Turbinenstrom (21) mindestens teilweise in das Destilliersäulen-System (50) eingeleitet wird,

- ein flüssiger Produktstrom (47; 55; 105) aus dem Destilliersäulen-System (50) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (48; 56; 106) und unter diesem erhöhten Druck durch indirekten Wärmeaustausch (9) mit dem Drosselstrom verdampft oder pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiger Produktstrom (51; 59; 108) abgezogen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass

- der Turbinenstrom in dem Hauptwärmetauscher (9) so weit abgekühlt wird, dass - falls der Druck des Turbinenstroms unterkritisch ist - die Taupunkttemperatur oder eine niedrigere Temperatur erreicht wird, oder - falls der Druck des Turbinenstroms unterkritisch ist - der Turbinenstrom pseudo-verflüssigt wird,

- der mindestens auf Tautemperatur abgekühlte oder pseudoverflüssigteTurbinenstrom (17) auf einen Zwischendruck entspannt (18) wird, der unterhalb des zweiten Drucks liegt und

- der auf den Zwischendruck entspannte Turbinenstrom in dem Hauptwärmetauscher (9) auf die Zwischentemperatur angewärmt wird, bevor er der Entspannungsmaschine (19) zugeleitet (70) wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachverdichter (7) mit externer Energie angetrieben wird und sowohl der Drosselstrom (11) als auch der Turbinenstrom (17) bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher (9) unter dem zweiten Druck stehen, wobei der Zwischendruck insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Druck liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachverdichter (7) von einer Entspannungsmaschine (19) angetrieben wird, die mit einem Prozessstrom des Verfahrens betrieben wird, insbesondere von der Entspannungsmaschine (19), die mit dem Turbinenstrom (70) betrieben wird, wobei der Luftverdichter die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft darstellt.

4. Verfahren nach Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenstrom (17) bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher (9) unter dem zweiten Druck steht und der Drosselstrom (11) bei der Abkühlung im Hauptwärmetauscher (9) unter einem dritten Druck steht, der gleich dem zweiten Druck oder höher als der zweite Druck ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischendruck 1,5 bis 5 bar unter dem zweiten Druck liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System (50) eine Hochdrucksäule (14) und eine Niederdrucksäule (15) aufweist, die über einen Hauptkondensator (16) in Wärmeaustauschbeziehung stehen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Sauerstoffstrom (47) aus der Niederdrucksäule (15) oder dem Hauptkondensator (16) entnommen und als flüssiger Produktstrom eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Stickstoffstrom (55) aus der Hochdrucksäule (14) oder dem Hauptkondensator (16) entnommen und als flüssiger Produktstrom eingesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Argonstrom (105) aus dem Destilliersäulen-System (50) entnommen und als flüssiger Produktstrom eingesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Luftstrom (27) aus einem anderen Teil des gereinigten Hauptluftstroms (5) gebildet wird und der zweite Luftstrom (27) unter dem ersten Druck im Hauptwärmetauscher (9) abgekühlt und dem Destilliersäulen-System (50) zugeleitet wird.

11. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System (50), das mindestens eine Trennsäule (14, 15) aufweist,

- mit einem Luftverdichter (2) zum Verdichten eines Hauptluftstroms (1) auf einen ersten Druck

- mit einer Reinigungsvorrichtung (4) zur Reinigung des auf den ersten Druck verdichteten Hauptluftstroms (1),

- mit einem Nachverdichter (7) zum Verdichten eines ersten Luftstrom (6), der aus mindestens einem Teil des gereinigten Hauptluftstroms (5) gebildet wird, auf einen zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist,

- mit Mitteln zum Abzweigen eines Drosselstroms (11) und eines Turbinenstroms (18, 70, 21) aus dem abgekühlten nachverdichteten ersten Luftstrom (10),

- mit einem Hauptwärmetauscher (9) zum Abkühlen des Drosselstroms (11) und des Turbinenstroms (18, 70, 21),

- mit Mitteln zum Verflüssigen oder Pseudo-Verflüssigen des Drosselstroms (11) in dem Hauptwärmetauscher,

- mit einer Entspannungseinrichtung (12) zum Entspannen des verflüssigten oder pseudo-verflüssigten Drosselstroms (11),

- mit Mitteln zum Einleiten des entspannten Drosselstroms (13) in das Destilliersäulen-System (50),

- mit Mitteln zur Einleitung des Turbinenstroms (70) unter einer Zwischentemperatur des Hauptwärmetauschers (9) in eine Entspannungsmaschine (19) zur arbeitsleistenden Entspannung des Turbinenstroms (70),

- mit Mitteln zur Einleitung des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms (21) in das Destilliersäulen-System (50),

- mit Mitteln zum Entnehmen eines flüssigen Produktstroms (47; 55; 105) aus dem Destilliersäulen-System (50), zur Erhöhung dessen Drucks in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck (48; 56; 106) und zur Verdampfung oder Pseudo-Verdampfung unter diesem erhöhten Druck durch indirekten Wärmeaustausch (9) mit dem Drosselstrom und mit Mitteln zum Abziehen des (pseudo-)verdampften Produktstroms als gasförmigen Produktstrom (51; 59; 108),
gekennzeichnet durch

- Mittel zum Abziehen des Turbinenstroms aus dem Hauptwärmetauscher (9) an einer Stelle, an der im Betrieb der Vorrichtung - falls der Druck des Turbinenstrom unterkritisch ist - etwa die Taupunkttemperatur des Turbinenstroms oder eine niedrigere Temperatur erreicht ist beziehungsweisefalls der Druck des Turbinenstroms unterkritisch ist - der Turbinenstrom pseudo-verflüssigt ist,

- Mittel zum Entspannen (18) des aus dem Hauptwärmetauscher (9) abgezogenen Turbinenstroms (17) auf einen Zwischendruck, der unterhalb des zweiten Drucks liegt, und durch

- Mittel zum Anwärmen des auf den Zwischendruck entspannten Turbinenstrom in dem Hauptwärmetauscher (9) auf die Zwischentemperatur, wobei diese Mittel stromaufwärts der Entspannungsmaschine (19) angeordnet sind.

Zeichnung