Verfahren zur Luftzerlegung und Luftzerlegungsanlage

Abstract

 Es wird ein Verfahren zur Gewinnung von Luftprodukten durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulensystem (7) einer Luftzerlegungsanlage (100) vorgeschlagen, das eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) aufweist. Eine in dem Verfahren insgesamt eingesetzte Gesamtluftmenge wird in einem Hauptverdichter (2) auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, bei dem die Hochdrucksäule (50) betrieben wird. Zumindest ein erster und ein zweiter Anteil der Gesamtluftmenge werden als Turbinenstrom (b) nacheinander in einem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt und in einer ersten Entspannungsmaschine (12) auf einen ersten Turbinenaustrittsdruck entspannt, wobei der erste Anteil anschließend in die Hochdrucksäule (71) eingespeist und der zweite Anteil anschließend in dem Hauptwärmetauscher (6) erwärmt und in einer zweiten Entspannungsmaschine (22) auf einen zweiten Turbinenaustrittsdruck weiter entspannt wird. Als erste Entspannungsmaschine (12) wird dabei ein Turboexpander mit wenigstens einer Expansionsstufe (120) mit einem Laufrad (121), einem Leitrad (122) und einem zwischen dem Laufrad (121) und dem Leitrad (122) angeordneten Turbinenspalt (123) verwendet. Es ist vorgesehen, dass der Turbinenstrom (b) der ersten Entspannungsmaschine (12) vollständig gasförmig und mit einem Druck und einer Temperatur zugeführt wird, die bewirken, dass der Turbinenstrom (b) in dem Turbinenspalt (123) zu 85 Molprozent oder mehr in dem gasförmigem Zustand verbleibt. Eine Luftzerlegungsanlage (100), die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage.

Stand der Technik

[0002] Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt. Derartige Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Ferner können Vorrichtungen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.

[0003] Die Destillationssäulensysteme werden bei unterschiedlichen Betriebsdrücken in ihren jeweiligen Trennsäulen betrieben. Die Doppelsäulensysteme weisen dabei eine sogenannte Hochdrucksäule und eine sogenannte Niederdrucksäule auf. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Betriebsdruck von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar betrieben. Bei den hier und im Folgenden angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke.

[0004] Entsprechende Luftzerlegungsanlagen können beispielsweise mit sogenannter Innenverdichtung betrieben werden. Bei der Innenverdichtung wird dem Destillationssäulensystem ein flüssiger Strom entnommen und zumindest zum Teil flüssig auf Druck gebracht. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird in einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage gegen einen Wärmeträger erwärmt und verdampft. Bei dem flüssigen Strom kann es sich insbesondere um flüssigen Sauerstoff, jedoch auch um Stickstoff oder Argon handeln. Die Innenverdichtung wird damit zur Gewinnung entsprechender gasförmiger Druckprodukte eingesetzt.

[0005] Die Innenverdichtung ist beispielsweise in folgenden Druckschriften beschrieben:

DE 830 805 B, DE 901 542 B (entspricht US 2 712 738 A bzw. US 2 784 572 A),

DE 952 908 B, DE 1 103 363 B (US 3 083 544 A), DE 1 112 997 B (US 3 214 925 A),

DE 1 124 529 B, DE 1 117 616 B (US 3 280 574 A), DE 1 226 616 A (US 3 216 206 A),

DE 1 229 561 B (US 3 222 878 A), DE 1 199 293 B, DE 1 187 248 B (US 3 371 496 A),

DE 1 235 347 B, DE 1 258 882 A (US 3 426 543 A), DE 1 263 037 A (US 3 401 531 A),

DE 1 501 722 A (US 3 416 323 A), DE 1 501 723 A (US 3 500 651 A),

DE 25 351 32 B2 (US 4 279 631 A), DE 26 46 690 A1, EP 0 093 448 B1

(US 4 555 256 A), EP 0 384 483 B1 (US 5 036 672 A), EP 0 505 812 B1

(US 5 263 328 A), EP 0 716 280 B1 (US 5 644 934 A), EP 0 842 385 B1

(US 5 953 937 A), EP 0 758 733 B1 (US 5 845 517 A), EP 0 895 045 B1

(US 6 038 885 A), DE 198 03 437 A1, EP 0 949 471 B1 (US 6 185 960 B1),

EP 0 955 509 A1 (US 6 196 022 B1), EP 1 031 804 A1 (US 6 314 755 B1),

DE 199 09 744 A1, EP 1 067 345 A1 (US 6 336 345 B1), EP 1 074 805 A1

(US 6 332 337 B1), DE 199 54 593 A1, EP 1 134 525 A1 (US 6 477 860 B2),

DE 100 13 073 A1, EP 1 139 046 A1, EP 1 146 301 A1, EP 1 150 082 A1,

EP 1 213 552 A1, DE 101 15 258 A1, EP 1 284 404 A1 (US 2003/051504 A1),

EP 1 308 680 A1 (US 6 612 129 B2), DE 102 13 212 A1, DE 102 13 211 A1,

EP 1 357 342 A1, DE 102 38 282 A1, DE 103 02 389 A1, DE 103 34 559 A1,

DE 103 34 560 A1, DE 103 32 863 A1, EP 1 544 559 A1, EP 1 585 926 A1,

DE 102005 029 274 A1, EP 1 666 824 A1, EP 1 672 301 A1, DE 10 2005 028 012 A1,

WO 2007/033838 A1, WO 2007/104449 A1, EP 1 845 324 A1,

DE 10 2006 032 731 A1, EP 1 892 490 A1, DE 10 2007 014 643 A1, EP 2 015 012 A2,

EP 2 015 013 A2, EP 2 026 024 A1, WO 2009/095188 A2, DE 10 2008 016 355 A1.

[0006] Der Begriff "Verdampfen" schließt bei der Innenverdichtung Fälle ein, bei denen ein überkritischer Druck herrscht und daher kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne stattfindet. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird dann "pseudoverdampft". Gegen einen entsprechenden (pseudo-)verdampfenden Strom wird ein Wärmeträger verflüssigt (bzw. pseudoverflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht). Der Wärmeträger wird dabei üblicherweise durch einen Teil der der Luftzerlegungsanlage zugeführten Luft gebildet.

[0007] Um den flüssig auf Druck gebrachten Strom erwärmen und verdampfen zu können, muss der Wärmeträger aufgrund thermodynamischer Gegebenheiten einen höheren Druck als der flüssig auf Druck gebrachte Strom haben. Hierbei können sogenannte High-Air-Pressure-Verfahren (HAP) eingesetzt werden.

[0008] Bei einem HAP-Verfahren, das bei einem Doppelsäulensystem verwendet wird, wird die gesamte, der Luftzerlegungsanlage zugeführte bzw. die in einem entsprechenden Verfahren insgesamt eingesetzte Luft (hier als Gesamtluftmenge bezeichnet) in einem Hauptverdichter auf einen Druck verdichtet, der deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied beträgt mindestens 4 bar und vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar. In HAP-Verfahren kann die im Hauptverdichter verdichtete Luftmenge von der Prozessluftmenge entkoppelt werden. In einem derartigen Fall wird nur ein Teil der auf den genannten Druck verdichteten Gesamtluftmenge als sogenannte Prozessluft genutzt, also für die eigentliche Rektifikation verwendet und in die Hochdrucksäule eingespeist. Eine derartige Entkopplung ist jedoch nicht in allen HAP-Verfahren vorgesehen. HAP-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 466 236 A1, der EP 2 458 311 A1 und der US 5 329 776 A bekannt.

[0009] Üblicherweise wird der Anteil der Gesamtluftmenge, der in die Hochdrucksäule eingespeist wird (hier als "erster" Anteil der Gesamtluftmenge bezeichnet), zunächst als sogenannter Turbinenstrom optional in wenigstens einem Nachverdichter auf einen nochmals höheren Druck (hier als Nachverdichterdruck bezeichnet) nachverdichtet und anschließend nacheinander in dem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage abgekühlt, in einer ersten Entspannungsmaschine entspannt und in die Hochdrucksäule eingespeist. Die Entspannung in der ersten Entspannungsmaschine erfolgt dabei auf den Betriebsdruck der Hochdrucksäule oder einen geringfügig darüber liegenden Druck, der hier als "erster Turbinenaustrittsdruck" bezeichnet wird. Die erste Entspannungsmaschine wird entsprechend ihrer Eintrittstemperatur auch als "kalte" Entspannungsmaschine bezeichnet.

[0010] Ein weiterer Anteil der Gesamtluftmenge (hier als "zweiter" Anteil der Gesamtluftmenge bezeichnet) kann bis auf die Einspeisung in die Hochdrucksäule den gleichen Schritten unterworfen werden wie der erste Anteil der Gesamtluftmenge und damit ebenfalls Teil des Turbinenstroms sein. Alternativ kann der zweite Anteil bereits direkt stromab des Hauptverdichters abgezweigt und optional auch separat nachverdichtet werden. Auch der zweite Anteil wird in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und damit als Wärmeträger zum Verdampfen des flüssig auf Druck gebrachten Stroms verwendet. Der zweite Anteil der Gesamtluftmenge wird jedoch nicht in die Hochdrucksäule eingespeist, sondern letztlich auf einen Druck entspannt, der niedriger ist als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule, beispielsweise Atmosphärendruck oder den Betriebsdruck der Niederdrucksäule, und der hier als "zweiter Turbinenaustrittsdruck" bezeichnet wird. Bildet der zweite Anteil der Gesamtluftmenge einen Teil des Turbinenstroms, erfolgt die Entspannung zunächst in der ersten Entspannungsmaschine auf den ersten Turbinenaustrittsdruck. Der zweite Anteil der Gesamtluftmenge wird danach weiter entspannt, beispielsweise in einer zweiten Entspannungsmaschine. Diese wird entsprechend ihrer Eintrittstemperatur auch als "warme" Entspannungsmaschine bezeichnet.

[0011] Ein noch weiterer Anteil der Gesamtluftmenge (hier als "dritter" Anteil der Gesamtluftmenge bezeichnet), wird als sogenannter Drosselstrom ebenfalls optional nachverdichtet und in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt. Dieser dritte Anteil wird jedoch anschließend über ein Entspannungsventil auf den ersten oder einen vergleichbaren Druck entspannt und in das Destillationssäulensystem eingespeist. Die Einspeisung erfolgt beispielsweise ebenfalls in die Hochdrucksäule.

[0012] Die verwendete(n) Entspannungsmaschine(n) ist bzw. sind dabei mit dem oder den Nachverdichtern gekoppelt, die gegebenenfalls zur Nachverdichtung eingesetzt werden. Die Nachverdichtung der ersten bis dritten Anteile der Gesamtluftmenge kann separat oder gemeinsam erfolgen. Die Erhöhung der Luftmenge der Einsatzluft, über deren Entspannung zumindest einer der Nachverdichter angetrieben werden kann, ermöglicht bei den HAP-Verfahren moderatere Drücke am Hauptverdichter und damit eine Kostenersparnis.

[0013] Die erläuterten Verfahren erweisen sich jedoch häufig als nicht ausreichend effizient und flexibel, weshalb weiterhin der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen besteht.

Offenbarung der Erfindung

[0014] Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Anmeldung ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

[0015] Die vorliegende Erfindung beruht auf dem sich beim Betrieb einer eingangs erläuterten Luftzerlegungsanlage ergebenden optimierten Q,t-Profil, das in der Figur 3 gezeigt und im Rahmen der Figurenbeschreibung näher erläutert ist. Generell zeigt sich, dass bei einem derartigen optimierten Q,t-Profil sehr kalte Eintrittstemperaturen an der ersten ("kalten") Entspannungsmaschine auftreten. Es wurde herausgefunden, dass diese unter Umständen sogar zur Flüssigkeitsbildung im Turbinenspalt einer entsprechenden Entspannungsmaschine führen können. Dies wurde erfindungsgemäß als Nachteil existierender Verfahren erkannt und kann durch die hier vorgeschlagenen Maßnahmen ohne Effizienzeinbußen vermieden werden.

[0016] Der Begriff "Entspannungsmaschine" umfasst grundsätzlich jede Maschine zur arbeitsleistenden Entspannung eines Prozessstroms. Die Entspannungsmaschinen bei der vorliegenden Erfindung sind jedoch durch die grundsätzlich aus dem Bereich der Kryotechnik bekannten Turboexpander bzw. Expansionsturbinen gebildet. Ein Turboexpander weist wenigstens eine Expansionsstufe mit einem Laufrad, einem Leitrad und einem zwischen dem Laufrad und dem Leitrad angeordneten Turbinenspalt auf, wie sie beispielsweise in Figur 5 veranschaulicht ist. Der "Turbinenspalt" bezeichnet, mit anderen Worten, den Spalt, der in einem Turboexpander radial außerhalb des Laufrads bzw. zwischen Lauf- und Leitrad liegt.

[0017] Die Anforderungen bekannter Entspannungsmaschinen bezüglich des Vorliegens von Flüssigkeit innerhalb oder stromab der Entspannungsmaschine sind unterschiedlich. Bei den folgenden Angaben handelt es sich um typische, nicht einschränkende Beispiele. Einige Hersteller erlauben keine Flüssigkeit im Turbinenspalt, bei anderen Herstellern sind bis zu 6 Molprozent Flüssigkeit im Turbinenspalt zugelassen. Da auch in letzterem Fall entsprechende Sicherheitsmargen einzuhalten sind, sollten jedoch z.B. 1,5 Molprozent Flüssigkeit niemals überschritten werden. Andere Entspannungsmaschinen können mit erhöhtem Flüssigkeitsanteil betrieben werden, der bis zu 15 Molprozent am Turbinenaustritt betragen kann. Hierbei kann jedoch mit deutlichen Abschlägen am Wirkungsgrad von bis zu ca. 2% gerechnet werden.

[0018] Die Flüssigkeitsbildung in oder nach einer Entspannungsmaschine hängt im Wesentlichen von drei Faktoren ab, nämlich der Eintrittstemperatur, dem Eintrittsdruck und dem Austrittsdruck. Zur Lösung des erläuterten Problems kann dabei theoretisch zunächst die Eintrittstemperatur erhöht werden. Theoretisch kann auch eine Verringerung des Eintrittsdrucks und/oder eine Erhöhung des Austrittsdrucks erfolgen. Prozesstechnisch ist jedoch der Austrittsdruck mit dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule gekoppelt. Somit verbleiben in der Praxis nur noch die Eintrittstemperatur und der Eintrittsdruck als Stellgrößen.

[0019] In den eingangs erläuterten Verfahren wird aber i.d.R. die Gesamtluftmenge, die durch den Hauptverdichter bereitgestellt wird, zunächst durch einen ersten Nachverdichter und anschließend durch einen zweiten Nachverdichter geführt, die seriell angeordnet sind. Dies bedeutet jedoch, dass die Druckerhöhung durch die jeweiligen Nachverdichter nicht frei einstellbar ist. Die Nachverdichter sind jeweils mit Entspannungsmaschinen gekoppelt und werden durch diese angetrieben. Die Druckerhöhung durch die Nachverdichter ergibt sich damit jeweils aus der Leistung der Entspannungsmaschinen. Die Leistung der Entspannungsmaschinen wiederum ist mit dem Kältebedarf der Luftzerlegungsanlage gekoppelt und damit kaum veränderbar. Dies wird auch im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren veranschaulicht.

[0020] Damit ist von den zuvor erwähnten Größen in herkömmlichen Anlagen auch der Eintrittsdruck in die erste ("kalte") Entspannungsmaschine im Wesentlichen festgelegt, weil eine definierte Druckdifferenz zu dem (wie oben angegeben beim Betriebsdruck der Hochdrucksäule festgelegten) Austrittsdruck für eine festgelegte Druckerhöhung in dem ersten Nachverdichter nötig ist. Als einzige Möglichkeit, die Flüssigkeitsbildung in oder nach der ersten ("kalten") Entspannungsmaschine zu beeinflussen, bleibt daher in herkömmlichen Anlagen die Veränderung der Eintrittstemperatur.

[0021] Eine Erhöhung der Eintrittstemperatur der ersten ("kalten") Entspannungsmaschine bewirkt jedoch eine deutlich erhöhte Leistungsaufnahme, da das Q,t-Profil in diesem Fall nicht mehr optimal ist.

[0022] Die vorliegende Erfindung schlägt zur Überwindung der genannten Nachteile ein Verfahren zur Gewinnung von Luftprodukten durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage, das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, vor. Wie in herkömmlichen HAP-Verfahren auch wird dabei eine in dem Verfahren insgesamt eingesetzte Gesamtluftmenge in einem Hauptverdichter auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, bei dem die Hochdrucksäule betrieben wird.

[0023] Zumindest ein erster und ein zweiter Anteil der Gesamtluftmenge werden gemeinsam als Turbinenstrom nacheinander in einem Hauptwärmetauscher abgekühlt und in einer ersten ("kalten") Entspannungsmaschine auf einen ersten Turbinenaustrittsdruck entspannt. Der erste Anteil wird anschließend in die Hochdrucksäule eingespeist und der zweite Anteil wird anschließend in dem Hauptwärmetauscher erwärmt und in einer zweiten Entspannungsmaschine auf einen zweiten Turbinenaustrittsdruck weiter entspannt.

[0024] Als die erste Entspannungsmaschine wird, wie erwähnt, ein Turboexpander mit wenigstens einer Expansionsstufe mit einem Laufrad, einem Leitrad und einem zwischen dem Laufrad und dem Leitrad angeordneten Turbinenspalt verwendet.

[0025] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Turbinenstrom (der zumindest durch den ersten und den zweiten Anteil der Gesamtluftmenge gebildet wird) der ersten Entspannungsmaschine vollständig in einem gasförmigen Zustand und mit einem Druck und einer Temperatur zuzuführen, die bewirken, dass der Turbinenstrom in dem Turbinenspalt zu 85 Molprozent oder mehr in dem gasförmigem Zustand verbleibt. Vorzugsweise verbleibt der Turbinenstrom in dem Turbinenspalt dabei zu 90, 95, 99, 99,5 oder 99,9 Molprozent oder mehr, insbesondere vollständig, in dem gasförmigem Zustand.

[0026] Der erste Turbinenaustrittsdruck entspricht dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule oder ist geringfügig höher als dieser (mit dem "geringfügigen" Druckunterschied von z.B. höchstens 0,05 oder 0,1 bar werden beispielsweise Leitungsverluste ausgeglichen). Der zweite Turbinenaustrittsdruck entspricht beispielsweise Atmosphärendruck oder dem Druck der Niederdrucksäule oder liegt in entsprechendem Sinn "geringfügig" höher.

[0027] Wie erwähnt, ist bei den eingangs erläuterten und im Rahmen der Erfindung eingesetzten HAP-Verfahren der Druck, mit dem die Gesamtluftmenge bereitgestellt wird, wesentlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule. Unter "wesentlich höher" wird dabei im Rahmen dieser Anmeldung ein Druckunterschied von mindestens 4 bar und vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar verstanden.

[0028] Ein "Hauptverdichter" ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Verdichter oder die Verdichteranordnung, die die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft in der Luftzerlegungsanlage darstellt. Unter dem Begriff "einzige Maschine" wird hier ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter verstanden, dessen Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind, wobei alle Stufen in einem Gehäuse untergebracht oder mit einem Getriebe verbunden sein können. Die Nachverdichter zählen nicht zu den mit externer Energie angetriebenen Maschinen, da sie, wie erwähnt, durch die ihnen jeweils zugeordneten Entspannungsmaschinen (Turboexpander) angetrieben werden.

[0029] Der "Hauptwärmetauscher" kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, beispielsweise aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Ein Hauptwärmetauscher dient zur Abkühlung der Anteile der Gesamtluftmenge im indirekten Wärmetausch mit Rückströmen aus dem Destillationssäulensystem bzw. zur Verdampfung bzw. Pseudoverdampfung bei der Innenverdichtung.

[0030] Ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung davon die Rede, dass Anteile der Gesamtluftmenge in einem Hauptwärmetauscher "abgekühlt" und/oder "erwärmt" werden, bedeutet dies, dass entsprechende Anteile der Gesamtluftmenge den Wärmetauscher zumindest über eine gewisse Fließstrecke durchlaufen. Die Abkühlung bzw. Erwärmung muss dabei nicht im gesamten Umfang des durch den Wärmetauscher bereitgestellten Temperaturgradienten erfolgen, entsprechende Anteile können vielmehr auch nur teilweise abgekühlt bzw. erwärmt werden.

[0031] In entsprechender Weise werden die Anteile in den verwendeten Entspannungsmaschinen bzw. weiteren Entspannungseinrichtungen wie Entspannungsventilen nicht notwendigerweise vollständig (d.h. auf Umgebungsdruck) entspannt sondern ggf. nur in einem gewissen Umfang (teilentspannt).

[0032] In dem Verfahren wird ferner vorteilhafterweise ein dritter Anteil der Gesamtluftmenge als Drosselstrom in einem ersten Nachverdichter nachverdichtet, in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt, in einem Entspannungsventil entspannt und in die Hochdrucksäule eingespeist. Der erste und der zweite Anteil der Gesamtluftmenge, die den Turbinenstrom bilden, werden hingegen vor dem Abkühlen in dem Hauptwärmetauscher in einem zweiten Nachverdichter nachverdichtet. Der erste und der zweite Nachverdichter sind damit parallel angeordnet, die Aufteilung der Gesamtluftmenge in den Turbinenstrom und den Drosselstrom erfolgt bereits vor der Nachverdichtung. Der erste Nachverdichter ist mit der ersten Entspannungsmaschine und der zweite Nachverdichter ist mit der zweiten Entspannungsmaschine gekoppelt und entsprechend angetrieben. Es ist auch möglich, den ersten Nachverdichter mit der zweiten Entspannungsmaschine und den zweiten Nachverdichter mit der ersten Entspannungsmaschine mechanisch zu koppeln und anzutreiben.

[0033] Die Erfindung ermöglicht in dieser vorteilhaften Ausgestaltung die Erhöhung der Eintrittstemperatur in die erste ("kalte") Entspannungsmaschine ohne nennenswerte Effizienzverluste, weil der erste und der zweite Nachverdichter voneinander entkoppelt sind. Dies wird durch die Aufteilung der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge bereits stromauf der Nachverdichter ermöglicht. Wählt man das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren, erhält man einen geringeren Eintrittsdruck, kann aber auch eine erhöhte Eintrittstemperatur in die erste ("kalte") Entspannungsmaschine einstellen. Letzteres ist aufgrund einer Verschiebung des optimalen Q,t-Profils bedingt.

[0034] Die Erfindung sieht damit vorteilhafterweise vor, nicht mehr die Gesamtluftmenge in beiden (damit seriell hintereinander angeordneten) Nachverdichtern nachzuverdichten, sondern die Nachverdichtung parallel vorzunehmen. Dies ermöglicht es, die jeweilige Verdichterleistung (und damit die Bedingungen für die den Verdichtern zugeordneten Entspannungsmaschinen) einzeln anzupassen.

[0035] Das Verfahren umfasst vorteilhafterweise, den Druck und die Temperatur, mit dem der Turbinenstrom der ersten Entspannungsmaschine zugeführt wird, so zu wählen, dass nach der Entspannung auf den ersten Turbinenaustrittsdruck in der ersten Entspannungsmaschine ein Anteil des Turbinenstroms von 0 Molprozent bis 15 Molprozent, insbesondere 1 Molprozent bis 15 Molprozent oder mehr verflüssigt vorliegt. Dies ermöglicht eine besonders günstige Einspeisung des ersten Anteils der Gesamtluftmege in die Hochdrucksäule. Die erste Entspannungsmaschine kann damit ohne Effizienzverluste eine weitgehende Entspannung vornehmen.

[0036] In gängigen Entspannungsmaschinen, die, wie erwähnt, als Turboexpander ausgebildet sind, wird eine Geschwindigkeit des Turbinenstroms in dem Leitrad von einem Ausgangswert auf einen Zwischenwert erhöht, wodurch ein Druck des Turbinenstroms in dem Leitrad von einem Ausgangswert auf einen Zwischenwert verringert wird. Eine Temperatur, auf die der Turbinenstrom in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt wird, wird dabei zumindest in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Ausgangswert und dem Zwischenwert der Geschwindigkeit und/oder des Drucks ausgewählt. Die entsprechenden Werte sind bekannt und/oder lassen sich aus Kenngrößen des Turboexpanders ableiten, so dass entsprechend sichere Werte zuverlässig eingestellt werden können.

[0037] Vorteilhafterweise wird die Temperatur, auf die der Turbinenstrom in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt wird, so gewählt, dass bei dem Zwischenwert des Drucks des Turbinenstroms eine Tautemperatur des Turbinenstroms bzw. einer Komponente hiervon nicht unterschritten wird.

[0038] Das vorliegende Verfahren kann umfassen, aus dem Destillationssäulensystem zumindest einen flüssigen Strom abzuziehen, der flüssig auf Druck gebracht und in dem Hauptwärmetauscher zu einem gasförmigen Druckprodukt verdampft wird. Das vorliegende Verfahren eignet sich damit für die eingangs erläuterte Innenverdichtung. Als flüssiger Strom kann beispielsweise flüssiger Stickstoff und/oder flüssiger Sauerstoff entnommen werden. Das Verfahren eignet sich auch zur Gewinnung wenigstens eines Edelgasprodukts, insbesondere Argon, Krypton und/oder Xenon.

[0039] Die erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage ist zur Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens eingerichtet und verfügt über entsprechend ausgebildete Mittel. Zu den Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage sei auf die obigen Erläuterungen ausdrücklich verwiesen.

[0040] Insbesondere weist eine derartige Luftzerlegungsanlage Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, zumindest den Druck und/oder die Temperatur des Turbinenstroms und/oder einen Flüssigkeitsanteil an einem Austritt der ersten Entspannungsmaschine zu bestimmen und/oder einzustellen. Dies erfolgt z.B. im Rahmen einer automatischen Steuerung oder Regelung.

[0041] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegenüber dem Stand der Technik näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0042] 

Figur 1 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in Form eines schematischen Anlagendiagramms.

Figur 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms.

Figur 3 zeigt ein Q,t-Diagramm der Luftzerlegungsanlage gemäß Figur 1.

Figur 4 zeigt ein Q,t-Diagramm der Luftzerlegungsanlage gemäß Figur 2.

Figur 5 zeigt ein Laufrad und ein Leitrad eines Turboexpanders in stark vereinfachter, schematischer Darstellung.

Figur 6 veranschaulicht Zustandsänderungen an einem Turboexpander in Form eines h,s-Diagramms.

Ausführliche Beschreibung der Figuren

[0043] In Figur 1 ist eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage schematisch in Form eines Anlagendiagramms dargestellt. Die zur Innenverdichtung eingerichtete Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 110 bezeichnet. Wie erwähnt, eignet sich die Erfindung jedoch auch zum Einsatz in Luftzerlegungsanlagen ohne Innenverdichtung. Eine Gesamtluftmenge atmosphärischer Luft (AIR) wird über ein Filter 1 von einem Hauptverdichter 2 angesaugt und dort auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet, der bei einem HAP-Verfahren, wie es hier zum Einsatz kommt, zumindest 4 bar höher ist als der Betriebsdruck einer Hochdrucksäule (siehe unten). Nach Durchströmen eines Nachkühlers 3 und eines hier nicht näher erläuterten Direktkontaktkühlers 4 wird die verdichtete Luft einer Reinigungsvorrichtung 5 zugeführt, die ein Paar von mit Adsorptionsmaterial, vorzugsweise Molekularsieb, gefüllten Behältern aufweist. Die entsprechend gereinigte Luft verlässt die Reinigungsvorrichtung 5 als Strom a.

[0044] Der Strom a wird in der Luftzerlegungsanlage 110 auf herkömmliche Weise zunächst in einem ersten Nachverdichter 11 und anschließend in einem zweiten Nachverdichter 21 nachverdichtet. Der erste Nachverdichter 11 und der zweite Nachverdichter 21 sind jeweils mit einer ersten Entspannungsmaschine 12 bzw. einer zweiten Entspannungsmaschine 22 mechanisch gekoppelt, beispielsweise jeweils über eine gemeinsame Welle. Stromab des ersten Nachverdichters 11 und des zweiten Nachverdichters 21 sind jeweils Nachkühler 13 bzw. 23 angeordnet. Stromab des zweiten Nachverdichters 21 bzw. des Nachkühlers 23 wird der Strom a in einen ersten Teilstrom b und in einen zweiten Teilstrom c aufgeteilt. Der Strom b wird als Turbinenstrom, der Strom c als Drosselstrom bezeichnet.

[0045] Der Turbinenstrom b und der Drosselstrom c werden in einem Hauptwärmetauscher 6 abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt vorzugsweise auf unterschiedliche Temperaturen, so dass der Turbinenstrom b dem Hauptwärmetauscher 6 bei einer Zwischentemperatur entnommen und damit "teilabgekühlt" wird und der Drosselstrom c den Hauptwärmetauscher 6 bis zu dessen kaltem Ende durchläuft.

[0046] Nach der Entnahme des Turbinenstroms b aus dem Hauptwärmetauscher 6 wird dieser der ersten Entspannungsmaschine 12 zugeführt und dort auf einen ersten Turbinenaustrittsdruck entspannt. Der erste Turbinenaustrittsdruck liegt geringfügig oberhalb eines Betriebsdrucks einer Hochdrucksäule 71 eines Destillationssäulensystems 7, das unten noch näher erläutert wird, oder entspricht diesem Betriebsdruck.

[0047] Der weiterhin mit b bezeichnete und auf den Zwischendruck entspannte Turbinenstrom wird einem Abscheider 8 zugeführt, von dessen Sumpf eine flüssige Fraktion als ein Strom d abgezogen werden kann. Der Strom d kann (vgl. Verknüpfungspunkt A) in eine Niederdrucksäule 72 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist werden.

[0048] Eine gasförmige Fraktion vom Kopf des Abscheiders 8 kann als Strom e abgezogen und in einen ersten Teilstrom f und einen zweiten Teilstrom g aufgeteilt werden. Der erste Teilstrom f (der "erste Anteil" der Gesamtluftmenge) wird in die Hochdrucksäule 71 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist, wie unten näher erläutert. Der zweite Teilstrom g (der "zweite Anteil" der Gesamtluftmenge) wird in dem Hauptwärmetauscher 6 im obigen Sinn teilerwärmt und in der zweiten Entspannungsmaschine 22 auf einen zweiten Turbinenaustrittsdruck, beispielsweise Atmosphärendruck oder den Druck der Niederdrucksäule 72 (siehe unten), entspannt. Der auf den zweiten Turbinenaustrittsdruck weiter entspannte zweite Teilstrom g kann anschließend in dem Hauptwärmetauscher 6 weiter erwärmt und mit weiteren Strömen vereinigt, zumindest teilweise in die Atmosphäre (ATM) abgeblasen und/oder einem Verdunstungskühler zugeführt werden.

[0049] Der Drosselstrom c wird nach dem Durchlaufen des Hauptwärmetauschers 6 über ein Entspannungsventil 9 entspannt und ebenfalls bei entsprechenden Druck in die Hochdrucksäule 71 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist.

[0050] Bei dem Destillationssäulensystem 7 handelt es sich im dargestellten Beispiel um ein Destillationssäulensystem 7 mit einer klassischen Linde-Doppelsäule, die die Hochdrucksäule 71 und die Niederdrucksäule 72 als bauliche Einheit umfasst. Alternativ dazu ist der Einsatz der Erfindung auch in Destillationssäulensystemen 7 möglich, bei denen eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule getrennt voneinander angeordnet sind. Die Hochdrucksäule 71 und die Niederdrucksäule 72 sind über einen Hauptkondensator 73 wärmetauschend miteinander verbunden. Die Betriebs- bzw. Trenndrücke - jeweils am Kopf - betragen beispielsweise 4,5 bis 6,5 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar in der Hochdrucksäule und 1,2 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,3 bar in der Niederdrucksäule. Im dargestellten Beispiel sind ferner eine geteilte Rohargonsäule 74, 75 und eine Reinargonsäule 76 vorgesehen, die Erfindung kann jedoch auch in Anlagen ohne eine entsprechende Argongewinnung zum Einsatz kommen.

[0051] Flüssiger Rohsauerstoff wird als Strom h vom Sumpf der Hochdrucksäule 71 abgezogen, in einem Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt und zu einem Teil in einem Sumpfverdampfer 78 der Reinargonsäule 76 weiter abgekühlt. Ein anderer Teil kann an dem Sumpfverdampfer 78 vorbeigeleitet werden. Ist keine Argongewinnung vorgesehen, kann der Strom h auch direkt an einer Zwischenstelle in die Niederdrucksäule 72 überführt werden.

[0052] Anschließend strömt ein Teil des Rohsauerstoffs des Stroms h in den Verdampfungsraum eines Kopfkondensators der Rohargonsäule 75, ein anderer Teil in den Verdampfungsraum eines Kopfkondensators der Reinargonsäule 76. Der in den Kopfkondensatoren einerseits verdampfte und andererseits flüssig verbliebene Anteil des Rohsauerstoffs wird der Niederdrucksäule 72 in Form der Ströme i und j an geeigneten Zwischenstellen zugeführt. Wie erwähnt kann, wenn keine Argongewinnung vorgesehen ist, der Rohsauerstoff des Stroms h auch direkt an diesen oder entsprechenden Zwischenstellen eingespeist werden.

[0053] Gasförmiger Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 71 wird zu einem ersten Teil als Strom k zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 6 geleitet, dort auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und kann als Dichtgas (Sealgas, SG) für die verwendeten Verdichter der Anlage eingesetzt werden.

[0054] Der restliche gasförmige Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 71 wird als Strom I dem Hauptkondensator 73 zugeführt und dort mindestens teilweise kondensiert. Der dabei erzeugte flüssige Stickstoff kann zu einem Teil als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 71 aufgegeben werden. Ein anderer Teil wird als Strom m dem Unterkühlungsgegenströmer 77 zugeführt, dort unterkühlt und zum Kopf der Niederdrucksäule 72 geleitet. Dort kann ein Teil als Strom n zur Bereitstellung eines Flüssigstickstoffprodukts (LIN) abgezogen werden. Das Flüssigstickstoffprodukt kann beispielsweise in einem Tank eingelagert werden.

[0055] Unmittelbar oberhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule 72 kann gasförmiger Sauerstoff als Strom o entnommen und, gegebenenfalls nach Vereinigung mit einem Strom p (Unreinstickstoff), der ebenfalls der Niederdrucksäule 72 entnommen und in dem Unterkühlungsgegenströmer 77 erwärmt wird, in einem Hauptwärmetauscher 6 angewärmt werden. Die weitere Verwendung der Ströme o und p entspricht beispielsweise jener des erläuterten Stroms g.

[0056] Ein flüssiger Sauerstoffstrom q aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 72 kann mittels einer Pumpe 79 druckerhöht und als Strom r zumindest teilweise in dem Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt und einem Flüssigtank (LOX) zugeleitet werden. Ein anderer Teil des mittels der Pumpe 79 druckerhöhten Sauerstoffstroms q aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 72 kann als Strom s im Hauptwärmetauscher 6 verdampft (beziehungsweise bei überkritischem Druck pseudo-verdampft), auf Umgebungstemperatur angewärmt und als gasförmiges Druckprodukt (GOX-IC) abgezogen werden.

[0057] Gasförmiger Stickstoff kann als Strom t vom Kopf der Niederdrucksäule 72 abgezogen und im Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt werden. Der Strom t kann nach Erwärmung im Hauptwärmetauscher 6 in einem Verdichter (ohne Bezeichnung) extern verdichtet und als gasförmiger Druckstickstoff (GAN-EC) bereitgestellt werden.

[0058] An einer Zwischenstelle, dem sogenannten Argonübergang, kann in der dargestellten Anlage der Niederdrucksäule 72 ein argonhaltiger Strom u entnommen und dem unteren Teil 74 der Rohargonsäule 74, 75 unmittelbar über dem Sumpf zugeführt werden. Sumpfflüssigkeit des unteren Teils 74 der Rohargonsäule 74, 75 kann als Strom v in die Niederdrucksäule 72 zurückgeleitet werden.

[0059] Der untere Teil 74 und der obere Teil 75 der zweigeteilten Rohargonsäule 74, 75 können über Leitungen w und x und entsprechende Pumpen und Ventile (ohne Bezeichnung) miteinander gekoppelt sein. Die Rohargonsäule kann auch einteilig ausgebildet sein.

[0060] Die Kopfkondensatoren des oberen Teils 75 der Rohargonsäule 74, 75 und der Reinargonsäule 76 können beispielsweise als Rücklaufkondensatoren oder als Badkondensatoren ausgebildet sein. Der Rohargonsäule 75 kann im dargestellten Beispiel am oberen Ende der Rücklaufpassagen des Kopfkondensators, der hier als Rücklaufkondensator gezeigt ist, über einen seitlichen Header ein Rohargonstrom y gasförmig entnommen und der Reinargonsäule 76 an einer geeigneten Zwischenstelle zugeleitet werden.

[0061] Die Sumpfflüssigkeit der Reinargonsäule 76 kann zu einem Teil in dem Sumpfverdampfer 78 verdampft werden, wobei der dabei erzeugte Dampf als aufsteigendes Gas in der Reinargonsäule genutzt werden kann. Der Rest kann der Reinargonsäule als flüssiger Reinargonproduktstrom z entnommen werden. Das flüssige Reinargon (LAR) kann in einen Tank überführt werden. Zumindest ein Teil des Reinargons kann flüssig auf Druck gebracht, in den Hauptwärmetauscher 6 verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (LAR IC) abgegeben werden (vgl. die rechte Kammer des Hauptwärmetauschers 6, sogenannte Argoninnenverdichtung).

[0062] In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in Form eines Anlagendiagramms dargestellt. Die ebenfalls zur Innenverdichtung eingerichtete Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet.

[0063] Die Luftzerlegungsanlage 100 entspricht teilweise der in Figur 1 dargestellten Luftzerlegungsanlage 110. Im Gegensatz zu der Luftzerlegungsanlage 110 erfolgt hier jedoch eine Aufteilung des Stroms a in den ersten und dem zweiten Teilstrom b und c (Turbinen- und Drosselstrom) stromauf der Nachverdichter 11 und 21. Turbinen- und Drosselstrom werden damit nicht mehr gemeinsam und seriell in den Nachverdichter 11 und 21 nachverdichtet, sondern parallel. Der Antrieb der Nachverdichter kann dabei, wie oben erläutert, durch die Entspannungsmaschinen 12 und 22 erfolgen. Hierbei kann abweichend zur Darstellung in der Figur 2 auch der erste Nachverdichter 11 mit der zweiten Entspannungsmaschine 22 und der zweite Nachverdichter 21 mit der ersten Entspannungsmaschine 12 gekoppelt sein. Wie eingangs erläutert, lässt sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ein geringerer Eintrittsdruck und eine höhere Eintrittstemperatur an der ersten ("kalten") Entspannungsmaschine 12 erzielen. Letzteres ist durch eine Verschiebung des optimalen Q,t-Profils bedingt, wie es nachfolgend veranschaulicht wird.

[0064] In der Figur 3 ist ein typisches optimiertes Q,t-Profil einer Luftzerlegungsanlage 110 der Figur 1 dargestellt. Entsprechend ist in der Figur 4 ein typisches optimiertes Q,t-Profil einer Luftzerlegungsanlage 100 der Figur 2 dargestellt. In den in der Figur 3 und der Figur 4 dargestellten Diagrammen ist jeweils eine Wärmemenge in kW auf der Ordinate gegenüber einer Temperatur in K auf der Abszisse aufgetragen.

[0065] In den beiden Figuren sind charakteristische Punkte der jeweiligen Profile mit 301, 302 und 303 bzw. 401, 402 und 403 bezeichnet. Der Punkt 301 bzw. 401 entspricht dabei der Entnahme des Stroms, der zur ersten ("kalten") Entspannungsmaschine 12 geführt wird, aus dem Wärmetauscher 6. Der Punkt 302 bzw. 402 entspricht der Rückführung des aus der zweiten Entspannungsmaschine 22 kommenden Stroms in den Wärmetauscher 6. Der Punkt 302 bzw. 402 entspricht der Entnahme des Stroms, der zur zweiten Entspannungsmaschine 22 geführt wird, aus dem Wärmetauscher 6. Wie aus der Zusammenschau der Figuren 3 und 4 ersichtlich, liegt der Punkt 401 bei einer Temperatur deutlich oberhalb jener des Punktes 301, was einer höheren Entnahmetemperatur aus der ersten Entspannungsmaschine und damit einem geringeren Flüssiganteil aufgrund der höheren Entnahmetemperatur entspricht.

[0066] In Figur 5 ist ein Leitrad und ein Laufrad einer als Turboexpander ausgebildeten Entspannungsmaschine, z.B. der Entspannungsmaschine 12, ausschnittsweise und stark schematisiert in Form einer Ansicht 120 einer Turbinenstufe dargestellt. Bekannte Turboexpander weisen eine oder mehrere derartiger Turbinenstufen auf. Ein Laufrad, hier mit 121 bezeichnet, weist eine Reihe von Laufradschaufeln 121' auf, auf die über ein Leitrad 122 (mit Leitradschaufeln 122') Fluid geleitet wird. Das Laufrad 121 wird hierdurch in Rotation versetzt. Das Fluid wird dabei über einen Turbinenspalt 123 geleitet. Wie eingangs erläutert, ist insbesondere im Turbinenspalt 123 die Abscheidung von Flüssigkeit kritisch.

[0067] Dies wird anhand des in Figur 6 gezeigten h,s-Diagramms veranschaulicht, das Zustandsänderungen in einer Stufe einer entsprechenden Entspannungsmaschine zeigt. Hierbei ist eine spezifische Entropie s auf der Abszisse gegenüber einer spezifischen Enthalpie h auf der Ordinate aufgetragen. Mit p0, p1 und p2 sind Isobarenlinien in dem h,s-Diagramm angegeben, die unterschiedlichen Druckniveaus in der Entspannungsmaschine bzw. einer Stufe 120 entsprechen. Ein Druck p0 liegt dabei beim Eintritt des Fluids in das Leitrad 122, also beim Eintritt in die jeweilige Stufe 120, ein Druck p1 im Turbinenspalt 123 und ein Druck p2 nach dem Durchlaufen des Laufrads 121, also am Austritt aus der Stufe 120 vor. Mit h_LE ist ein Enthalpieabbau im Leitrad 122, mit h_LA ein Enthalpieabbau im Laufrad 121 und mit h_ST ein Enthalpieabbau in der gesamten Stufe 120 angegeben.

[0068] Im Leitrad 122 tritt eine Beschleunigung der Strömung ein, wobei mit c₀ die Geschwindigkeit des Fluids am Eintritt in das Leitrad 122, und damit beim Eintritt in die jeweilige Stufe 120, und mit c₁ die Geschwindigkeit des Fluids am Austritt aus dem Leitrad 122 angegeben ist. Arbeit wird bei dieser Zustandsänderung (im Gegensatz zur Beschleunigung im Laufrad 121) nicht abgeführt, daher bleibt die Gesamtenthalpie (die sich jeweils aus der Enthalpie vor und nach der Zustandsänderung h₀ und h₁ und einem Geschwindigkeitsterm zusammensetzt) konstant:

[0069] Bei der Zustandsänderung (Beschleunigung) kommt es gemäß dem Gesetz von Bernoulli zu einem Abfall des Drucks (p1 < p0). Hierbei ist kritisch, wenn der Druck so weit absinkt, dass die diesem Druck entsprechende Tautemperatur des Fluids unterschritten wird. In diesem Fall kommt es zur (unerwünschten) Flüssigkeitsbildung im Turbinenspalt.

[0070] Die Erfindung ermöglicht es aufgrund der Aufteilung der Einsatzluftströme vor der Nachverdichtung, den Turbinenstrom (vgl. Figur 2, Strom b) in dem Hauptwärmetauscher 6 auf eine Temperatur abzukühlen, die so gewählt werden kann, dass sich bei der Teilentspannung des Turbinenstroms b in der ersten Entspannungsmaschine 12 die Luft des Turbinenstroms b in dem Turbinenspalt (vgl. Figur 5, Bezugszeichen 123) kaum oder vorzugsweise überhaupt nicht verflüssigt.

[0071] Wie erläutert, wird die Geschwindigkeit der Luft in dem Leitrad 122 bzw. den von den entsprechenden Leitradschaufeln 122' gebildeten Kanälen, von einem Ausgangswert c0 auf einen Zwischenwert c1 erhöht, wodurch ein Druck des Turbinenstroms b in dem Leitrad 122 von einem Ausgangswert p0 auf einen Zwischenwert p1 verringert wird. Die Temperatur, auf die der Turbinenstrom b in dem Hauptwärmetauscher 6 abgekühlt wird, wird daher zumindest in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Ausgangswert c0 bzw. p0 und dem Zwischenwert c1 bzw. p1 der Geschwindigkeit und/oder des Drucks ausgewählt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Gewinnung von Luftprodukten durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulensystem (7) einer Luftzerlegungsanlage (100), das eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) aufweist, wobei

- eine in dem Verfahren insgesamt eingesetzte Gesamtluftmenge in einem Hauptverdichter (2) auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet wird, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, bei dem die Hochdrucksäule (71) betrieben wird, wobei

- zumindest ein erster und ein zweiter Anteil der Gesamtluftmenge als Turbinenstrom (b) nacheinander in einem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt und in einer ersten Entspannungsmaschine (12) auf einen ersten Turbinenaustrittsdruck entspannt werden, wobei

- der erste Anteil anschließend in die Hochdrucksäule (71) eingespeist und der zweite Anteil anschließend in dem Hauptwärmetauscher (6) erwärmt und in einer zweiten Entspannungsmaschine (22) auf einen zweiten Turbinenaustrittsdruck weiter entspannt wird, und wobei

- als die erste Entspannungsmaschine (12) ein Turboexpander mit wenigstens einer Expansionsstufe (120) mit einem Laufrad (121), einem Leitrad (122) und einem zwischen dem Laufrad (121) und dem Leitrad (122) angeordneten Turbinenspalt (123) verwendet wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

- der Turbinenstrom (b) der ersten Entspannungsmaschine (12) vollständig in gasförmigem Zustand und mit einem Druck und einer Temperatur zugeführt wird, die bewirken, dass der Turbinenstrom (b) in dem Turbinenspalt (123) zu 85 Molprozent oder mehr in dem gasförmigem Zustand verbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein dritter Anteil der Gesamtluftmenge als Drosselstrom (c) in einem ersten Nachverdichter (11) nachverdichtet, in dem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt, in einem Entspannungsventil (9) entspannt und in die Hochdrucksäule (71) eingespeist wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Turbinenstrom (b) vor dem Abkühlen in dem Hauptwärmetauscher (6) in einem zweiten Nachverdichter (21) nachverdichtet wird, wobei der erste Nachverdichter (11) mit der ersten Entspannungsmaschine (12) und der zweite Nachverdichter (21) mit der zweiten Entspannungsmaschine (22) oder der erste Nachverdichter (11) mit der zweiten Entspannungsmaschine (22) und der zweite Nachverdichter (21) mit der ersten Entspannungsmaschine (12) gekoppelt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Druck und die Temperatur, mit dem der Turbinenstrom (b) der ersten Entspannungsmaschine (12) zugeführt wird, so gewählt wird, dass nach der Entspannung auf den ersten Turbinenaustrittsdruck in der ersten Entspannungsmaschine (12) ein Anteil des Turbinenstroms (b) verflüssigt vorliegt, der 0 Molprozent bis 15 Molprozent, insbesondere 1 Molprozent bis 15 Molprozent beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Geschwindigkeit des Turbinenstroms (b) in dem Leitrad (122) von einem Ausgangswert (c0) auf einen Zwischenwert (c1) erhöht wird, wodurch ein Druck des Turbinenstroms (b) in dem Leitrad (122) von einem Ausgangswert (p0) auf einen Zwischenwert (p1) verringert wird, wobei eine Temperatur, auf die der Turbinenstrom (b) in dem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt wird, zumindest in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Ausgangswert (c0, p0) und dem Zwischenwert (c1, p1) der Geschwindigkeit und/oder des Drucks ausgewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Temperatur, auf die der Turbinenstrom (b) in dem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt wird, so gewählt wird, dass bei dem Zwischenwert (p1) des Drucks des Turbinenstroms (b) eine Tautemperatur des Turbinenstroms (b) nicht unterschritten wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem aus dem Destillationssäulensystem (7) zumindest ein flüssiger Strom (q, n, z) abgezogen wird, der flüssig auf Druck gebracht und in dem Hauptwärmetauscher (6) zu einem gasförmigen Druckprodukt verdampft wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als flüssiger Strom (q, n, z) flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und/oder flüssiges Argon entnommen wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem mit dem Destillationssäulensystem (7) ferner wenigstens ein Edelgasprodukt (z), insbesondere Argon, Krypton und/oder Xenon, gewonnen wird.

10. Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (7) das eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) aufweist, wobei die Luftzerlegungsanlage (100) ferner aufweist:

- einen Hauptverdichter (2), der dafür eingerichtet ist, eine der Luftzerlegungsanlage (100) insgesamt zugeführte Gesamtluftmenge auf einen Hauptverdichterdruck zu verdichten, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule (50) eingerichtet ist,

- einen Hauptwärmetauscher (6) und eine erste Entspannungsmaschine (12), die dafür eingerichtet sind, zumindest einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge als Turbinenstrom (b) abzukühlen und auf einen ersten Turbinenaustrittsdruck zu entspannen,

- Mittel, die dafür eingerichtet sind, den ersten Anteil anschließend in die Hochdrucksäule (71) einzuspeisen und den zweiten Anteil anschließend in dem Hauptwärmetauscher (6) zu erwärmen und auf einen zweiten Turbinenaustrittsdruck weiter zu entspannen, wobei

- zur Entspannung des Turbinenstroms (b) auf den ersten Turbinenaustrittsdruck eine Entspannungsmaschine (12) in Form einesTurboexpanders mit zumindest einer Expansionsstufe (120) mit einem Laufrad (121), einem Leitrad (122) und einem zwischen dem Laufrad (121) und dem Leitrad (122) angeordneten Turbinenspalt (123) vorgesehen ist,

gekennzeichnet durch

- Mittel, die dazu eingerichtet sind, den Turbinenstrom (b) der ersten Entspannungsmaschine (12) vollständig in gasförmigem Zustand und mit einem Druck und einer Temperatur zuzuführen, die bewirken, dass der Turbinenstrom (b) in dem Turbinenspalt (123) zu 99 Molprozent oder mehr in dem gasförmigem Zustand verbleibt.

11. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 10, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.

12. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 10 oder 11, die Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind, zumindest den Druck und/oder die Temperatur des Turbinenstroms (b) und/oder einen Flüssigkeitsanteil an einem Austritt der ersten Entspannungsmaschine zu bestimmen und/oder einzustellen.

13. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, die ferner dafür eingerichtet ist, einen dritten Anteil der Gesamtluftmenge als Drosselstrom (c) nacheinander in einem ersten Nachverdichter (11) nachzuverdichten, in dem Hauptwärmetauscher (6) abzukühlen, in einem Entspannungsventil (9) zu entspannen und in die Hochdrucksäule (71) einzuspeisen.

14. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 13, die ferner dafür eingerichtet ist, den Turbinenstrom (b) vor dem Abkühlen in dem Hauptwärmetauscher (6) in einem zweiten Nachverdichter (21) nachzuverdichten, wobei der erste Nachverdichter (11) mit der ersten Entspannungsmaschine (12) und der zweite Nachverdichter (21) mit der zweiten Entspannungsmaschine (22) oder der erste Nachverdichter (11) mit der zweiten Entspannungsmaschine (22) und der zweite Nachverdichter (21) mit der ersten Entspannungsmaschine (12) mechanisch gekoppelt ist.

Zeichnung