Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Drucksauerstoff und Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung kann bei der Erfindung als Zwei-Säulen-System (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehr-Säulen-System ausgebildet. Zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung können weitere Vorrichtungen zur Gewinnung hochreiner Produkte und/oder anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen vorgesehen sein, beispielsweise eine Argongewinnung und/oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.

Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der Aufbau von Doppelsäulenanlagen im Speziellen sind in der Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No.2, 1967, Seite 35) beschrieben. Die Wärmeaustauschbeziehung zwischen Hochdrucksäule und Niederdrucksäule einer Doppelsäule wird im Regelfall durch einen Hauptkondensator realisiert, in dem Kopfgas der Hochdrucksäule gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule verflüssigt wird.

Unter "Hochdrucksäule" wird hier eine Säule verstanden, die unter überatmosphärischem Betriebsdruck von mindestens 4 bar, in der Regel etwa zwischen 4 und 6 bar betrieben wird, manchmal auch unter weiter erhöhtem Druck. Die "Niederdrucksäule" weist einen niedrigeren Betriebsdruck auf und steht mit der Hochdrucksäule über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer in wärmetauschender Verbindung.

Der "Hauptwärmetauscher" dient zur Abkühlung von Einsatzluft und kann durch einen einzelnen Wärmetauscherblock oder auch durch eine Mehrzahl von Wärmetauscherblöcken gebildet sein.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Drucksauerstoff, bei dem die Druckerhöhung im Flüssigprodukt vorgenommen und die Hochdruckflüssigkeit anschließend in indirektem Wärmeaustausch mit einem Hochdruck-Prozessstrom (Wärmeträger) verdampft (beziehungsweise - bei überkritischem Druck - pseudo-verdampft) wird. Dieser Verfahrenstyp wird häufig als "Innenverdichtung" bezeichnet und ist beispielsweise in Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, S. 319-322 beschrieben. Als Hochdruck-Prozessstrom kann Stickstoff oder Einsatzluft eingesetzt werden. Der Produktdruck der Innenverdichtung beträgt beispielsweise 6 bis 100 bar, vorzugsweise 30 bis 95 bar. Der obere Kreislaufdruck des Stickstoffkreislaufs liegt beispielsweise zwischen 20 und 90 bar, vorzugsweise zwischen 20 und 75 bar.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus JP 11118352 A bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig sind und insbesondere einen besonders niedrigen Energieverbrauch bei vertretbarem apparativen Aufwand aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Kreislaufverdichter ist als warmer Verdichter ausgebildet, das heißt er wird mit einer Eintrittstemperatur betrieben, die oberhalb von 250 K, insbesondere oberhalb von 270 K liegt. Außerdem wird er mittels externer Energie angetrieben, also zum Beispiel mit einem Elektromotor oder einer Dampfturbine, jedenfalls nicht mit einer Turbine, die einen Prozessstrom der Luftzerlegung entspannt. Entgegen der Grundidee der JP 11118352 A wird der Kreislaufverdichter nicht als Kaltverdichter betrieben und auch nicht von einer Turbine angetrieben, in welcher der Kreislaufstickstoffstrom entspannt wird.

Hierdurch kann der Kreislaufstickstrom unabhängig vom Kältebedarf der Anlage eingestellt werden. Insbesondere kann die Heizleistung im Sumpfverdampfer der Hochdrucksäule frei gewählt werden. Damit kann das Verfahren erheblich flexibler an aktuelle Bedürfnisse angepasst und damit energetisch günstiger betrieben werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Hochdrucksäule mit einem Betriebsdruck (am Kopf) von beispielsweise 5 bis 6,5 bar, vorzugsweise 5,2 bis 6,2 bar betrieben. Im Fall des Einsatzes eines Zwei- oder Mehr-Kolonnensystems als Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung beträgt der Niederdrucksäulendruck weniger als 2 bar, vorzugsweise weniger als 1;6 bar.

Der "gasförmige Kreislaufstickstoffstrom" aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zum Kreislaufverdichter wird vorzugsweise vom Kopf der Hochdrucksäule abgezogen.

Der Produktdruck des Druckstickstoffprodukts kann gleich, niedriger oder höher als der Druck sein, unter dem der erste Teilstrom aus dem Kreislaufverdichter abgezogen wird, er liegt beispielsweise auf dem Niveau des Betriebsdrucks der Hochdrucksäule oder höher. Das Druckstickstoffprodukt kann in einer Mehrzahl von Unterströmen unter unterschiedlichen Drücken abgegeben werden; in diesem Fall wird die Gesamtheit des Druckstickstoffprodukts hier als "zweiter Teilstrom" bezeichnet.

Außerdem wird ein dritter Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms als Turbinenstrom aus dem Kreislaufverdichter entnommen wird, arbeitsleistend entspannt und mindestens teilweise in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet. Die bei der arbeitsleistenden Entspannung des Turbinenstroms erzeugte Energie wird vorzugsweise mechanisch auf einen Nachverdichter übertragen, in dem beispielsweise der Turbinenstrom stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung und/oder der erste Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms stromaufwärts seiner Einleitung in den Hauptwärmetauscher nachverdichtet werden.

In einer ersten Betriebsweise wird ein vierter Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms unter einem unteren Zwischendruck (P2) von einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters abgezogen, in einer Zwischendruckpassage des Hauptwärmetauschers abgekühlt und mit dem arbeitsleistend entspannten Turbinenstrom stromaufwärts des Kondensator-Verdampfers vermischt. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn der Turbinenstrom zur Ausheizung der Hochdrucksäule in dem ersten Kondensator-Verdampfer genutzt wird. Wenn relativ wenig Kälte benötigt wird, kann der Turbinenstrom so klein sein, dass er alleine nicht mehr die für die Kolonnenheizung benötigte Wärme aufbringen kann. Durch die Zumischung des vierten Teilstroms kann zusätzliche Wärme in den Kondensator-Verdampfer eingetragen werden. Kälteerzeugung und Kolonnenbetrieb sind damit unabhängig. Die Kälteleistung, die durch den Turbinenstrom erbracht wird, kann in weitem Bereich variiert werden, ohne dass sie den Betrieb des Destilliersäulen-Systems beeinflusst.

Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung kann die Menge des im unteren Abschnitt der Niederdrucksäule aufsteigenden Dampfs durch die Einstellung der Menge des zweiten Teilstroms des Kreislaufstickstoffstroms eingestellt werden und die Menge der Rücklaufflüssigkeit im oberen Teil der Niederdrucksäule indirekt über die Einstellung der Menge des ersten Teilstroms des Kreislaufstickstoffstroms, also die Heizleistung des Hochdrucksäulen-Sumpfverdampfers. Hiermit kann das Rücklaufverhältnis sowohl im oberen als auch im unteren Teil der Niederdrucksäule optimiert werden.

Wird die Menge des ersten Teilstroms des Kreislaufstroms erhöht oder vermindert und dadurch mehr oder weniger Stickstoff im Sumpfverdampfer kondensiert, steht eine entsprechend veränderte Menge an flüssigem Stickstoff als Rücklaufflüssigkeit in der Hochdrucksäule zur Verfügung und es kann mehr oder weniger Hochdruckstickstoff entnommen werden; es spielt dabei keine Rolle ob ein Teil des flüssigen Stickstoffs aus dem Sumpfverdampfer unmittelbar in die Niederdrucksäule eingeleitet wird, oder ob er in die Hochdrucksäule eingeleitet wird und damit entsprechend mehr (oder weniger) flüssiger Stickstoff aus der Hochdrucksäule beziehungsweise aus dem Hauptkondensator in die Niederdrucksäule übergeleitet werden kann. Wird weniger oder mehr Hochdrucksäulen-Stickstoff als "zweiter Teilstrom" entnommen und steht somit mehr oder weniger Heizleistung am Hauptkondensator zur Verfügung, wird entsprechend mehr oder weniger aufsteigender Dampf für den unteren Teil der Niederdrucksäule erzeugt.

Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Gewinnung von unreinem Drucksauerstoff mit einer Reinheit von weniger 98 mol-%, vorzugsweise von 97 % oder weniger. Es kann besonders vorteilhaft bei IGCC-Anlagen eingesetzt werden, in denen mindestens ein Teil des Drucksauerstoffprodukts in eine Kohlevergasung zur Erzeugung eines Brenngases eingeleitet wird und mindestens ein Teil des Druckstickstoffprodukts zum Kohletransport eingesetzt wird.

Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren mit konstanter Gesamtdruckstickstoffproduktmenge gefahren werden, wobei die Gesamtdruckstickstoffproduktmenge durch die Summe der Mengenströme gebildet wird, die stromaufwärts und/oder stromabwärts des Kreislaufverdichters und/oder von einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters unter einem Produktdruck aus dem Kreislaufstickstoffstrom abgezweigt und als Druckstickstoffprodukt gewonnen werden, also die Gesamtmenge an Stickstoffprodukt, die letztendlich von der Hochdrucksäule kommt und nicht aus der Niederdrucksäule oder einer anderen Säule. (Diese und alle anderen Mengenangaben sind molar zu verstehen.)

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Verfahren jedoch mit variabler Last gefahren, wobei
in einem ersten Lastfall

• eine erste Gesamtdruckstickstoffproduktmenge PN1 gewonnen wird,
• der erste Teilstrom in einer ersten Teilstrommenge TS1 durch den Sumpfverdampfer der Hochdrucksäule geführt wird und
• die Einsatzluft in einer ersten Einsatzluftmenge EL1 in den Luftverdichter eingeleitet wird,

• eine zweite, höhere Gesamtdruckstickstoffproduktmenge PN2 gewonnen wird, PN2 > PN1,
• der erste Teilstrom in einer zweiten, höheren Teilstrommenge TS2 durch den Sumpfverdampfer der Hochdrucksäule geführt wird, TS2 > TS1, und
• die Einsatzluft in einer zweiten Einsatzluftmenge EL2 in den Luftverdichter eingeleitet wird, wobei die zweite Einsatzluftmenge EL2 gleich der ersten Einsatzluftmenge EL1 oder nur unwesentlich höher ist, wobei gilt $$\left(\mathrm{{\rm E}L}2-\mathrm{EL}1\right)/\mathrm{EL}1<0,2\cdot \left(\mathrm{PN}2-\mathrm{PN}1\right)/\mathrm{PN}1.$$

Trotz der erhöhten Gesamtproduktion an Druckstickstoff bleibt also die Einsatzluftmenge gleich oder wird nur unwesentlich erhöht. "Unwesentlich" bedeutet hier, dass die relative Änderung der Luftmenge höchstens ein Fünftel, vorzugsweise weniger als ein Zehntel der relativen Änderung der Produktmenge an Druckstickstoff beträgt. Wenn in einem konkreten Beispiel die Gesamtdruckstickstoffproduktmenge PN2 im zweiten Lastfall um 50 % höher als im ersten, wird die zweite Einsatzluftmenge EL2 um weniger als 10 % erhöht, vorzugsweise bleibt sie gleich. Mit gleich bleibender oder nur geringfügig erhöhter Luftmenge kann also eine wesentliche Erhöhung der Gesamtproduktion an Druckstickstoff erreicht werden. Außerdem führt die im Wesentlichen gleich bleibende Luftmenge dazu, dass der Trennprozess innerhalb des Destilliersäulen-Systems bei einer Laständerung nur relativ wenig gestört wird und damit die Produktreinheiten weitgehend konstant bleiben. Außerdem kann die Menge an gasförmigem Drucksauerstoffprodukt gleich bleiben beziehungsweise sich nur unwesentlich ändern.

In einem konkreten Beispiel wird ein zweiter Teilstrom stromabwärts des Kreislaufverdichters als einziges Druckstickstoffprodukt entnommen. Bei einer Lasterhöhung von einem ersten zu einem zweiten Lastfall wird die Gesamtdruckstickstoffproduktmenge (also hier die Menge des zweiten Teilstroms) um 25 % erhöht (PN2 = 1,25 PN1). Gleichzeitig wird die Menge des Heizstroms des Hochdrucksäulen-Sumpfverdampfers um ca. 45 % erhöht (TS2 = 1,45 TS1), die Einsatzluftmenge bleibt dabei aber unverändert. Die Änderung des ersten Teilstroms hängt linear mit der Druckstickstoffprodukt-Änderung zusammen.

Die Erhöhung der Druckstickstoff-Entnahme mit gleich bleibender Einsatzluftmenge hat einen fast unveränderten Sauerstoffgehalt im unreinen Stickstoff-Produkt der Niederdrucksäule (UN2) zur Folge. Die Menge des innenverdichteten Produkt - Sauerstoffs bleibt konstant. Mit der Erhöhung der Druckstickstoff-Entnahme wird die UN2-Menge kleiner, die gleichzeitig die aufsteigende Gasmenge in der Niederdrucksäule bestimmt. Erhöht man die Druckstickstoff-Entnahme um 10.000 Nm³/h, vermindert sich auch die UN2-Menge um 10.000 Nm³/h. Die Last am Hauptkondensator ist also direkt proportional der Druckstickstoff-Entnahme. Werden zum Beispiel 10.000 Nm³/h mehr entnommen, werden 10.000 Nm³/h weniger Stickstoff am Hauptkondensator verflüssigt. Die Wasch-LIN-Flüssigkeit für die Niederdrucksäule wird ebenfalls entsprechend kleiner (um ca. 0,4*10.000 = 4.000 Nm³/h). Das heißt das Rücklaufverhältnis im oberen Abschnitt der Niederdrucksäule bleibt fast unverändert. Die Wasch-LIN-Flüssigkeit für die Drucksäule (aus dem Hauptkondensator) wird dabei um ca. 0,6*10.000 = 6.000 Nm³/h geringer. Um aber die Produktreinheiten nicht zu verlieren, muss das Rücklaufverhältnis in der Drucksäule "wiederhergestellt" werden. Dieses wird nun durch entsprechende Erhöhung des ersten Teilstroms sichergestellt.

Die Regelung des ersten Teilstroms kann dabei mittels eines AIC-Reglers erfolgen (zum Beispiel mit Konstanthalten der Sauerstoff-Produktreinheit).

Alternativ kann Prozesskälte durch arbeitsleistende Entspannung eines Teilstroms der Einsatzluft gewonnen werden. Die dabei gewonnene mechanische Energie wird vorzugsweise auf einen Nachverdichter für die Turbinenluft übertragen.

Es ist günstig, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Flüssigfraktion aus der Hochdrucksäule unter dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule in einen Kondensator-Verdampfer eingeleitet und dort in indirektem Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms mindestens teilweise verdampft wird, wobei der dabei erzeugte Dampf mindestens teilweise in die Hochdrucksäule zurückgeleitet wird. Das Aufkochen der Hochdrucksäule verbessert deren Trennwirkung. Als Heizmittel wird im Rahmen der Erfindung kein eigens zu verdichtender Strom eingesetzt, sondern der ohnehin auf geeignetem Druckniveau vorhandene Turbinenstrom. Der Kreislaufverdichter wird somit zu einem weiteren Zweck, der Ausheizung der Hochdrucksäule genutzt.

Der "Kondensator-Verdampfer", in dem eine Flüssigfraktion aus der Hochdrucksäule aufgekocht wird, ist als vom Hauptwärmetauscher getrennter Wärmetauscher ausgeführt, insbesondere als mindestens ein Plattenwärmetauscherblock, höchst vorzugsweise als ein einziger Plattenwärmetauscherblock; er kann innerhalb der Hochdrucksäule angeordnet sein oder auch außerhalb in einem separaten Behälter.

Die Flüssigfraktion zum Kondensator-Verdampfer kann aus dem Sumpf der Hochdrucksäule entnommen werden - der Kondensator-Verdampfer stellt dann den Sumpfverdampfer dar und ist vorzugsweise unmittelbar im Sumpf der Hochdrucksäule angeordnet. Alternativ ist der Kondensator-Verdampfer als Zwischenverdampfer der Hochdrucksäule ausgebildet und beispielsweise auf einem Zwischenniveau im Inneren der Hochdrucksäule angeordnet; die Flüssigfraktion für den Kondensator-Verdampfer wird dann an der entsprechenden Zwischenstelle der Hochdrucksäule abgezogen. In diesem Fall werden der Sumpf- und der Zwischenverdampfer von verschiedenen Teilströmen des Kreislaufstickstoffstroms beheizt, die bei unterschiedlichen geeigneten Drücken aus dem Kreislaufverdichter entnommen werden.

Häufig ist der Druck des ersten Teilstroms des Kreislaufstickstoffstroms der höchste im Verfahren benötigte Druck. Bei besonders hohem Kältebedarf kann auch der dritte Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms (Turbinenstrom) auf diesem Druckniveau aus dem Kreislaufverdichter abgezogen werden. In vielen Fällen ist es aber günstig, den dritten Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms unter einem oberen Zwischendruck (P3, P4) von einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters abzuziehen und anschließend der arbeitsleistenden Entspannung zuzuführen. Der Eintrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung liegt dann etwa auf dem Niveau des oberen Zwischendrucks, kann aber gegebenenfalls durch einen an die Entspannungsmaschine gekoppelten Nachverdichter erhöht werden.

Der erste Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms kann unter einem hohen Druck (P4) aus dem Kreislaufverdichter abgezogen werden, der höher als der Zwischendruck (P3) ist, bei dem der dritte Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms aus dem Kreislaufverdichter entnommen wird; anschließend wird der erste Teilstrom unter diesem hohen Druck oder unter einem noch höheren Druck in den Hauptwärmetauscher eingeleitet. Damit lässt sich einerseits ein besonders hoher Produktdruck für das gasförmige Drucksauerstoffprodukt realisieren, andererseits ist dieses Druckniveau entkoppelt von dem Eintrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung, der niedriger sein kann. Darüber hinaus kann auch ein Teil des Kreislaufstickstoffstroms unter dem hohen Druck als Druckstickstoffprodukt gewonnen werden, ohne dass zusätzlicher Maschinenaufwand notwendig wäre.

Umgekehrt zur ersten Betriebsweise kann in einer zweiten Betriebsweise ein Teil des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms in der Zwischendruckpassage des Hauptwärmetauschers angewärmt und dem Kreislaufverdichter an einer Zwischenstufe zugeführt werden. Dies ist vor Allem dann vorteilhaft, wenn viel Kälte erzeugt wird und der Turbinenstrom damit zu groß für die Beheizung des ersten Kondensator-Verdampfers ist. Für diese Rückführung und für die Führung des vierten Teilstroms in der ersten Betriebsweise wird vorzugsweise eine Pendelleitung, die durch dieselben Passagen des Hauptwärmetauschers führt ("Zwischenpassage").

Vorzugsweise wird der flüssige Sauerstoffstrom für die Innenverdichtung aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule entnommen

Zusätzlich kann eine Zwischenflüssigkeit, deren Sauerstoffgehalt zwischen demjenigen der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit und demjenigen der stickstoffangereicherten Flüssigkeit liegt, aus der Hochdrucksäule entnommen und der Niederdrucksäule an einer zweiten Zwischenstelle zugeführt werden, die oberhalb der ersten Zwischenstelle angeordnet ist, wobei die Zwischenflüssigkeit insbesondere in Höhe eines Zwischenverdampfers der Hochdrucksäule entnommen wird.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Gewinnung von Drucksauerstoff und Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 10 bis 12.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, die alle als Zwei-Säulen-Systeme ausgebildet sind. Hierbei zeigen:

Figur 1

ein erstes Ausführungsbeispiel, das nicht alle Merkmale der Erfindung aufweist, mit zwei Kondensator-Verdampfern in der Hochdrucksäule, bei dem die arbeitsleistende Entspannung auf den Eintrittsdruck der zweiten Stufe des Kreislaufverdichters führt,

Figur 2

eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels, bei dem die arbeitsleistende Entspannung auf den Eintrittsdruck der zweiten Stufe des Kreislaufverdichters führt,

Figur 3

ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit nur einem Kondensator-Verdampfer in der Hochdrucksäule und Nachverdichtung des Turbinenstroms,

Figur 4

eine Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Nachverdichtung des ersten Teilstroms des Kreislaufstickstoffstroms,

Figuren 5 bis 7

weitere Ausführungsbeispiele, die nicht alle Merkmale der Erfindung aufweisen, mit zwei Kondensator-Verdampfern in der Hochdrucksäule und

Figuren 8 und 9

zwei Ausführungsbeispiele mit nur einem Kondensator-Verdampfer in der Hochdrucksäule und mit einer Luftturbine.

In den Zeichnungen nicht dargestellt ist, wie atmosphärische Luft auf bekannte Weise über ein Filter von einem Luftverdichter angesaugt und auf einen Druck von ca. 6 bar verdichtet und weiter über eine Vorkühlungseinrichtung und eine Reinigungseinrichtung geführt wird.

In Figur 1 wird die verdichtete und gereinigte Einsatzluft 6 in einem Hauptwärmetauscher 20 auf etwa Taupunkt abgekühlt und über Leitung 7 einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zugeführt, das in dem Beispiel aus einer Hochdrucksäule 8 und den ihr zugeordneten Kolonnenverdampfern, einem Sumpfverdampfer 9 und einem Zwischenverdampfer 10 besteht, sowie aus einer Niederdrucksäule 460 und aus einem Hauptkondensator 461, über den die Hochdrucksäule 8 und die Niederdrucksäule 460 in wärmetauschender Verbindung stehen, indem das Kopfgas der Hochdrucksäule in indirekten Wärmeaustausch mit der Sumpfflüssigkeit der gebracht wird. Der Betriebsdruck am Kopf der Niederdrucksäule 460 beträgt ca. 1,4 bar. Der Hauptwärmetauscher 20 kann integriert oder gesplittet ausgeführt werden, Figur 1 und die nachfolgenden Zeichnungen zeigen nur die Grundfunktion des Tauschers - warme Ströme werden durch kalte gekühlt.

Die Sumpfflüssigkeit 462 ("sauerstoffangereicherte Flüssigkeit") aus der Hochdrucksäule 8 beziehungsweise von der Verflüssigungsseite ihres Sumpfverdampfers 9 wird vollständig durch einen ersten Unterkühlungs-Gegenströmer 16 und einen zweiten Unterkühlungs-Gegenströmer 416 geführt, in einem Drosselventil 463 auf Niederdrucksäulendruck entspannt und über Leitung 464 der Niederdrucksäule an einer ersten Zwischenstelle zugeführt. Ein Teil 465 der Zwischenflüssigkeit der Hochdrucksäule 8, die an der Verflüssigungsseite des Zwischenverdampfers 10 anfällt, wird von dort abgezogen, ebenfalls in den Unterkühlungs-Gegenströmern 16 und 416 unterkühlt und nach Drosselung 466 über Leitung 467 an einer zweiten Zwischenstelle der Hochdrucksäule 8 zugeleitet, die oberhalb der ersten Zwischenstelle liegt. Ein dritter Einsatzstrom in Form von unreinem flüssigen Stickstoff 468 wird nach Unterkühlung 16/416 und Drosselung 469 über Leitung 470 auf den Kopf der Niederdrucksäule 460 aufgegeben.

Der flüssige Sauerstoff wird hier vom Sumpf der Niederdrucksäule 460 beziehungsweise von der Verflüssigungsseite des Hauptkondensators 461 entnommen und analog zu Strom 11 der Figur 1 in einen Innenverdichtungsstrom ("flüssiger Sauerstoffstrom") 12 und ein Flüssigprodukt (15) aufgeteilt.

Im Sumpf der Niederdrucksäule 460 wird flüssiger Sauerstoff 11 erzeugt, der zu einem ersten Teil als "flüssiger Sauerstoffstrom" 12 in einer Pumpe 13 der - je nach Produktanforderungen - auf einen Druck von 6 bis 100 bar gebracht wird. Die Flüssigkeit (IC-LOX) wird unter diesem erhöhten Druck in den Hauptwärmetauscher 20 eingeleitet, im Hauptwärmetauscher verdampft oder pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Schließlich wird der Sauerstoff als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt 14 gewonnen.

Ein anderer Teil 15 der Sumpfflüssigkeit 11 der Niederdrucksäule 460 wird - gegebenenfalls nach Unterkühlung in dem Unterkühlungs-Gegenströmer 416 über Leitung 15 als flüssiges Sauerstoffprodukt (LOX) abgegeben.

Vom Kopf der Hochdrucksäule 8 wird über Leitung 18 Stickstoff als "gasförmiger Kreislaufstickstoffstrom" abgezogen, in dem Unterkühlungs-Gegenströmer 16 und weiter (Leitung 19) im Hauptwärmetauscher 20 angewärmt und schließlich mindestens zu einem ersten Teil über Leitung 21 der ersten Stufe 23 eines Kreislaufverdichters 22 zugeführt, der in dem Beispiel vier Stufen 23, 25, 560 mit Nachkühlern 24, 26, 561 aufweist. (Die beiden letzten Verdichterstufen 560 und Nachkühler 561 sind vereinfacht dargestellt und können verfahrenstechnisch auch als zusätzlicher Produktverdichter zum dann als zweistufig anzusehenden Kreislaufverdichter 23/25 betrachtet werden) und mittels eines Elektromotors angetrieben wird; alternativ zu 23/25 kann ein Kreislaufverdichter im engeren Sinne mit drei oder mehr als vier Stufen eingesetzt werden.) Ein anderer Teil des Kreislaufstickstoffstroms kann als Druckstickstoffprodukt 27 (PGAN) unter etwa dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule gewonnen werden.

In der ersten Stufe 23 des Kreislaufverdichters 22 wird der Kreislaufstickstoffstrom auf einen ersten Zwischendruck (P1-GAN) von ca. 9 bar und in der zweiten Stufe 25 weiter auf einen zweiten Zwischendruck (P2-GAN) von ca. 12 bar verdichtet. Die beiden letzten Stufen 560 komprimieren auf einen hohen Druck, der das 1,4 bis 2,5-Fache des Sauerstoffdrucks beträgt (P4-GAN), beziehungsweise einen dritten Zwischendruck (P3-GAN). (Weitere) Druckstickstoffproduktströme können - je nach Bedarf - von jedem dieser Druckniveaus (Leitungen 27, 53, 29, 565, 564) abgezogen werden; die Gesamtheit dieser Druckstickstoffproduktströme bildet einen "zweiten Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms". Ein Teil des Kreislaufstickstoffstroms 540 auf einem dieser Niveaus bildet einen "dritten Teilstrom", wird in einem Nachverdichter 566 auf den 1,3 bis 2-fachen Druck nachverdichtet und nach Nachkühlung als Turbinenstrom 40 im Hauptwärmetauscher auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und schließlich in einer Entspannungsmaschine 41, die vorzugsweise durch eine Expansionsturbine gebildet wird, arbeitsleistend entspannt. Der arbeitsleistend entspannte Turbinenstrom 42 wird zu mindestens einem ersten Teil 30 in dem Zwischenverdampfer 10 ("erster Kondensator-Verdampfer") der Hochdrucksäule 8 als Heizmittel eingesetzt. Hierbei wird er in indirektem Wärmeaustausch mit verdampfender Zwischenflüssigkeit der Hochdrucksäule 8 mindestens teilweise verflüssigt. Anschließend wird dieser Strom über die Leitung 31, durch den Unterkühlungs-Gegenströmer 16, das Drosselventil 32 und schließlich Leitung 33 wieder in den Kopf der Hochdrucksäule 8 zurückgeleitet.

Für eine konkrete Anlage wird je nach Kältebedarf einer der Drücke P2-GAN bis P4-GAN für den Strom 540 ausgewählt und eine entsprechende Verrohrung realisiert. Die in der Expansionsturbine 41 erzeugte mechanische Leistung wird durch mechanische Kopplung auf den Nachverdichter 566 übertragen. Alternativ kann die Turbine 41 an einen anderen Verdichter, einen Generator oder an eine dissipative Bremseinrichtung gekoppelt sein.

Am Kopf der Hochdrucksäule 8 kann Flüssigstickstoff 43 als weiterer Produktstrom (PLIN) abgezogen werden

Mindestens ein Teil 34 des Kreislaufstickstoffstroms, der auf den Enddruck des Kreislaufverdichters 22 verdichtet wurde, bildet eine "Hochdruck-Prozessstrom", der im Hauptwärmetauscher 20 die Wärme für die (Pseudo-)Verdampfung des flüssigen Drucksauerstoffs liefert. Der kalte Hochdruck-Prozessstrom 35 wird in dem Unterkühlungs-Gegenströmer 16 abgekühlt (in Figur 1 nicht dargestellt), in einem Drosselventil 36 auf Hochdrucksäulendruck entspannt und schließlich über Leitung 37 auf den Kopf der Hochdrucksäule 8 aufgegeben. Die Entspannung auf Hochdrucksäulendruck kann alternativ auch arbeitsleistend in einer Flüssigturbine 38 durchgeführt werden; in dem dargestellten Beispiel wird die Flüssigturbine 38 durch einen Generator 39 gebremst.

Vom Kopf der Niederdrucksäule 460 wird Unreinstickstoff 50 als Restgas abgezogen, in den Unterkühlungs-Gegenströmern 416 und 16 und weiter (Leitung 51, P-UN2) im Hauptwärmetauscher 20 angewärmt und schließlich über Leitung 52 als Restprodukt abgegeben; es kann in dem Verfahren noch als Regeneriergas oder als trockenes Gas in einem Verdunstungskühler genutzt werden.

Ein Teil 45 des Kreislaufstickstoffstroms stromabwärts der ersten Stufe 23 des Kreislaufverdichters 22 bildet einen "ersten Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms" und wird - nach Abkühlung im Hauptwärmetauscher 20 - als Zwischendruck-Kreislaufstickstoffstrom 46 in dem Sumpfverdampfer 9 der Hochdrucksäule mindestens teilweise verflüssigt. Anschließend wird der Zwischendruck-Kreislaufstickstoffstrom über Leitung 47, den Unterkühlungs-Gegenströmer 16, und das Drosselventil 48 auf den Kopf der Hochdrucksäule 8 aufgegeben.

Eine Leitung 44, die durch eine Passagengruppe des Hauptwärmetauschers 20 ("Zwischenpassage") führt, wird in dem Ausführungsbeispiel als Pendelleitung betrieben.

In einer ersten Betriebsweise wird ein vierter Teilstrom des Kreislaufstickstoffstroms unter einem unteren Zwischendruck (P1-GAN) von der ersten Zwischenstufe des Kreislaufverdichters 22 abgezogen, in der Zwischendruckpassage des Hauptwärmetauschers abgekühlt und über die - in diesem Fall nach rechts durchströmte - Pendelleitung mit dem arbeitsleistend entspannten Turbinenstrom 42 stromaufwärts des ersten Kondensator-Verdampfers 10 vermischt. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn relativ wenig Kälte benötigt wird und deshalb der Turbinenstrom für die Kolonnehheizung nicht ausreicht.

Umgekehrt kann in einer zweiten Betriebsweise ein Teil des arbeitsleistend entspannten Turbinenstroms in der Pendelleitung nach links geführt, in der Zwischendruckpassage des Hauptwärmetauschers angewärmt und dem Kreislaufverdichter 22 stromaufwärts der zweiten Stufe 25 wieder zugeführt werden. Dies ist vor Allem dann vorteilhaft, wenn viel Kälte erzeugt wird und der Turbinenstrom damit zu groß für die Beheizung des ersten Kondensator-Verdampfers ist.

Das Verfahren von Figur 2 unterscheidet sich dadurch von demjenigen der Figur 1, dass die arbeitsleistende Entspannung 41 einen höheren Austrittsdruck aufweist. Dieser liegt auf einem Niveau von ca. 12 bar, das hier am Austritt der zweiten Stufe 25 des Kreislaufverdichters 22 anliegt (P2-GAN). Dieser Druck reicht aus, um den Sumpfverdampfer 209 der Hochdrucksäule 8 mit dem Strom 230 zu betreiben. Der "erste Teilstrom" zur Ausheizung des Sumpfverdampfers 209 ist also teilweise identisch mit dem Turbinenstrom 242, dem "dritten Teilstrom". Die Pendelleitung 244 befindet sich ebenfalls auf dem höheren Druckniveau (P2-GAN). Als Heizmittel für den Zwischenverdampfer 210 wird hier ein Teilstrom 246 des Kreislaufstickstoffstroms verwendet, der stromaufwärts der zweiten Stufe 25 des Kreislaufverdichters 22 abgezweigt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 weist die Hochdrucksäule nur einen einzigen Kondensator-Verdampfer auf, den Sumpfverdampfer 209. Gegenüber Figur 2 wurde der Zwischenverdampfer weggelassen. Dadurch kann auch der Kreislaufverdichter 322 eine Stufe weniger als in Figur 2 aufweisen.

Figur 4 zeigt eine Abwandlung von Figur 3. Hier wird nicht der Turbinenstrom ("dritter Teilstrom") 440 durch den an die Turbine 41 gekoppelten Nachverdichter 466 geschickt, sondern der "Hochdruck-Prozessstrom" 434, der anschließend im Hauptwärmetauscher 20 zur (Pseudo-)Verdampfung des Sauerstoffprodukts eingesetzt wird. Sowohl der erste als auch der dritte Teilstrom stammen hier vom Austritt der Endstufe des Kreislaufverdichters 322 (Druckniveau P4-GAN).

Alternativ kann in den Figuren 1 bis 3 statt der Turbinen-Nachverdichter-Kombination 41/466 auch eine Generatorturbine eingesetzt werden.

In Figur 5 ist der Kreislaufverdichter 322 wie in den Figuren 3 und 4 ausgebildet; wobei er lediglich zwei Stufen 23, 25 aufweisen kann. Ansonsten ähnelt das hier dargestellte Verfahren mehr demjenigen von Figur 1, insbesondere weist die Hochdrucksäule 8 einen Zwischenverdampfer 10 auf.

In der ersten Stufe 23 des Kreislaufverdichters 22 wird der Kreislaufstickstoffstrom auf einen Zwischendruck von ca. 9 bar und in der zweiten Stufe 25 weiter auf einen oberen Kreislaufdruck von bis zu 16 bar verdichtet. Soweit der Stickstoff unter dem oberen Kreislaufdruck nicht über Leitung 29 als Druckstickstoffprodukt abgezogen wird, dient er hier ausschließlich als "erster Teilstrom" zur Ausheizung des Sumpfverdampfers 9.

Die für das Verfahren benötigte Kälte wird durch arbeitsleistende Entspannung 541 eines Turbinenstroms 540 erzeugt, der in dem Beispiel durch Stickstoff gebildet wird, der von einem Stickstoffverdichter (zum Beispiel einem nicht dargestellten separaten Verdichter oder von einer zusätzlichen Stufe am Stickstoffkreislaufverdichter) kommt. Der Austrittsstrom 542 stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung 541 wird mit einem der Stickstoffströme auf einem der Druckniveaus PGAN, P1GAN oder P2GAN vermischt.

Die in der Expansionsturbine 41 erzeigt mechanische Leistung Pturb wird ins Warme abgegeben, insbesondere an einen Verdichter, einen Generator oder eine dissipative Bremse.

Als Hochdruck-Prozessstrom, der im Hauptwärmetauscher die Wärme für die (Pseudo-)Verdampfung des flüssigen Drucksauerstoffs liefert, wird in dem Beispiel ein Stickstoffstrom 534 eingesetzt, der unter einem geeigneten Druck steht und von einem Stickstoffverdichter kommt (zum Beispiel einem nicht dargestellten separaten Verdichter oder von einer zusätzlichen Stufe am Stickstoffkreislaufverdichter). Der Stickstoffstrom 534 kann grundsätzlich auch von jeder anderen Druckstickstoffquelle, also den Druckniveaus PGAN, P1-GAN oder P2-GAN stammen. Er kann auf jedes geeignete vorhandene Druckniveau PGAN oder P1-GAN entspannt und dann dem entsprechenden Kreislauf- oder Druckproduktstrom hinzugefügt werden. Alternativ führt die arbeitsleistende Entspannung auf Atmosphärenniveau und der entspannte Turbinenstrom wird schließlich - nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher 20 - drucklos abgegeben.

Der kalte Hochdruck-Prozessstrom 235 wird wie in Figur 1 geführt.

Das Verfahren von Figur 6 unterscheidet sich von demjenigen der Figur 1 dadurch, dass der Austrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung 641 (Leitung 642) auf dem Niveau PGAN des Betriebsdrucks der Hochdrucksäule 8 liegt. Dadurch kann entsprechend mehr Kälte für die Produktverflüssigung gewonnen werden.

Der Turbinenstrom 40 wird durch mindestens einen Teil eines der folgenden drei Ströme gebildet:

• 29 (P2-GAN) von der Endstufe des Kreislaufverdichters 28
• 565 (P3-GAN) von einer Zwischenstufe des Produktverdichters 560
• 564 (P4-GAN) von der Endstufe des Produktverdichters 560

Der Turbinenstrom wird arbeitsleistend auf etwa den Betriebsdruck der Drucksäule 8 entspannt. Der entspannte Turbinenstrom 642 wird schließlich dem Kreislaufstickstoffstrom 19 zugemischt, der vom Kopf der Drucksäule 8 kommt. Die Turbinenleistung wird hier an einen Stickstoff-Nachverdichter 666 abgegeben, der den Druck des Turbinenstroms weiter erhöht.

In dem Prozess von Figur 7 wird der Hochdruck-Prozessstrom 734 nicht durch Stickstoff sondern durch einen Teilstrom der Einsatzluft gebildet. Dieser kann beispielsweise stromabwärts einer nicht dargestellten Reinigungseinrichtung abgezweigt und in einem Nachverdichter auf den benötigten Druck gebracht werden, der bis zu 90 bar betragen kann. (Hauptluftverdichter, Reinigungseinrichtung, Abzweigung und Nachverdichter sind in Figur 7 nicht dargestellt.) Analog zu den Figuren 1 bis 6 wird der Hochdruck-Prozessstrom 734 im Hauptwärmetauscher abgekühlt und (pseudo-)verflüssigt, im Drosselventil 736 auf Hochdrucksäulendruck entspannt und schließlich über Leitung 737 an einer geeigneten Zwischenstelle in die Hochdrucksäule 8 eingespeist. Ebenso analog zu den Figuren 1 bis 6 kann die Entspannung auf Drucksäulendruck auch arbeitsleistend in einer Flüssigturbine 738 durchgeführt werden, die vorzugsweise durch einen Generator 739 gebremst wird. Die in Figur 7 dargestellte Verwendung von Luft als Hochdruck-Prozessstrom kann auch auf die Prozessvarianten der Figuren 1 bis 6 angewendet werden.

Der Turbinenstrom 840 für die arbeitsleistende Entspannung 841 wird in Figur 7 nicht durch Stickstoff, sondern durch einen anderen Teil der Einsatzluft gebildet, hier insbesondere den Rest der Einsatzluft, der nicht als Hochdruck-Prozessstrom 734 eingesetzt wird. Hierbei wird die Gesamtluft im Luftverdichter auf einen deutlich über Hochdrucksäulendruck liegenden Druck von bis zu 90 bar verdichtet und anschließend auf den Turbinenstrom 840 und den Hochdruck-Prozessstrom 734 aufgeteilt. (Alternativ können der Turbinenstrom 840 und/oder der Hochdruck-Prozessstrom separat weiter nachverdichtet werden.) Der entspannte Turbinenstrom 842 wird an einer geeigneten Zwischenstelle in die Hochdrucksäule 8 eingeleitet.

Die zweite in Figur 7 dargestellte Abwandlung (Luftturbine statt Stickstoffturbine) kann ebenfalls bei den Verfahren der Figuren 1 bis 6), alleine oder in Kombination mit der Verwendung von Luft als Hochdruck-Prozessstrom.

Das Verfahren von Figur 8 nutzt ebenfalls Einsatzluft als Hochdruck-Prozessstrom 734 und als Turbinenstrom 840. Die Gesamtluft wird in einem Hauptluftverdichter auf etwa Hochdrucksäulendruck verdichtet und anschließend in einer Reinigungseinrichtung gereinigt (beides ist in der Zeichnung nicht dargestellt). Die auf Hochdrucksäulendruck verdichtete und gereinigte Luft 801 wird in insgesamt drei Teilströme aufgeteilt, den Hochdruck-Prozessstrom 734, den Turbinenstrom 840 und außerdem in einen Direktluftstrom 802, 806, der ohne weitere druckverändernde Maßnahmen über Leitung 807 gasförmig in die Hochdrucksäule 8 eingeleitet wird. Der Hochdruck-Prozessstrom und der Turbinenstrom werden gemeinsam über Leitung 802 zu einem ersten extern angetriebenen Nachverdichter 803 mit Nachkühler 804 geführt und anschließend weiter verzweigt. Während der Hochdruck-Prozessstrom in einem weiteren extern angetriebenen Nachverdichter 808 mit Nachkühler 809 auf einen besonders hohen Druck weiter verdichtet wird, strömt der Turbinenstrom 842 durch einen Nachverdichter 810, der von der Entspannungsmaschine 841 angetrieben wird, die durch einen Turboexpander gebildet wird und mechanisch über eine gemeinsame Welle mit dem Nachverdichter 810 gekoppelt ist. Der Nachverdichter 810 weist ebenfalls einen Nachkühler 811 auf.

Ein Teil 865 der über Leitung 737 flüssig in die Hochdrucksäule 8 eingeleiteten Luft wird gleich wieder aus der Hochdrucksäule entnommen und analog zu Strom 465 in Figur 1 der Niederdrucksäule 460 an einer Zwischenstelle zugeleitet.

Der "erste Teilstrom" des Kreislaufstickstoffstroms wird hier durch den Strom 845/846 gebildet, der zwischen den beiden Stufen 23, 25 des Kreislaufverdichters 22 entnommen und zum Sumpfverdampfer 9 der Hochdrucksäule 8 geführt wird.

Über die Leitungen 890 ist die Niederdrucksäule 460 mit einer konventionellen Argongewinnung verbunden. Die Details der Argongewinnung mit Rohargonsäule sind hier nicht dargestellt, das sie dem Fachmann geläufig sind.

In einer Alternative wird in Figur 8 statt des Stroms 845 ein anderer Druckstickstoffstrom als Heizmedium für den Sumpfverdampfer 9 der Hochdrucksäule 8 genutzt. Außerdem wird ein zusätzlicher Druckstickstoffproduktstrom 853 durch Innenverdichtung gewonnen, indem ein Teil 850 des im Hauptkondensator 461 gewonnenen flüssigen Stickstoffs in einer Pumpe 851 flüssig auf einen hohen Druck gebracht, über Leitung 852 zum Hauptwärmetauscher 20 geführt und dort verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und auf Umgebungstemperatur angewärmt wird.

Figur 9 entspricht weitgehend Figur 8, weist aber keine Stickstoff-Innenverdichtung auf. Hier sind die in Figur 8 nicht dargestellten Unterkühlungs-Gegenströmer 16, 916 gezeigt. Das Verfahren unterscheidet sich durch eine zusätzliche Mitteldrucksäule 900, die unter einem Betriebsdruck betrieben wird, der zwischen den Betriebsdrücke von Niederdrucksäule 460 und Hochdrucksäule 8 liegt. Die Sumpfflüssigkeit 462 ("sauerstoffangereicherte Flüssigkeit") aus der Hochdrucksäule 8 beziehungsweise von der Verflüssigungsseite ihres Sumpfverdampfers 9 wird hier nicht direkt, sondern indirekt der Niederdrucksäule 460 zugeleitet. Sie wird nach Unterkühlung 16 zunächst über Leitung 964 der Mitteldrucksäule 900 und dort weiter vorzerlegt. Auch die flüssige Luft 865 wird im Gegensatz zu den vorigen Ausführungsbeispielen hier nicht der Niederdrucksäule 460 zugeleitet, sondern nach Durchströmen des Unterkühlungs-Gegenströmers 16 und eines Drosselventils über Leitung 965 der Mitteldrucksäule 900 an einer Zwischenstelle zugeleitet. (Ein Teil kann über Leitung 965 wieder entnommen und wie in Figur 1 über 466 und 467 in die Niederdrucksäule 460 eingespeist werden.)

Die Mitteldrucksäule 900 weist zwei Kondensator-Verdampfer auf, einen Mitteldrucksäulen-Sumpfverdampfer 901 und einen Mitteldrucksäulen-Kopfkondensator 902. Der Mitteldrucksäulen-Sumpfverdampfer 901 wird mittels eines Teilstroms 903 des Kopfstickstoffs der Hochdrucksäule 8 beheizt. Der dabei kondensierte Stickstoff 904 wird als Rücklaufflüssigkeit auf den Kopf der Mitteldrucksäule 900 aufgegeben. Der Mitteldrucksäulen-Kopfkondensator 902 wird mit der Sumpfflüssigkeit 905 der Mitteldrucksäule 900 beziehungsweise von der Verflüssigungsseite deren Sumpfverdampfers 901 gekühlt. Der dabei erzeugte Dampf 906 und der flüssig verbliebene Anteil 907 werden in die Niederdrucksäule 460 eingeleitet. Der Teil 908 des im Mitteldrucksäulen-Kopfkondensator 902 gewonnenen flüssigen Stickstoffs, der nicht als Rücklaufflüssigkeit in die Mitteldrucksäule 900 eingeleitet wird, kann nach Unterkühlung 16 als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit 909 für die Niederdrucksäule 460 genutzt werden.