Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Produkts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft

Abstract

 Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Gewinnung eines gasförmigen Produkts durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Rektifiziersystem, das eine Hochdrucksäule (6) und eine Niederdrucksäule (7) aufweist. Ein erster gereinigter und abgekühlter Einsatzfuftstrom (1, 3, 4) wird der Hochdrucksäule (6) zugeführt. Mindestens ein flüssiger Strom (26, 27, 28; 23, 25) aus der Hochdrucksäule (6) wird in die Niederdrucksäule (7) eingeleitet. Ein Produktstrom (52) wird flüssig aus der Niederdrucksäule abgezogen und in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (53). Der flüssige Produktstrom (54) wird unter dem erhöhten Druck in indirektem Wärmeaustausch (13) mit einem zweiten gereinigten Einsatzluftstrom (1, 3, 5) verdampft. Der bei dem indirekten Wärmeaustausch (13) mindestens teilweise kondensierte zweite Einsatzluftstrom (14) wird mindestens teilweise arbeitsleistend entspannt (15) und in die Niederdrucksäule (7) eingeleitet (17, 18, 62, 47b, 48, 49b, 50). Der Druck des zweiten Einsatzluftstroms (17) am Austritt der arbeitsleistenden Entspannung (15) ist niedriger als der Betriebsdruck am Sumpf der Hochdrucksäule (6). Die arbeitsleistende Entspannung (15) des zweiten Einsatzluftstroms (14) wird einstufig durchgeführt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Produkts durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bei dem flüssigen Produktstrom, der bei dem Verfahren gegen einen Teil der Einsatzluft, den zweiten Einsatzluftstrom, verdampft wird, handelt es sich vorzugsweise um ein Sauerstoffprodukt aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule beliebiger Reinheit (beispielsweise 90 bis 99,8 %, vorzugsweise 98 bis 99,8 %). Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Verfahren, bei denen der zweite Einsatzluftstrom, der zum Verdampfen des flüssigen Produktstroms eingesetzt wird, einen Druck aufweist, der nicht oder nur geringfügig höher ist als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (zum Beispiel bis zum Zweifachen des Hochdrucksäulen-Drucks). In diesem Fall liegen sämtliche Drücke deutlich im unterkritischen Bereich; die Begriffe "verdampfen" und "kondensieren" sind in diesem Zusammenhang im Sinne eines Phasenübergangs zu verstehen. Wird Sauerstoff unter einem derartigen relativ niedrigen Druck verdampft, wird dieser Verfahrensschritt in der Regel nicht in einem Hauptwärmetauscher durchgeführt, der zur Abkühlung von Einsatzluft von Umgebungs- auf Rektifiziertemperatur dient, sondern in einem separaten Nebenkondensator. Dort kann ein Flüssigkeitsumlauf mit Spülung eingerichtet werden, der Betriebs- und Sicherheitsprobleme durch Ausfallen schwerer flüchtiger Bestandteile verhindert.

[0003] Daneben ist die Erfindung jedoch grundsätzlich auch auf höhere Produktdrücke anwendbar, die sogar oberhalb des kritischen Drucks liegen können. Insofern schließen also die Begriffe "verdampfen" und "kondensieren" auch "pseudoverdampfen" und "pseudo-kondensieren" ein. Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 869322 A1 (Figur 3) bekannt. Hier wird flüssige oder überkritische Luft in zwei Stufen arbeitsleistend entspannt, zunächst in einer ersten Stufe auf etwa Hochdrucksäulendruck und anschließend teilweise weiter in einer zweiten Stufe auf Niederdrucksäulendruck.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig sind.

[0005] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die arbeitsleistende Entspannung des zweiten Einsatzluftstroms einstufig durchgeführt wird. Hiermit wird die Druckdifferenz zwischen Kondensationsdruck des zweiten Einsatzluftstroms und Niederdrucksäulendruck auf besonders effiziente und apparativ einfache Weise ausgenutzt.

[0006] Die arbeitsleistende Entspannung wird in einer Turbine durchgeführt, die mit einer Bremsvorrichtung gekoppelt ist. Die Bremsvorrichtung kann beispielsweise einen Generator oder eine Ölbremse aufweisen.

[0007] Bei dem Verfahren ist es günstig, wenn ein dritter Einsatzluftstrom auf eine Zwischentemperatur zwischen Umgebungs- und Rektifiziertemperatur abgekühlt, arbeitsleistend entspannt und der Niederdrucksäule zugeleitet wird. Zusätzlich zu dem kondensierten zweiten Einsatzluftstrom wird also ein weiterer, gasförmiger Luftstrom direkt in die Niederdrucksäule eingeführt. Mit Hilfe der beiden arbeitsleistend durchgeführten Entspannungsschritte (zweiter und dritter Einsatzluftstrom) wird das "natürliche" Druckgefälle zwischen Hochdrucksäule und Niederdrucksäule optimal ausgenützt. Es ist in vielen Fällen damit möglich, die gesamte für das Verfahren benötigte Kälte zu gewinnen, ohne dass externe Energie zur Verdichtung von Luft auf deutlich über den Betriebsdruck der Hochdrucksäule verbraucht wird. Die Entspannungsmaschine für den dritten Einsatzluftstrom ist ebenfalls mit einer Bremsvorrichtung gekoppelt; diese wird vorzugsweise durch einen Generator oder durch einen Nachverdichter gebildet. Der Nachverdichter kann beispielsweise zur Nachverdichtung des zweiten Einsatzluftstroms eingesetzt werden, der zur Verdampfung des flüssigen Produktstroms dient; diese Nachverdichtung kann im Warmen oder im Kalten stattfinden.

[0008] Der arbeitsleistend entspannte zweite Einsatzluftstrom kann vollständig oder teilweise direkt in die Niederdrucksäule eingeleitet werden. In vielen einschlägigen Verfahren wird jedoch im Anschluss an die Stickstoff-Sauerstoff-Trennung in Hoch- und Niederdrucksäule auch Argon gewonnen. Dazu wird eine argonhaltige Fraktion aus der Niederdrucksäule einer Rohargonrektifikation zugeleitet. In diesen Fall ist es günstig, den arbeitsleistend entspannten zweiten Einsatzluftstrom vor seiner Einführung in die Niederdrucksäule in den Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers einzuleiten, der zur Erzeugung von flüssigem Rücklauf für die Rohargonrektifikation dient und beispielsweise als Kopfkondensator ausgebildet sein kann.

[0009] Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren bei mäßigen Produktdrücken im zu verdampfenden Produktstrom. In solchen Fällen ist der Druck des zweiten Einsatzluftstroms bei dem indirekten Wärmeaustausch mit dem verdampfenden Produktstrom beispielsweise kleiner oder gleich dem 1,5-Fachen des Betriebsdrucks am Sumpf der Hochdrucksäule. Hierbei ist es günstig, wenn der indirekte Wärmeaustausch zur Verdampfung des Flüssigprodukts in einem Nebenkondensator durchgeführt wird, der getrennt von einem Hauptwärmetauscher ist, in dem der erste Einsatzluftstrom abgekühlt wird. Der Produktstrom kann nach seiner Verdampfung im Nebenkondensator in den Hauptwärmetauscher eingeführt und dort angewärmt werden.

[0010] Vorzugsweise werden der erste Einsatzluftstrom und der zweite Einsatzluftstrom und gegebenenfalls der dritte Einsatzluftstrom gemeinsam auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule verdichtet. Damit bleibt der apparative Aufwand für die Luftverdichtung relativ niedrig. Der zweite Einsatzluftstrom kann bei Bedarf stromabwärts dieser gemeinsamen Verdichtung warm oder kalt weiterverdichtet werden.

[0011] Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 9 und 10.

[0012] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0013] Vorgekühlte und gereinigte Einsatzluft 1 strömt einem Hauptwärmetauscher 2 zu, der in dem Beispiel als ein einziger Block ausgebildet ist. In der Praxis kann er auch durch zwei oder mehrere parallel oder seriell verbundene Wärmetauscher realisiert werden. Ein Teil 3 der Einsatzluft wird bis zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 2 geführt und anschließend in einen ersten Einsatzluftstrom 4 und einen zweiten Einsatzluftstrom 5 aufgeteilt. Der erste Einsatzluftstrom 4 wird in gasförmigem Zustand in den unteren Bereich einer Hochdrucksäule 6 eingeblasen. Die Hochdrucksäule 6 ist Teil eines Rektifiziersystems, das außerdem eine Niederdrucksäule 7 aufweist. Die beiden Säulen 6, 7 stehen über einen Hauptkondensator 8 in wärmetauschender Verbindung. Der Betriebsdruck am Sumpf der Hochdrucksäule 6 beträgt beispielsweise 5 bis 7 bar, vorzugsweise 5,5 bis 6 bar, derjenige am Sumpf der Niederdrucksäule 7 beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, vorzugsweise 1,3 bis 1,4 bar. Der Luftdruck in Leitung 1 ist etwa gleich dem Hochdrucksäulen-Druck plus Leitungsverlusten. Vorzugsweise wird die Gesamtluft gemeinsam in einem einzigen Luftverdichter (nicht dargestellt) verdichtet.

[0014] Bei einer Zwischentemperatur des Hauptwärmetauschers 2 wird ein dritter Einsatzluftstrom 9 abgezweigt und in einer Einblaseturbine 10 arbeitsleistend auf etwa den Betriebsdruck der Niederdrucksäule entspannt und an einer Zwischenstelle in die Niederdrucksäule eingeblasen (12). Die Einblaseturbine 10 wird in dem Beispiel mit einem Generator 11 gebremst.

[0015] Der zweite Einsatzluftstrom 5 wird in einem Nebenkondensator 13 vollständig kondensiert. Die gesamte kondensierte Luft wird einer Flüssigturbine 15 zugeleitet, die eine einzige Entspannungsstufe aufweist. Hier wird die kondensierte Luft 14 von etwa Hochdrucksäulendruck auf etwa Niederdrucksäulen-Druck entspannt. Die Flüssigturbine 15 wird mittels eines Generators 16 gebremst. Die entspannte Flüssigluft 17 wird vollständig oder zu einem ersten Teil in die Niederdrucksäule eingespeist (18), und zwar an einer Zwischenstelle, die oberhalb der Stelle liegt, an der die gasförmige Luft 12 aus der Einblaseturbine 10 eingeführt wird. Alternativ beziehungsweise zusätzlich kann die entspannte Flüssigluft 17 vollständig beziehungsweise zu einem zweiten Teil über einen Verdampfungsraum eines Kondensator-Verdampfers 61 in die Niederdrucksäule geleitet werden (Leitungen 62; 47b - 48; 49b - 50); der Kondensator-Verdampfer 61 wird unten näher beschrieben.

[0016] Gasförmiger Stickstoff 19 vom Kopf der Hochdrucksäule wird vollständig oder teilweise über Leitung 20 in den Hauptkondensator 8 eingeführt und dort in indirektem Wärmeaustausch mit verdampfendem Sauerstoff aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 7 kondensiert. Ein erster Teil 22 des Kondensats 21 wird der Hochdrucksäule als Rücklauf aufgegeben; ein zweiter Teil 23 dient - nach Unterkühlung in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 24 und Drosselung 25 als Rücklauf für die Niederdrucksäule 7. Flüssiger Rohsauerstoff 26 vom Sumpf der Hochdrucksäule wird ebenfalls in den Unterkühlungs-Gegenströmer 24 eingeführt. Ein erster Teil 28 des unterkühlten Rohsauerstoffs wird direkt in die Niederdrucksäule eingedrosselt, und zwar zwischen der Einblaseluft 12 und dem weiter unten beschriebenen Argonübergang 29/30.

[0017] Sauerstoff 52 wird als Produktstrom flüssig vom Sumpf der Niederdrucksäule 7 abgezogen und in einer Pumpe 53 auf einen Produktdruck gebracht, der beispielsweise das 1,3-Fache des Betriebsdrucks am Sumpf der Niederdrucksäule beträgt. Der flüssig auf Druck gebrachte Sauerstoff 54 wird in dem Nebenkondensator 13 - bis auf eine nicht dargestellte Spülung - vollständig verdampft und über Leitung 55 dem Hauptwärmetauscher 2 zugeführt. Der auf etwa Umgebungstemperatur angewärmte Sauerstoff 56 wird als gasförmiges Druckprodukt (GOX) gewonnen.

[0018] Bei dem Verfahren kann außerdem gasförmiges Druckstickstoff 58 (PGAN) erzeugt werden, indem ein Teil 57 des gasförmigen Stickstoffs 19 vom Kopf der Hochdrucksäule 6 direkt abgezogen und im Hauptwärmetauscher 2 angewärmt wird. Druckloser Stickstoff 59, 60 vom Kopf der Niederdrucksäule 7 kann ebenfalls als Produkt gewonnen und/oder als Regeneriergas in einer nicht dargestellten Einrichtung zur Reinigung der Einsatzluft eingesetzt werden.

[0019] Zusätzlich zur Sauerstoff-Stickstoff-Trennung weist das Verfahren des Ausführungsbeispiels einen Schritt zur Gewinnung von Argon auf. Die Niederdrucksäule 7 kommuniziert hierzu an einer weiteren Zwischenstelle (Argonübergang) über die Leitungen 29 und 30 mit einer Rohargonrektifikation, die in dem Beispiel in zwei seriell verbundenen Rohargonsäulen 31 und 32 durchgeführt wird (vergleiche europäisches Patent EP 628777). Die Gasleitung 33 und die Flüssigleitung 34 mit Pumpe 35 stellen die Verbindung zwischen den beiden Säulen 31, 32 her. Rücklauf für die Rohargonrektifikation wird in einem Kondensator-Verdampfer 61 erzeugt, der als Kopfkondensator der Säule 32 ausgebildet ist. Hier wird Kopfgas 36 der Rohargonrektifikation verflüssigt und zu einem ersten Teil 37 auf den Kopf der zweiten Rohargonsäule 32 aufgegeben. Das übrige gasförmige Rohargon 38 strömt zu einer Reinargonsäule 39 und wird dort von leichter flüchtigen Verunreinigungen befreit, die über Kopf (Leitung 41) abgezogen und verworfen (ATM) werden. Über Leitung 40 wird das Reinargon-Produkt (LAR) flüssig vom Sumpf der Reinargonsäule 39 abgeführt.

[0020] Die Sumpfheizung 42 der Reinargonsäule 39 wird mit einem Teil 43 des unterkühlten flüssigen Rohsauerstoffs 27 aus der Hochdrucksäule 6 betrieben (vergleiche europäisches Patent EP 669509). Ein Teil 44 des weiter unterkühlten Rohsauerstoffs 43 liefert die Kälte für den Kopfkondensator 45 der Reinargonsäule 39; der Rest 46 strömt in den Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers 61 der Rohargonrektifikation 31/32 und wird gegebenenfalls durch einen Teil 62 der arbeitsleistend entspannten Flüssigluft 17 ergänzt. Der in den Verdampfungsräumen der beiden Kopfkondensatoren erzeugte Dampf 47a, 47b wird über Leitung 48 der Niederdrucksäule 7 zugeleitet, ebenso deren Spülflüssigkeit 49a, 49b über Leitung 50.

[0021] Zur Erhöhung des Produktdrucks des gasförmigen Sauerstoff-Druckprodukts 55, 56 auf beispielsweise das 1,4- bis Zweifache des Betriebsdrucks der Niederdrucksäule kann das Verfahren des Ausführungsbeispiels mit einem kalten oder warmen Nachverdichter für den zweiten Einsatzluftstrom ausgestattet werden (in der Zeichnung nicht dargestellt). Im Falle einer kalten Nachverdichtung wird in Leitung 5 ein Kaltverdichter eingebaut. Bei einer warmen Weiterverdichtung wird der zweite Einsatzluftstrom bereits stromaufwärts des Hauptwärmetauschers 2 von der Gesamtluft 1 abgetrennt, einem Nachverdichter mit Nachkühlung zugeleitet, in einer eigenen Passage des Hauptwärmetauschers 2 separat abgekühlt und schließlich analog zu Leitung 5 dem Verflüssigungsraum des Nebenkondensators 13 zugeführt.

[0022] In die Leitung 14 zwischen Nebenkondensator 13 und Flüssigturbine 15 ist vorzugsweise ein Abscheider als Phasentrenneinrichtung eingebaut (ebenfalls in der Zeichnung nicht dargestellt). Hier wird derjenige Anteil des zweiten Einsatzluftstroms, der bei der Kondensation im Nebenkondensator eventuell gasförmig verblieben ist, abgetrennt und über ein Drosselventil in die Hochdrucksäule 6 und/oder in die Niederdrucksäule 7 geleitet. Nur der flüssige Anteil des (gegebenfalls partiell) kondensierten zweiten Einsatzluftstroms 14 wird zur Flüssigturbine 15 geführt. Der Abscheider kann auch zur Steuerung der Flüssigturbine 15 eingesetzt werden, indem ein Flüssigkeitsstand-Regler am Abscheider auf die Drehzahl der Flüssigturbine wirkt; über das Drosselventil für das aus dem Abscheider abgezogene Gas kann der Druck im Abscheider geregelt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Produkts durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Rektifiziersystem, das eine Hochdrucksäule (6) und eine Niederdrucksäule (7) aufweist, wobei bei dem Verfahren

a. ein erster gereinigter und abgekühlter Einsatzluftstrom (1, 3, 4) der Hochdrucksäule (6) zugeführt wird,

b. mindestens ein flüssiger Strom (26, 27, 28; 23, 25) aus der Hochdrucksäule (6) in die Niederdrucksäule (7) eingeleitet wird,

c. ein Produktstrom (52) flüssig aus der Niederdrucksäule abgezogen und in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (53) wird,

d. der flüssige Produktstrom (54) unter dem erhöhten Druck in indirektem Wärmeaustausch (13) mit einem zweiten gereinigten Einsatzluftstrom (1, 3, 5) verdampft wird und

e. der bei dem indirekten Wärmeaustausch (13) mindestens teilweise kondensierte zweite Einsatzluftstrom (14) mindestens teilweise arbeitsleistend entspannt (15) und in die Niederdrucksäule (7) eingeleitet (17, 18, 62, 47b, 48, 49b, 50) wird,

f. wobei der Druck des zweiten Einsatzluftstroms (17) am Austritt der arbeitsleistenden Entspannung (15) niedriger als der Betriebsdruck am Sumpf der Hochdrucksäule (6) ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die arbeitsleistende Entspannung (15) des zweiten Einsatzluftstroms (14) einstufig durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Einsatzluftstrom (1, 9) auf eine Zwischentemperatur zwischen Umgebungs- und Rektifiziertemperatur abgekühlt (2), arbeitsleistend entspannt (10) und der Niederdrucksäule (7) zugeleitet (12) wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine argonhaltige Fraktion (29) aus der Niederdrucksäule einer Rohargonrektifikation (31, 32) zugeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass argonreiches Gas (36) aus der Rohargonrektifikation (32) in dem Kondensationsraum eines Kondensator-Verdampfers (61) kondensiert wird, wobei mindestens ein Teil (62) des arbeitsleistend entspannten zweiten Einsatzluftstroms (17) vor seiner Einleitung in die Niederdrucksäule (7) in den Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers (61) eingeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des zweiten Einsatzluftstroms (5) bei dem indirekten Wärmeaustausch (13) mit dem verdampfenden Produktstrom (52, 54) kleiner oder gleich dem Zweifachen des Betriebsdrucks am Sumpf der Hochdrucksäule (6) ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der indirekte Wärmeaustausch zur Verdampfung des Flüssigprodukts (52, 54) in einem Nebenkondensator (13) durchgeführt wird, der getrennt von einem Hauptwärmetauscher (2) ist, in dem der erste Einsatzluftstrom (1, 3, 4) abgekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktstrom (55) nach seiner Verdampfung im Nebenkondensator (13) in den Hauptwärmetauscher (2) eingeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einsatzluftstrom und der zweite Einsatzluftstrom und gegebenenfalls der dritte Einsatzluftstrom gemeinsam (1) auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule (6) verdichtet werden.

9. Vorrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Produkts durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft mit einem Rektifiziersystem, das eine Hochdrucksäule (6) und eine Niederdrucksäule (7) aufweist, und mit

a. einer ersten Einsatzluftleitung (1, 3, 4) zur Einleitung eines ersten gereinigten und abgekühlten Einsatzluftstroms in die Hochdrucksäule (6);

b. mindestens einer Flüssigkeitseinsatzleitung (26, 27, 28; 23, 25) zur Einleitung eines flüssigen Stroms aus der Hochdrucksäule (6) in die Niederdrucksäule (7),

c. einer Flüssigproduktleitung (52, 54) zur Entnahme eines flüssigen Produktstroms aus der Niederdrucksäule (7), die ein Mittel (53) zur Erhöhung des Drucks des flüssigen Produktstroms aufweist und

d. zu einem Mittel (13) zum Verdampfen des flüssigen Produktstroms durch indirekten Wärmeaustausch führt, das mit einer zweiten Einsatzluftleitung (1, 3, 5) verbunden ist,

e. mit einer Flüssigluftleitung (14, 17), die von dem Mittel (13) zum Verdampfen des flüssigen Produktstroms durch eine Entspannungsmaschine (15) in die Niederdrucksäule (7) führt,

f. wobei die Entspannungsmaschine (15) so ausgebildet ist, dass ihr Austrittsdruck im Betrieb der Vorrichtung niedriger als der Betriebsdruck am Sumpf der Hochdrucksäule (6) ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsmaschine (15) einstufig ausgeführt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Verdampfen des flüssigen Produktstroms durch indirekten Wärmeaustausch als Nebenkondensator (13) ausgebildet ist, der getrennt von einem Hauptwärmetauscher (2) ist, durch den die erste Einsatzluftleitung (1, 3, 4) führt.

Zeichnung