VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR VARIABLEN ERZEUGUNG EINES GASFÖRMIGEN DRUCKPRODUKTS

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zurvariablen Erzeugung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mittels Druckerhöhung im flüssigen Zustand und anschließender Verdampfung.

[0002] Die Methode, ein Flüssigprodukt eines Luftzerlegers auf Druck zu bringen und anschließend zu verdampfen, wird häufig auch als "Innenverdichtung" bezeichnet. Derartige Prozesse sind für die Gewinnung einer konstanten Menge eines unter Druck stehenden Gases altbekannt (beispielsweise DE-C-752439) und bieten gegenüber der gasförmigen Produktverdichtung den Vorteil geringerer Apparatekosten.

[0003] Ebenfalls bekannt sind "Wechselspeicherverfahren" mit mindestens zwei Speichertanks, bei denen variable Mengen eines Luftgases unter Atmosphärendruck gewonnen werden können und trotzdem ein stationärer Betrieb der Rektifikation möglich ist (siehe beispielsweise W. Rohde, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 54/1984, Seiten 18 bis 20).

[0004] Die Druckschriften DE-B-1056633, EP-A-422974, EP-A-524785 und EP-A-556861 zeigen Prozesse, die Innenverdichtung und Wechselspeicherung kombinieren, indem sowohl das zu verdampfende Flüssigprodukt als auch bei der Verdampfung verflüssigter Wärmeträger (Luft oder Stickstoff) in Speichertanks gepuffert werden. Das Problem des variierenden Bedarfs an Wärmeträger für die Verdampfung des Flüssigprodukts wird in DE-B-1056633 dadurch gelöst, daß der jeweils nicht für die Verdampfung benötigte Anteil des Wärmeträgers arbeitsleistend entspannt und verworfen wird. Davon ist man später abgekommen und verdichtet statt dessen variable Mengen an Wärmeträger (EP-A-422974, EP-A-524785 und EP-A-556861). Während im ersten Fall ein gereinigtes Gas ungenutzt verlorengeht, treten im zweiten Fall große relative Schwankungen des Verdichterdurchsatzes auf. Beide Arten von Anlagen können nur in der jeweiligen Betriebsweise gefahren werden.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die möglichst flexibel betrieben werden können und die insbesondere die oben beschriebenen Nachteile vermeiden.

[0006] Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

[0007] Das gasförmig zu gewinnende Druckprodukt wird in flüssiger Form aus der oder einer der Rektifiziersäulen abgezogen und in einem ersten Speichertank gepuffert. Je nachdem, ob momentan eine unterdurchschnittliche oder eine überdurchschnittliche Produktmenge erzeugt wird, steigt odersinkt der Flüssigkeitsstand im Tank. Beispielsweise kann diejenige Menge an in der Rektifikation erzeugter flüssiger Fraktion, die momentan nicht verdampft oder anderweitig (beispielsweise als Flüssigprodukt) verwendet werden kann, in den Tank eingeführt werden; entsprechend wird bei hohem Produktbedarf Flüssigkeit aus dem Tank zur Verdampfung geführt. Es ist aber auch möglich, die gesamte flüssige Fraktion in den Speichertank einzuleiten und jeweils die aktuell benötigte Menge zu entnehmen und der Verdampfung zuzuführen. Unter "Speichertank" ist hier jede Vorrichtung zur Flüssigkeitsspeicherung zu verstehen. Dabei kann es sich beispielsweise um einen externen Tank mit eigener Isolierung handeln, aber auch um eine andere Art von Gefäß, das innerhalb der Tieftemperaturzerlegungsanlage angeordnet und zur Pufferung von Flüssigkeit geeignet ist.

[0008] Zur Druckerhöhung im flüssigen Zustand kann jede bekannte Methode angewandt werden, beispielsweise Druckaufbauverdampfung am Speichertank, Ausnutzung einer statischen Höhe, Pumpen stromaufwärts oder stromabwärts des Speichertanks, oder auch Kombinationen dieser Methoden. Vorzugsweise wird die flüssige Fraktion durch eine stromabwärts des Tanks angeordnete Pumpe auf Druck gebracht. Der Durchsatz dieser Pumpe kann gesteuert werden, um die Variation der Produktmenge zu bewirken.

[0009] Das erfindungsgemäße Verfahren weist außerdem einen Kältekreislauf mit einem Kreislaufverdichter und einer Entspannungsmaschine auf. Darin wird ein Wärmeträger, insbesondere ein Prozeßgas der Luftzerlegung, verdichtet, arbeitsleistend entspannt und wieder zum Kreislaufverdichter zurückgeführt. Mit Hilfe dieses Kreislaufs wird Kälte zum Ausgleich von Isolations- und Austauschverlusten und gegebenenfalls zur Produktverflüssigung erzeugt.

[0010] Der Kreislaufverdichter dient gleichzeitig zur Verdichtung des Wärmeträgers, der gegen das zu verdampfende Produkt kondensiert und in einem zweiten Speichertank gepuffert wird (erster Teilstrom des Wärmeträgers). Er verdichtet den Wärmeträger auf einen Druck, der einer Kondensationstemperatur entspricht, die mindestens etwa gleich der Verdampfungstemperatur der flüssig auf Druck gebrachten Fraktion ist. Mindestens ein Teil des im Kreistaufverdichter verdichteten Wärmeträgers wird zum Kreislaufverdichter zurückgeleitet, insbesondere der zweite Teilstrom nach seiner arbeitsleistenden Entspannung oder ein Teil davon. Der zweite Teilstrom des im Kreislaufverdichter komprimierten Wärmeträgers braucht also nicht oder nicht vollständig verworfen zu werden, sondern wird mindestens teilweise im Kreis geführt. Kältekreislauf und variable Produktverdampfung sind bei der Erfindung integriert; dieselbe Maschine dient sowohl zur Kälteerzeugung als auch zur Erzeugung des für die Verdampfung der flüssigen Fraktion benötigten Drucks.

[0011] Selbstverständlich wird auch bei der Erfindung der erste Teilstrom entsprechend der variablen Produktmenge variiert. Diese Variation kann jedoch hier auf unterschiedliche Weise realisiert und damit flexibel an die jeweils aktuellen Bedürfnisse angepaßt werden.

[0012] In einer ersten Betriebsweise wird bei erhöhtem Bedarf an gasförmigem Druckprodukt die Menge des im Kreislaufverdichter verdichteten Wärmeträgers konstant gehalten. Die Variation des ersten Teilstroms wird durch eine entsprechende Variation des zweiten Teilstroms des Wärmeträgers aufgefangen. Bei Erhöhung/Verringerung der Produktion wird die Menge des zweiten Teilstroms um denselben Betrag verringert/erhöht, um den die Menge des ersten Teilstroms erhöht/verringert wird. (Mit "Menge" werden hier molare Mengen pro Zeiteineinheit bezeichnet, die z.B. in Nm³/h angegeben werden können.) Damit kann der Kreislaufverdichter konstant gefahren werden, beispielsweise mit seinerAuslegungskapazität, eine Steuerung in Abhängigkeit von der Produktmenge ist nicht nötig. Eine erhöhte Menge an im zweiten Teilstrom verflüssigtem Wärmeträger wird im zweiten Tank zwischengespeichert; eine erhöhte Gasmenge im zweiten Teilstrom kann durch eine entsprechende Entnahme von Gas (beispielsweise als Produkt) aus dem Kreislauf kompensiert werden; umgekehrt wird bei unterdurchschnittlicher Produktion eine entsprechend geringere Menge an Gas aus dem Kreislauf entnommen.

[0013] Alternativ dazu kann die Anlage in einerzweiten Betriebsweise gefahren werden. Dabei bleibt der Durchsatz des zweiten Teilstroms gleich, während die Variation des ersten Teilstroms vom Kreislaufverdichter nachgefahren wird. Bei erhöhtem Bedarf an gasförmigem Druckprodukt wird also die Menge des zweiten Teilstroms konstant gehalten und die Menge des im Kreislaufverdichter verdichteten Wärmeträgers um denselben Betrag wie die Menge des ersten Teilstroms erhöht. Dennoch sind beim erfindungsgemäßen Verfahren auch bei dieser Betriebsweise die relativen Schwankungen des Verdichterdurchsatzes vergleichweise gering, da die Kreislaufmenge konstant bleiben kann. Der gleichbleibende Anteil des im Kreislaufverdichter komprimierten Gases dämpft die relativen Ausschläge des Verdichterdurchsatzes.

[0014] Die beiden Betriebsweisen können aber auch kombiniert werden, indem die Schwankungen des ersten Teilstroms zu einem Teil durch Variation des zweiten Teilstroms und zu einem anderen Teil durch Veränderung des Durchsatzes am Kreislaufverdichter kompensiert werden. Bei erhöhtem Bedarf an gasförmigem Druckprodukt werden dann sowohl die Menge des im Kreislaufverdichterverdichteten Wärmeträgers erhöht als auch die Menge des zweiten Teilstroms verringert.

[0015] Je nach Bedarf kann zwischen diesen Betriebsweisen gewechselt werden, beispielsweise um Flüssigproduktentnahmen aus dem Tank zu kompensieren oder für bestimmte Zeit eine erhöhte Menge an Flüssigprodukt(en) zu liefern. Je nach Menge des zweiten Teilstroms wird bei dessen arbeitsleistender Entspannung unterschiedlich viel Kälte erzeugt.

[0016] In jedem Fall können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sämtliche Ströme, die in die Rektifiziersäule(n) eingespeist oder daraus entnommen werden, konstant bleiben. Schwankungen in der Produktmenge haben damit keinerlei Auswirkungen auf die Rektifikation. Insbesondere können in jedem betriebsfall gleichbleibend hohe Reinheiten und Ausbeuten erzielt werden.

[0017] Falls das Rektifiziersystem eine aus Drucksäule und Niederdrucksäule bestehende Doppelsäule aufweist, kann beispielsweise flüssiger Sauerstoff vom Sumpf der Niederdrucksäule oder verflüssigter Stickstoff aus der Drucksäule als flüssige Fraktion verwendet werden.

[0018] In einer günstigen Ausführungsform wird weiterer Strom des Wärmeträgers arbeitsleistend entspannt. Dadurch kann einerseits zusätzlich Kälte in dem Kreislauf erzeugt werden, andererseits ist eine weitere Möglichkeit zur genaueren Anpassung der Kälteleistung an den momentanen Bedarf gegeben, die unabhängig von der Regelung des Kreislaufverdichters und des zweiten Teilstroms ist.

[0019] Insbesondere kann die Menge des weiteren Stroms, die der arbeitsleistenden Entspannung zugeführt wird, bei erhöhtem Bedarf an gasförmigem Druckprodukt erniedrigt werden und damit ein Überschuß an Kälte mindestens teilweise kompensiert werden. Vorzugsweise führt die arbeitsleistende Entspannung des weiteren Stroms etwa von dem Eintrittsdruck des Kreislaufverdichters (unteres Niveau des Kältekreislaufs) auf etwa Atmosphärendruck und der arbeitsleistend entspannte weitere Strom wird als druckloses Gasprodukt abgezogen. Damit lassen sich auch Schwankungen der im Kreislauf zirkulierenden Gasmenge auffangen. Insbesondere kann beispielsweise bei der ersten Betriebsweise (konstanter Durchsatz am Kreislaufverdichter) eine Verringerung der Menge des zweiten Teilstroms durch eine entsprechende Erniedrigung der Menge des arbeitsleistend entspannten weiteren Stroms ausgeglichen werden. Bei der zweiten Betriebsweise (konstanter Durchsatz bei der arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Teilstroms) kann zum Beispiel eine Erhöhung des Kreislaufverdichterdurchsatzes durch eine Veringerung der Gasmenge kompensiert werden, die als weiterer Strom den Kreislauf verläßt.

[0020] Grundsätzlich kann jeder in dem Verfahren verfügbare Prozeßstrom als Wärmeträger für den Kältekreislauf und die Verdampfung der flüssigen Fraktion verwendet werden, beispielsweise Luft oder auch ein anderes Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch. Bevorzugt wird jedoch Stickstoff aus dem Rektifiziersystem als Wärmeträger eingesetzt, im Falle einer Doppelsäule beispielsweise gasförmiger Stickstoff, der am Kopf der Drucksäule anfällt. In der Regel wird der gesamte Kreislaufstickstoff in der Anlage selbst produziert. Zusätzlich kann jedoch eine Teilmenge des Wärmeträgers aus einer äußeren Quelle stammen, beispielsweise durch Einspeisung von Flüssigstickstoff aus einer anderen Anlage oder aus einem Tankwagen in den zweiten Speichertank.

[0021] Wenn Stickstoff als Produkt gewonnen wird, kann somit der zweite Speichertank neben seiner Pufferwirkung für die variable Druckproduktgewinnung auch als Sicherheitsreserve (Backup) für einen zeitweisen Ausfall der Anlage und/oder als Puffer für Flüssigprodukt eingesetzt werden.

[0022] Außerdem hat die Verwendung von Stickstoff als Wärmeträgerden Vorteil, daß Kältekreislauf und Druckproduktverdampfung keinerlei negative Auswirkungen auf die Rektifikation hat, wie es bei der Zuspeisung von gegen Druckprodukt verflüssigter Luft und bei der Einspeisung von gasförmiger Luft aus einer Entspannungsmaschine in eine Niederdrucksäule der Fall wäre. Die Rektifikation kann also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Einsatz von Stickstoff als Wärmeträger optimal gefahren werden. Das Verfahren ist damit auch für hohe Produktreinheiten und - ausbeuten geeignet, ebenso wie für die Gewinnung von Argon im Anschluß an die Luftzerlegung im engeren Sinne (z.B. an die Niederdrucksäule einer Doppelsäule angeschlossene Rohargonsäule).

[0023] Es ist günstig, wenn die Einsatzluft für das Rektifiziersystem in einem Hauptwärmetauschersystem abgekühlt wird, in dem auch die Verdampfung der flüssigen Fraktion unter erhöhtem Druck durchgeführt wird. Durch diese Integraton der Wärmeaustauschvorgänge können die Austauschverluste gering gehalten werden.

[0024] Dies kann zum einen dadurch realisiert werden, daß das Hauptwärmetauschersystem einen Wärmetauscherblock aufweist, in dem sowohl die Abkühlung der Einsatzluft als auch die Verdampfung der flüssigen Fraktion unter erhöhtem Druck durchgeführt werden.

[0025] Apparativ weniger aufwendig ist es jedoch, wenn das Hauptwärmetauschersystem mehrere Waärmetauscherblöcke aufweist, insbesondere einen ersten und einen zweiten Wärmetauscherblock, wobei in dem ersten Wärmetauscherblock die Abkühlung der Einsatzluft und in dem zweiten Wärmetauscherblock die Verdampfung der flüssigen Fraktion unter erhöhtem Druck durchgeführt wird. In diesem Fall ist es günstig, wenn die beiden Wärmetauscherblöcke durch einen Ausgleichsstrom gekoppelt sind, der einem der beiden Wärmetauscherblöcke zwischen dem warmen und kalten Ende entnommen und dem anderen der beiden Wärmetauscherblöcke zwischen dem warmen und kalten Ende zugeführt wird.

[0026] Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7.

[0027] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand des Ausführungsbeispiels des Linde-VARIPOX®-Verfahrens (VARiable Internal Pressurization of OXygen) und derentsprechenden Anlage näher erläutert, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind.

[0028] Verdichtete und gereinigte Einsatzluft 10 wird unter einem Druck von 5 bis 10 bar, vorzugsweise 5,5 bis 6,5 bar im Wärmetauscher 11 abgekühlt, der mit dem Wärmetauscher 12 das Hauptwärmetauschersystem bildet. Über Leitung 13 wird sie bei etwa Taupunktstemperatur in eine Drucksäule 14 eingeleitet. Die Drucksäule gehört zu dem Rektifiziersystem, das außerdem eine Niederdrucksäule 15 aufweist, die bei einem Druck von 1,3 bis 2 bar, vorzugsweise 1,5 bis 1,7 bar betrieben wird. Drucksäule 14 und Niederdrucksäule 15 sind über einen Hauptkondensator 16 thermisch gekoppelt.

[0029] Sumpfflüssigkeit 17 aus der Drucksäule 14 wird in einem Gegenströmer 18 gegen Produktströme der Niederdrucksäule unterkühlt und in die Niederdrucksäule 15 eingespeist (Leitung 19). Gasförmiger Stickstoff 20 vom Kopf der Drucksäule 14 wird im Hauptkondensator 16 gegen verdampfende Flüssigkeit im Sumpf der Niederdrucksäule 15 verflüssigt. Das Kondensat 21 wird zu einem Teil als Rücklauf auf die Drucksäule 14 aufgegeben (Leitu ng 22) und zu einem anderen Teil 23 nach Unterkühlung 18 in einen Abscheider 25 eingeführt (24). Die Niederdrucksäule 15 wird aus dem Abscheider 25 mit Rücklaufflüssigkeit versorgt (Leitung 26).

[0030] Niederdruckstickstoff 27 und unreiner Stickstoff 28 werden nach Entnahme aus der Niederdrucksäule 15 in den Wärmetauschern 18 und 11 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Der unreine Stickstoff 30 kann zur Regenerierung eines nicht dargestellten Molekularsiebs für die Luftreinigung eingesetzt werden; der Niederdruckstickstoff 29 wird entweder als Produkt abgeführt oder in einem Verdunstungskühler zur Abkühlung von Kühlwasser verwendet.

[0031] Sauerstoff wird als flüssige Fraktion über Leitung 31 aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 15 abgezogen, unterkühlt (18) und in einen Fiüssigsauerstofftank (ersten Speichertank) 33 eingeführt (32). Der Flüssigsauerstofftank 33 steht vorzugsweise unter etwa Atmosphärendruck. Flüssiger Sauerstoff 34 aus dem ersten Speichertank 33 wird mittels einer Pumpe 35 auf einen erhöhten Druck von beispielsweise 5 bis 80 bar gebracht, je nach benötigtem Produktdruck . (Selbstverständlich sind auch andere Methoden zur Druckerhöhung in der flüssigen Phase anwendbar, beispielsweise durch Ausnutzung eines hydrostatischen Potentials oder durch Druckaufbauverdampfung an einem Speichertank.) Der flüssige Hochdrucksauerstoff 36 wird im Wärmetauscher 12 verdampft und als innenverdichtetes gasförmiges Produkt 37 abgezogen.

[0032] Der Teil des gasförmigen Stickstoffs aus der Drucksäule 14, der nicht dem Hauptkondensator 16 zugeführt wird, wird über die Leitungen 38, 39 und 40 durch den Wärmetauscher 11 abgezogen und als Wärmeträger einem Kältekreislauf zugeführt, der unter anderem einen zweistufigen Kreislaufverdichter 41, 42 und eine Entspannungsturbine 43 umfaßt. Im Kreislaufverdichter 41, 42 wird der Stickstoff von etwa Druckstufendruck auf einen Druck komprimiert, der einer Stickstoff-Kondensationstemperatur entspricht, die mindestens etwa gleich der Verdampfungstemperatu r des flüssigen Drucksauerstoffs 36 ist. Dieser Druck beträgt-je nach vorgegebenem Abgabedruck des Sauerstoffs - beispielsweise 15 bis 60 bar. Ein erster Teilstrom 45 des hochverdichteten Stickstoffs 44 wird gegen den verdampfenden Sauerstoff 36 mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig oder im wesentlichen vollständig verflüssigt und in einen Abscheider 46 eingespeist.

[0033] Der zweite Teilstrom 59 des im Kreislaufverdichter komprimierten Stickstoffs wird bei dem hohen Druck und bei einer Temperatur, die zwischen den Temperaturen am warmen und am kalten Ende des Wärmetauschers 12 liegt, der Entspannungsturbine 43 zugeleitet und dort auf etwa Drucksäulendruck arbeitsleistend entspannt. Der entspannte zweite Teilstrom 60 wird zum einen Teil du rch Wärmetauscher 12 (über 61, 62), zum anderen Teil durch Wärmetauscher 11 (über 63, 64, 39, 40) zum Eintritt des Kreislaufverdichters 41, 42 zurückgeführt.

[0034] Flüssiger Stickstoff aus dem Abscheider 46 kann über Leitung 47 als Rücklauf auf die Drucksäule 14 aufgegeben und/oder über Leitung 48 in einen zweiten Speichertank (Flüssigstickstofftank 49) eingeführt werden, der unter einem Druck von beispielsweise 1 bis 5 bar, vorzugsweise unter etwa Atmosphärendruck steht. Der Tank kann außerdem gegebenenfalls von überschüssiger Flüssigkeit 50 aus dem Abscheider 25 gespeist werden, die nicht als Rücklauf für die Niederdrucksäule 15 benötigt wird. Bei Bedarf kann flüssiger Stickstoff mittels einer Pumpe 51 in den Abscheider 46 gedrückt werden (Leitung 52).

[0035] Ein Teil des Stickstoffs 53 aus Leitung 39 kann bei einer Zwischentemperatur aus dem Wärmetauscher 11 entnommen werden. Dieser Teil dient teilweise als Ausgleichsstrom 54, mit dessen Hilfe die Effizienz des Hauptwärmetauschersystems 11, 12 verbessert werden kann, und teilweise als weiterer Strom 55 des Wärmeträgers, der in einer zweiten Entspannungsturbine 56 arbeitsleistend auf etwas über Atmosphärendruck entspannt wird. Der arbeitsleistend entspannte weitere Strom 57 wird im Wärmetauscher 12 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und verläßt die Anlage als gasförmiges Produkt 58.

[0036] Aus den Speichertanks 33, 49 können flüssiger Sauerstoff und/oder flüssiger Stickstoff als Produkte abgezogen werden (die entsprechenden Leitungen sind in der Zeichnung nicht dargestellt).

[0037] Die Wechselspeicherung hat bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keinerlei störende Einflüsse auf die Rektifikation, insbesondere wird weder Flüssigluft der Rektifikation zugeführt, noch wird Niederdruckluft direkt in die Niederdrucksäule eingespeist. Dadurch eignet sich der Prozeß hervorragend für besonders anspruchsvolle Trennaufgaben wie die Gewinnung von Argon. Dazu kann an einer Zwischenstelle 66 der Niederdrucksäule 15 eine konventionelle Argonrektifikation angeschlossen sein, wie es in der Zeichnung durch die dort gezeigten Leitungen angedeutet ist. Bevorzugt wird dazu einer der in EP-B-377117 oder in einer der europäischen Patentanmeldungen 95101844.9 oder 95101845.6 mit älterem Zeitrang beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt.

[0038] In dem Beispiel wird die erste Stufe 41 des Kreislaufverdichters auch als Produktverdichter verwendet, indem zwischen der ersten und der zweiten Stufe ein Produktstrom 65 unter einem Druck von vorzugsweise 8 bis 35 bar, beispielsweise 20 bar abgezogen wird.

[0039] Im folgenden werden nun die beiden grundsätzlichen Betriebsweisen eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung erläutert. Die Anlage ist für eine bestimmte mittlere Menge an Drucksauerstoffprodukt ausgelegt. Die Produktion kann um diesen mittleren Wert schwanken, und zwarzwischen einem minimalen und einem maximalen Wert. Zur Erläuterung, wie diese Schwankung bewerkstelligt wird, werden in den folgenden Zahlenbeispielen die beiden extremen Betriebsfälle ("Max.", "Min.") und der Betriebsfall der durchschnittlichen Drucksauerstoffproduktion ("Mittl.") einer Anlage vorgestellt, die 190.000 Nm³/h Einsatzluft verarbeitet. Die Drücke betragen dabei

Drucksäule 14	5,1 bar
Niederdrucksäule 15	1,3 bar
Drucksauerstoff 37	26 bar
Eintritt des Kreislaufverdichters	4,8 bar
Austritt des Kreislaufverdichters	42 bar
Flüssigsauerstofftank 33	1,1 bar
Flüssigstickstofftank	1,1 bar

[0040] Tabelle 1 betrifft diejenige Betriebsweise, in der die Entspannungsturbine 43 für den zweiten Teilstrom 59 mit konstanter Drehzahl gefahren wird; bei der in Tabelle 2 dargestellten Betriebsweise wird der Durchsatz durch den Kreislaufverdichter 41, 42 konstant gehalten. Selbstverständlich ist auch bei dem Ausführungsbeispiel jeder beliebige Übergang zwischen diesen beiden Betriebsweisen möglich. In beiden Tabellen werden die Mengen der jeweiligen Ströme für die drei genannten Betriebsfälle in 1000 Nm³/h angegeben. Die Bezugszeichen in der ersten Tabellenspalte beziehen sich auf die Zeichnung.

Tabelle 1

	(Konstanter Durchsatz durch Turbine 43)	Max.	Mittl.	Min.
50	Flüssigstickstoff aus dem Hauptkondensator zum Flüssigstickstofftank	1,5	1,5	1,5
32	Flüssiger Sauerstoff aus der Niederdrucksäule zum Flüssigsauerstofftank	36,5	36,5	36,5
40	Einspeisung von Drucksäulenstickstoff in den Kreislauf	90	90	90
53	Ausgleichsstrom + weiterer Strom (Turbine 56)	30	30	30
64	Entnahme von gasförmigem Stickstoff unter Drucksäulendruck aus dem Kreislauf	15	15	15
47	Flüssigstickstoff aus dem Flüssigstickstofftank und aus dem Kreislauf zum Kopf der Drucksäule	54	54	54
36	Zu verdampfender flüssiger Sauerstoff	45	35	25
37	Gasförmiges Druckprodukt (Sauerstoff)	45	35	25
44	Austritt des Kreislaufverdichters	93	83	73
45	Erster Teilstrom des Wärmeträgers	64	54	44
59 60	Zweiter Teilstrom des Wärmeträgers (Turbine 43)	28,5	28,5	28,5
61	Rückführung aus zweitem Teilstrom direkt durch Wärmetauscher 12 zum Kreislaufverdichter	13,5	13,5	13,5
54	Ausgleichsstrom	25	15	5
55 57	Weiterer Strom durch zweite Turbine 56	5	15	25
48	Flüssigstickstoff aus dem verflüssigten ersten Teilstrom in den Tank	10	0	0
52	Flüssigstickstoff aus dem Tank zur Drucksäule	0	0	10
65	Hochdruckstickstoffprodukt	35	35	35

Tabelle 2

	(Konstanter Durchsatz durch Kreislaufverdichter 41, 42)	Max.	Mittl.	Min.
50	Flüssigstickstoff aus dem Hauptkondensator zum Flüssigstickstofftank	1,5	1 ,5	1,5
32	Flüssiger Sauerstoff aus der Niederdrucksäule zum Flüssigsauerstofftank	36,5	36,5	36,5
40	Einspeisung von Drucksäulenstickstoff in den Kreislauf	90	90	90
53	Ausgleichsstrom + weiterer Strom (Turbine 56)	30	30	30
64	Entnahme von gasförmigem Stickstoff unter Drucksäulendruck aus dem Kreislauf	15	15	15
47	Flüssigstickstoff aus dem Flüssigstickstofftank und aus dem Kreislauf zum Kopf der Drucksäule	54	54	54
36	Zu verdampfender flüssiger Sauerstoff	45	35	25
37	Gasförmiges Druckprodukt (Sauerstoff)	45	35	25
44	Austritt des Kreislaufverdichters	83	83	83
45	Erster Teilstrom des Wärmeträgers	64	54	44
59 60	Zweiter Teilstrom des Wärmeträgers (Turbine 43)	18,5	28,5	38,5
61	Rückführung aus zweitem Teilstrom direkt durch Wärmetauscher 12 zum Kreislaufverdichter	3,5	13,5	23,5
54	Ausgleichsstrom	25	15	5
55 57	Weiterer Strom durch zweite Turbine 56	5	15	25
48	Flüssigstickstoff aus dem verflüssigten ersten Teilstrom in den Tank	10	0	0
52	Flüssigstickstoff aus dem Tank zur Drucksäule	0	0	10
65	Hochdruckstickstoffprodukt	35	35	35

[0041] Das Schema ist in der Zeichnung ist durch ein gestrichelte Linie in zwei Hälften geteilt. Die linke Hälfte enthält im wesentlichen den Kältekreislauf und die Speichertanks; die gesamte Rektifikation befindet sich in der rechten Hälfte. Im Wechselbetrieb des Verfahrens und der Anlage bleiben alle Ströme in der rechten Hälfte der Zeichnung vollständig oder im wesentlichen unverändert, die Schwankungen in der Drucksauerstoffproduktion wirken sich nur auf den Kreislauf und die Speichertanks aus. Dies spiegelt sich in den ersten sechs Zeilen der beiden Tabellen wieder, in denen sämtliche Ströme genannt sind, die die gestrichelte Linie überschreiten; diese weisen in allen Betriebsfällen den gleichen Durchsatz auf, während sich die Verdampfungsmenge ändert (Bezugszeichen 36, 37). Insbesondere wird über Leitung 38 eine konstante Menge von 105.000 Nm³/h Stickstoff aus der Drucksäule 14 in den variablen Teil der Anlage geführt, der in den Strömen 40 und 53 von einem - ebenfalls gleichbleibenden - Teil (15.000 Nm³/h) des in der Turbine 43 entspannten zweiten Teilstroms überlagert wird. Ebenso bleibt die Entnahme von flüssigem Sauerstoffprodukt 31, 32 aus der Niederdrucksäule 15 in allen Betriebsfällen konstant.

[0042] In dem Zahlenbeispiel von Tabelle 1 wird der zweite Teilstrom 59, 60 konstant gehalten. Die für die Verdampfung notwendige Variation des ersten Teilstroms 45 wird durch die entsprechende Veränderung des Durchsatzes durch den Kreislaufverdichter (Strom 44) bewirkt: Erhöht sich beispielsweise die Produktion von dem durchschnittlichen auf den maximalen Wert, so nimmt der Durchsatz durch den Kreislaufverdichter etwa um denselben Betrag wie die Produktmenge zu. Das zusätzliche Gas wird durch eine entsprechende Verringerung der Gasmenge zur Verfügung gestellt, die als weiterer Strom 55, 57, 58 durch die Turbine 56 aus dem Kreislauf entnommen wird.

[0043] Die schwankenden Mengen an verflüssigtem Wärmeträger (erster Teilstrom 45) werden dadurch gepuffert, daß bei überdurchschnittlicher Produktion über Leitung 48 überschüssige Flüssigkeit dem zweiten Speichertank 49 zugeführt wird; umgekehrt wird die fehlende Flüssigkeit bei geringer Produktmenge über Leitung 52 aus dem Flüssigstickstofftank nachgeführt, um die Rücklaufmenge für die Drucksäule 14 konstant zu halten.

[0044] Das Zahlenbeispiel von Tabelle 1 ist so ausgelegt, daß ein durchschnittlicher Überschuß an Flüssigkeit von jeweils 1500 Nm³/h Sauerstoff und Stickstoff erzeugt wird. Dieser kann kontinuierlich, intermittierend oder auch in variabler Menge in Form von Flüssigprodukten abgeführt werden. Im übrigen ist es bei dem Verfahren auch möglich, die durchschnittliche Kälteleistung des Kreislaufs und damit die mittlere Menge der Flüssigprodukte während des Betriebs zu verändern, indem die durchschnittlichen Drehzahlen der Turbinen entsprechend angepaßt werden. Die Anlage kann damit nicht nur bezüglich des innenverdichteten Druckprodukts, sondern auch hinsichtlich der Flüssigkeitsproduktion besonders flexibel betrieben werden.

[0045] Im Beispiel von Tabelle 2 wird statt des zweiten Teilstroms der Durchsatz des Kreislaufverdichters 41, 42 konstant gehalten.

Ansprüche

1. Verfahren zur variablen Erzeugung eines gasförmigen Druckprodukts (37) durch Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem Einsatzluft (10, 13) einem Rektifiziersystem (14, 15) zugeführt wird, wobei

- eine flüssige Fraktion (31, 32, 34) aus dem Rektifiziersystem (14, 15) in einem ersten Speichertank (33) gepuffert,

- der Druck der flüssigen Fraktion (34) erhöht (35) und

- eine variable Menge der flüssigen Fraktion (36) unter dem erhöhten Druck durch indirekten Wärmeaustausch (12) verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (37) gewonnen wird, wobei ferner

- ein Wärmeträger in einem Kältekreislauf geführt wird, der einen Kreislaufverdichter (41, 42) aufweist,

- ein erster Teilstrom (44, 45) von im Kreislaufverdichter (41, 42) verdichtetem Wärmeträger dem indirekten Wärmeaustausch (12) zur Verdampfung der flüssigen Fraktion (36) zugeführt und dabei mindestens teilweise verflüssigt wird,

- ein zweiter Teilstrom (44, 59) von im Kreislaufverdichter (41, 42) verdichtetem Wärmeträger (44) arbeitsleistend entspannt (43) wird und

- verflüssigter Wärmeträger (45, 48, 52) in einem zweiten Speichertank (49) gepuffert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Strom (55) des Wärmeträgers arbeitsleistend entspannt (56) wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des weiteren Stroms (55), die der arbeitsleistenden Entspannung (56) zugeführt wird, bei erhöhtem Bedarf an gasförmigem Druckprodukt (37) erniedrigt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stickstoff (31) aus dem Rektifiziersystem (14, 15) als Wärmeträger eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzluft (10) für das Rektifiziersystem (14, 15) in einem Hauptwärmetauschersystem (11, 12) abgekühlt wird, in dem auch die Verdampfung (12) der flüssigen Fraktion (36) unter erhöhtem Druck durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptwärmetauschersystem einen Wärmetauscherblock aufweist, in dem sowohl die Abkühlung der Einsatzluft als auch die Verdampfung der flüssigen Fraktion unter erhöhtem Druck durchgeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptwärmetauschersystem einen ersten und einen zweiten Wärmetauscherblock aufweist, wobei in dem ersten Wärmetauscherblock (11) die Abkühlung der Einsatzluft (10) und in dem zweiten Wärmetauscherblock (12) die Verdampfung der flüssigen Fraktion (36) unter erhöhtem Druck durchgeführt wird, und wobei die beiden Wärmetauscherblöcke (11, 12) durch einen Ausgleichsstrom (54) gekoppelt sind, der einem (11) der beiden Wärmetauscherblöcke zwischen dem warmen und kalten Ende entnommen und dem anderen (12) der beiden Wärmetauscherblöcke zwischen dem warmen und kalten Ende zugeführt wird.

7. Vorrichtung zur variablen Erzeugung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft,

- mit einem Rektifiziersystem (14, 15), in das eine Einsatzluftleitung (10, 13) führt,

- mit einer Flüssigkeitsleitung (31, 32) zur Entnahme einer flüssigen Fraktion aus dem Rektifiziersystem (14, 15) und zu deren Einleitung in einen ersten Speichertank (33),

- mit Mitteln (35) zur Erhöhung des Drucks der flüssigen Fraktion (34),

- mit einem Wärmetauscher (12) zur Verdampfung der flüssigen Fraktion (36) unter erhöhtem Druck,

- mit einer Produktleitung (37) zur Entnahme der verdampften flüssigen Fraktion als gasförmiges Druckprodukt,

- mit einem Kältekreislauf, der einen Kreislaufverdichter (41, 42) aufweist,

- mit einer ersten Teilstromleitung (44, 45), die von dem Kreislaufverdichter (41, 42) zu dem Wärmetauscher (12) zur Verdampfung der flüssigen Fraktion (36) verbunden ist,

- mit einer zweiten Teilstromleitung (44, 59), die von dem Kreislaufverdichter (41, 42) zu einer Entspannungsmaschine (43) führt und

- mit einem zweiten Speichertank (49) zur Pufferung von verflüssigtem Wärmeträger (45, 48)

gekennzeichnet durch

- eine dritte Teilstromleitung (55), die von dem Kreislaufverdichter (41, 42) zu einer weiteren Entspannungsmaschine (56) führt.

Claims

1. Process for the variable production of a gaseous pressurized product (37) by low-temperature separation of air, in which feed air (10, 13) is fed to a rectifying system (14, 15),

- a liquid fraction (31, 32, 34) from the rectifying system (14, 15) being buffered in a first reservoir tank (33),

- the pressure of the liquid fraction (34) being elevated (35) and

- a variable rate of the liquid fraction (36) being evaporated at the elevated pressure by indirect heat exchange (12) and obtained as gaseous pressurized product (37), in addition,

- a heat-transport medium being conducted in a refrigerating cycle which has a cycle compressor (41, 42),

- a first partial stream (44, 45) of the heat-transport medium compressed in the cycle compressor (41, 42) being fed to the indirect heat exchange (12) to evaporate the liquid fraction (36) and being, at least in part, liquefied,

- a second partial stream (44, 59) of heat-transport medium (44) compressed in the cycle compressor (41, 42) being expanded (43) so as to perform work and

- liquefied heat-transport medium (45, 48, 52) being buffered in a second reservoir tank (49), characterized in that a further stream (55) of the heat-transport medium is expanded (56) so as to perform work.

2. Process according to Claim 1, characterized in that the rate of the further stream (55) which is fed to the work-performing expansion (56) is decreased when there is an increased demand for gaseous pressurized product (37).

3. Process according to either of Claims 1 and 2, characterized in that nitrogen (31) from the rectifying system (14, 15) is used as heat-transport medium.

4. Process according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the feed air (10) for the rectifying system (14, 15) is cooled in a main heat exchanger system (11, 12), in which the evaporation (12) of the liquid fraction (36) at elevated pressure is also carried out.

5. Process according to Claim 4, characterized in that the main heat exchanger system has a heat exchanger block in which both the cooling of the feed air and the evaporation of the liquid fraction at elevated pressure are carried out.

6. Process according to Claim 4, characterized in that the main heat exchanger system has a first and a second heat exchanger block, in the first heat exchanger block (11) the cooling of the feed air (10) being carried out and in the second heat exchanger block (12) the evaporation of the liquid fraction (36) under elevated pressure being carried out, and the two heat exchanger blocks (11, 12) being coupled by a balance stream (54) which is taken off from one (11) of the two heat exchanger blocks between the hot and cold ends and is fed to the other (12) of the two heat exchanger blocks between the hot and cold ends.

7. Apparatus for the variable production of a gaseous pressurized product by low-temperature separation of air,

- having a rectifying system (14, 15), into which leads a feed air line (10, 13),

- having a liquid line (31, 32) for the withdrawal of a liquid fraction from the rectifying system (14, 15) and for its introduction into a first reservoir tank (33),

- having means (35) for elevating the pressure of the liquid fraction (34),

- having a heat exchanger (12) for evaporating the liquid fraction (36) at elevated pressure,

- having a product line (37) for the withdrawal of the evaporated liquid fraction as gaseous pressurized product,

- having a refrigeration cycle, which has a cycle compressor (41, 42),

- having a first partial stream line (44, 45), which is connected from the cycle compressor (41, 42) to the heat exchanger (12) to evaporate the liquid fraction (36) ,

- having a second partial stream line (44, 59), which leads from the cycle compressor (41, 42) to an expansion engine (43) and

- having a second reservoir tank (49) for buffering liquefied heat-transport medium (45, 48), characterized by

- a third partial stream line (55), which leads from the cycle compressor (41, 42) to a further expansion engine (56).

Revendications

1. Procédé de production variable d'un produit gazeux comprimé (37) par fractionnement à basse température d'air, lors duquel l'air de charge (10, 13) est acheminé dans un système de rectification (14, 15)

- une fraction liquide (31, 32, 34) en provenance du système de rectification (14, 15) étant tamponnée dans un premier réservoir (33),

- la pression de la fraction liquide (34) étant augmentée (35), et

- une quantité variable de la fraction liquide (36) s'évaporant sous la pression accrue par échange thermique indirect (12) et étant extraite en tant que produit gazeux comprimé (37) ; en outre

- un agent caloporteur étant acheminé dans un circuit fermé de refroidissement, qui présente un condenseur en circuit fermé (41, 42),

- un premier courant partiel (44, 45) de l'agent caloporteur comprimé dans le condenseur en circuit fermé (41, 42) étant acheminé, en vue de l'évaporation de la fraction liquide (36), à l'échange thermique indirect et étant de ce fait au moins partiellement liquéfié,

- un deuxième courant partiel (44, 59) de l'agent caloporteur (44), comprimé dans le condenseur en circuit fermé (41, 42), étant détendu en fournissant du travail (43) et

- l'agent caloporteur liquéfié (45, 48, 52) étant tamponné dans un deuxième réservoir (49),

caractérisé en ce qu'un courant supplémentaire (55) de l'agent caloporteur est détendu en fournissant du travail (56).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité du courant supplémentaire (55), qui est acheminé à la détente fournissant du travail (56), est réduite en cas de demande plus élevée de produit gazeux comprimé (37).

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'azote (31) en provenance du système de rectification (14, 15) est utilisé en tant qu'agent caloporteur.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'air de charge (10) pour le système de rectification (14, 15) est refroidi dans un système principal d'échange thermique (11, 12), dans lequel est également effectuée sous pression élevée l'évaporation (12) de la fraction liquide (36).

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système principal d'échange thermique présente un bloc d'échangeur thermique, dans lequel l'on effectue non seulement le refroidissement de l'air de charge, mais aussi l'évaporation sous pression élevée de la fraction liquide.

6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système principal d'échangeur thermique présente un premier et un deuxième bloc d'échangeur thermique, le refroidissement de l'air de charge (10) étant effectué dans le premier bloc d'échangeur thermique (11) et l'évaporation de la fraction liquide (36) étant effectuée sous pression élevée dans le bloc d'échangeur thermique (12), et les deux blocs d'échangeur thermique (11, 12) étant couplés par l'intermédiaire d'un courant de compensation (54), qui est prélevé de l'un (11) des deux blocs d'échangeur thermique, entre les extrémités chaude et froide, et de l'autre (12) des deux blocs d'échangeur thermique, entre les extrémités chaude et froide.

7. Dispositif de production variable d'un produit gazeux comprimé par fractionnement à basse température d'air,

- à l'aide d'un système de rectification (14, 15), dans lequel est conduit un conduit d'air de charge (10, 13),

- à l'aide d'un conduit de liquide (31, 32) en vue du prélèvement d'une fraction liquide en provenance du système de rectification (14, 15) et en vue de son introduction dans un premier réservoir (33),

- à l'aide de moyens (35) en vue de l'augmentation de la pression de la fraction liquide (34),

- à l'aide d'un échangeur thermique (12) en vue de l'évaporation sous pression élevée de la fraction liquide (36),

- à l'aide d'un conduit de produit (37) en vue du prélèvement de la fraction liquide évaporée en tant que produit gazeux comprimé,

- à l'aide d'un circuit fermé de refroidissement, qui présente un condenseur en circuit fermé (41, 42),

- à l'aide d'un premier conduit de courant partiel (44, 45), qui est raccordé du condenseur en circuit fermé (41, 42) en direction de l'échangeur thermique (12) en vue de l'évaporation de la fraction liquide (36),

- à l'aide d'un deuxième conduit de courant partiel (44, 59), qui conduit du condenseur en circuit fermé (41, 42) à une machine de détente (43) et

- à l'aide d'un deuxième réservoir (49) en vue du tamponnage de l'agent caloporteur liquéfié (45, 48),

caractérisé par

- un troisième conduit de courant partiel (55), qui conduit du condenseur de circuit formé (41, 42) à une machine de détente (56) supplémentaire.

Zeichnung