Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und Luftzerlegungsanlage

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft (A), bei dem die Luft (A) verdichtet, abgekühlt und in wenigstens einer Rektifikationskolonne (2) rektifiziert wird, wobei der wenigstens einen Rektifikationskolonne (2) zumindest eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen und von einem Säulendruck auf einen Zwischendruck und von dem Zwischendruck auf einen Enddruck entspannt wird, wobei zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck zumindest zeitweise wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter (4) gekoppelte Entspannungsmaschinen (5) verwendet werden. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (10) 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] Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind beispielsweise bekannt aus Hausen, H. und Linde, H.: Tieftemperaturtechnik. Erzeugung sehr tiefer Temperaturen, Gasverflüssigung und Zerlegung von Gasgemischen. 2. Auflage. Berlin, New York: Springer 1985. Seiten 281 - 337.

[0003] Die vorliegende Anmeldung betrifft insbesondere die Luftzerlegung nach dem sogenannten SPECTRA-Verfahren, wie unter anderem auch in der EP 0 412 793 B2, der EP 0 773 417 B1, der EP 0 780 648 B1, der EP 0 807 792 B1, der EP 0 932 004 A2, der US 2007/204652 A1 oder der DE 10 2007 051 184 A1 offenbart.

[0004] Wie bei anderen Luftzerlegungsverfahren auch wird beim SPECTRA-Verfahren verdichtete und vorgereinigte Luft auf eine für die Rektifikation geeignete Temperatur abgekühlt, die normalerweise an oder nahe ihrem Taupunkt liegt. Sie wird hierdurch teilweise verflüssigt. Die Luft wird anschließend in eine Rektifikationskolonne eingespeist und dort rektifiziert. Bodenseitig können der Rektifikationskolonne sauerstoffangereicherte, flüssige Fraktionen, kopfseitig stickstoffangereicherte, gasförmige Fraktionen entnommen werden. Der Grad der Anreicherung richtet sich nach der Entnahmehöhe.

[0005] Beim SPECTRA-Verfahren werden der Rektifikationskolonne eine erste und eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen, auf einen Zwischendruck entspannt und anschließend in einem Kondensatorverdampfer, der als Kopfkondensator der Rektifikationskolonne wirkt, verdampft. Die Verdampfungskälte wird in dem Kopfkondensator zur Kühlung einer stickstoffreichen Fraktion, die ebenfalls der Rektifikationskolonne entnommen wird, verwendet.

[0006] Die verdampfte erste sauerstoffangereicherte Fraktion wird in einer Entspannungsmaschine (Boosterturbine) arbeitsleistend weiter entspannt, wodurch Austauschverluste ausgeglichen werden können und gegebenenfalls für die Produktverflüssigung, z.B. zur Stickstoffverflüssigung, benötigte Kälte erzeugt werden kann. Die erste sauerstoffangereicherte Fraktion kann anschließend unter dem Austrittsdruck der Entspannungsmaschine, üblicherweise unter Atmosphärendruck oder leicht darüber, abgegeben und beispielsweise als Regeneriergas für Adsorptionseinrichtungen zur Vorreinigung der Einsatzluft genutzt werden. Die verdampfte zweite sauerstoffangereicherte Fraktion wird rückverdichtet, abgekühlt, und in die Rektifikationskolonne rückgespeist. Zur Rückverdichtung kann ein Kaltverdichter verwendet werden. Die Entspannungsmaschine und der Kaltverdichter können mechanisch miteinander verbunden sein.

[0007] Aus der US 2007/0204652 A1 ist bekannt, zur Entspannung der verdampften ersten sauerstoffangereicherten Fraktion zwei Entspannungsmaschinen zu verwenden, von denen eine mit einem Kaltverdichter, wie zuvor erläutert, und eine mit einem Generator mechanisch verbunden ist. Hierdurch kann zusätzliche Kälte gewonnen werden. Schwierigkeiten ergeben sich beim SPECTRA-Verfahren unter anderem aufgrund der Beanspruchung der Entspannungsmaschinen im Betrieb. Diese müssen für stark schwankende und teilweise sehr hohe Durchsätze eingerichtet sein. Insbesondere beim Hin- und Herfahren zwischen Flüssig- und Gasfällen, wie unten noch näher erläutert, können Probleme auftreten.

[0008] Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und entsprechend betriebene Luftzerlegungsanlagen, insbesondere solche mit Entspannungsmaschinen, zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

[0009] Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

[0010] Die vorliegende Erfindung geht von einem herkömmlichen Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft aus, bei dem diese, wie eingangs erläutert, verdichtet, abgekühlt und in wenigstens einer Rektifikationskolonne rektifiziert wird. Insbesondere bei den erläuterten SPECTRA-Verfahren wird der wenigstens einen Rektifikationskolonne zumindest eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen und von einem Säulendruck auf einen Zwischendruck und von dem Zwischendruck auf einen Enddruck entspannt. Der Säulendruck entspricht dabei dem üblichen Betriebsdruck der Rektifikationskolonne, wie unten erläutert.

[0011] Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck zumindest zeitweise wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter gekoppelte, d.h. beispielsweise über eine Welle verbundene, Entspannungsmaschinen einzusetzen. Diese können vollständig parallel geschaltet sein, d.h. gleiche Ein- und Austrittstemperaturen und -drücke aufweisen. Eine derartige Anordnung lässt sich baulich besonders einfach und kostengünstig umsetzen, weil eine Vielzahl an Komponenten identisch ausgelegt werden kann. Entsprechende Teilströme können auch beispielsweise über einfach zu realisierende Verzweigungen auf die genannten Entspannungsmaschinen verteilt werden.

[0012] Der Begriff "Entspannungsmaschine" bezeichnet im Rahmen dieser Anmeldung eine Vorrichtung, mittels derer die bei einer Entspannung eines Fluids frei werdende Energie in eine mechanische Bewegung umgesetzt und damit einem entsprechenden System entnommen werden kann. Bekannte Entspannungsmaschinen werden auch als Turboexpander bezeichnet. Eine "mit einem Kaltverdichter gekoppelte" Entspannungsmaschine kann direkt einen entsprechenden Kaltverdichter antreiben. Gegebenenfalls kann eine Bremseinrichtung, z.B. eine Ölbremse, vorgesehen sein.

[0013] Bei den herkömmlichen SPECTRA-Verfahren dient die Verwendung von Entspannungsmaschinen dazu, bei der Entspannung frei werdende Energie zumindest teilweise zurückzugewinnen. Wie erwähnt, kommt es jedoch insbesondere aufgrund der ausgeprägten Schwankungen in den Durchsätzen sowie beim Hin- und Herfahren zwischen Flüssig- und Gasfällen zu Problemen.

[0014] Soll in herkömmlichen Anlagen nämlich viel flüssiger Stickstoff produziert werden, ist hierzu eine vergleichsweise große Kälteleistung erforderlich. Damit muss dem System entsprechend Leistung über die Entspannungsmaschinen, z.B. mittels einer Ölbremse, entnommen werden. Damit steht aber für den jeweiligen Kaltverdichter entsprechend weniger Leistung zur Verfügung. Bei gleichem Druckverhältnis sinkt daher der Durchsatz und damit auch der Wirkungsgrad entsprechend der Auslegung. Dieser Nachteil lässt sich auch durch die Bereitstellung einer zusätzlichen, mit einem Generator gekoppelten Entspannungsmaschine, wie sie beispielsweise in der eingangs erläuterten US 2007/0204652 A1 gezeigt ist, nicht lösen.

[0015] Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist hingegen die Leistung, die über jede einzelne Entspannungsmaschine entnommen und gegebenenfalls in einer Ölbremse "vernichtet" werden muss, sehr viel geringer. Entsprechend mehr Leistung steht zum Betrieb des jeweiligen Kaltverdichters, der mit der Entspannungsmaschine ebenfalls mechanisch verbunden ist, zur Verfügung.

[0016] Es ist zwar möglich, herkömmliche Anlagen mit unterschiedlichen Betriebspunkten, beispielsweise zu jeweils ca. 50% der Zeit, zu fahren. Hierbei leidet aufgrund der schlechteren Wirkungsgrade jedoch die Effizienz. Verwendet man hingegen, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, zumindest zeitweise wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter gekoppelte Entspannungsmaschinen, kann die Effizienz bei entsprechender Auslegung stark verbessert werden. Hinzu kommt, dass dem System an jeweils einer Entspannungsmaschine nicht beliebig Leistung entnommen werden kann. So ist beispielsweise die Leistung bekannter Ölbremsen begrenzt. Dies wiederum begrenzt die Flüssigproduktionskapazität der Anlage. Schon bei der Verwendung von zwei Entspannungsmaschinen verdoppelt sich diese Kapazität. Die Erfindung ist jedoch nicht auf zwei Entspannungsmaschinen beschränkt, so dass eine weitere Effizienzsteigerung möglich ist. Beispielsweise können zwei oder mehr Entspannungsmaschinen, die mit Kaltverdichtern und gegebenenfalls Ölbremsen gekoppelt sind, und eine Entspannungsmaschine, die mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist, eingesetzt werden.

[0017] Insgesamt kann festgestellt werden, dass herkömmliche Anlagen zur Durchführung des SPECTRA-Verfahrens bisweilen über mehrere Jahre im 50%-Teillastbetrieb betrieben werden. Hierbei nimmt der Wirkungsgrad einer Entspannungsmaschine, wie erläutert, jedoch sehr stark ab. Werden zwei oder mehr Entspannungsmaschinen verwendet, ist die Effizienz auch im 50%-Teillastbetrieb hingegen wesentlich höher.

[0018] Die Nachteile des Standes der Technik werden damit durch die erfindungsgemäße Verwendung von wenigstens zwei jeweils mit Kaltverdichtern gekoppelter Entspannungsmaschinen, die zumindest zeitweise parallel betrieben werden können, überwunden. Insbesondere kann durch die Verwendung von zwei oder mehr mit Kaltverdichtern gekoppelten Entspannungsmaschinen auch das Teillastverhalten signifikant verbessert werden, weil eine einzelne Entspannungsmaschine nicht permanent an ihrer oberen Auslegungsgrenze betrieben werden muss. Diese kann insbesondere in größeren Anlagen erreicht werden.

[0019] Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass geringer dimensionierte Entspannungsmaschinen, die jedoch im Parallelbetrieb gefahren werden können, kostengünstiger in der Herstellung bzw. Anschaffung sind. Entsprechende Anlagen können bei Bereitstellung mehrerer derartiger Entspannungsmaschinen beliebig an die jeweiligen Lastanforderungen angepasst werden. Sie sind nicht mehr durch die maximale Größe entsprechender Einrichtungen beschränkt. Luftzerlegungsanlagen, die erfindungsgemäß erstellt werden, können modular erweitert und damit auch nachträglich an erhöhte Durchsätze angepasst werden. Durch eine geringere Beanspruchung der Entspannungsmaschinen ergibt sich eine verbesserte Dauerfestigkeit und eine geringere Wartungs- bzw. Reparaturanfälligkeit. Die erfindungsgemäß erstellten Luftzerlegungsanlagen können damit deutlich kostengünstiger und zuverlässiger betrieben werden.

[0020] Besonders vorteilhaft ist es, die wenigstens zwei jeweils mit Kaltverdichtern gekoppelten Entspannungsmaschinen wahlweise abwechselnd oder gleichzeitig (parallel) zu betreiben. Wie erläutert, ist hierbei zumindest zeitweise ein vollständig paralleler Betrieb mit gleichen Ein- und Austrittstemperaturen und -drücken zweckmäßig. Insbesondere dann, wenn die wenigstens zwei jeweils mit Kaltverdichtern gekoppelten Entspannungsmaschinen baulich identisch ausgebildet sind, können diese völlig redundant betrieben werden, so dass eine Wartung und/oder Reparatur einer der beiden Maschinen vorgenommen werden kann, während die andere regulär in Betrieb ist. Zumindest eine der wenigstens zwei genannten Entspannungsmaschinen kann jedoch beispielsweise auch nur im Hochlastfall zugeschaltet werden. Bei normaler Last können auch zwei oder mehrere Entspannungsmaschinen im Teillastbetrieb gefahren werden, so dass sich deren Lebensdauer verlängert. Die wenigstens zwei Entspannungsmaschinen können auch baulich unterschiedlich ausgebildet sein, so dass ein Betrieb in einem ersten Betriebszustand mit einer ersten Entspannungsmaschine und ein Betrieb in einem zweiten Betriebszustand mit einer zweiten Entspannungsmaschine erfolgen werden kann.

[0021] Wenngleich im Rahmen dieser Anmeldung überwiegend von zwei mit Kaltverdichtern gekoppelten Entspannungsmaschinen die Rede ist, sei zu verstehen gegeben, dass auch mehrere Entspannungsmaschinen eingesetzt werden können.

[0022] Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst vorteilhafterweise, als Säulendruck einen Druck von 6 bis 20 bar, beispielsweise von 9 bar, als Zwischendruck ein Druck von 2 bis 9 bar, beispielsweise von 4 bar und/oder als Enddruck einen Druck von 0,5 bis 1,5 bar, beispielsweise von 1,3 bar, zu verwenden. Bei den im Rahmen dieser Anmeldung angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke.

[0023] Innerhalb der genannten Druckbereiche kann das Verfahren beliebig an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Durch die Entspannung von dem Säulendruck auf den Zwischendruck kann freiwerdende Kälte vorteilhafterweise zur Kühlung von entsprechenden Fraktionen, beispielsweise einer Stickstofffraktion, verwendet werden. Wird die erwähnte erste sauerstoffreiche Fraktion auf einen Enddruck von beispielsweise 1,3 bar entspannt, kann diese ohne weitere Anpassungen in eine entsprechende Adsorptionseinrichtung zur Aufreinigung der verwendeten Luft eingespeist werden. Sie wird dort z.B. zur Regenerierung der verwendeten Molsiebe verwendet.

[0024] Vorteilhafterweise wird der wenigstens einen Rektifikationskolonne eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen und von dem Säulendruck auf den oder einen weiteren Zwischendruck entspannt und anschließend auf den Säulendruck rückverdichtet. Zum Rückverdichten werden zumindest zeitweise wenigstens zwei Kaltverdichter verwendet, wobei es sich hierbei um die jeweils mit den zuvor erwähnten wenigstens zwei Entspannungsmaschinen gekoppelten Kaltverdichter handelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen SPECTRA-Verfahren schlägt die Erfindung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung also auch hier die parallele Verwendung von mehreren Vorrichtungen vor. Auch bezüglich dieser Kaltverdichter ergeben sich die zuvor erläuterten Vorteile hinsichtlich Redundanz und/oder Teillastverhalten.

[0025] Die bei der Entspannung frei werdende Energie kann daher vorteilhafterweise zumindest teilweise zur Rückverdichtung verwendet werden. In der Regel wird die bei der Entspannung von dem Zwischendruck auf den Enddruck freiwerdende Energie dabei, abzüglich der über die Ölbremse entnommenen Leistung und von Verlusten, dem jeweiligen Kaltverdichter zugeführt.

[0026] Eine mechanische Verbindung, die jeweils zwischen Kaltverdichter und Entspannungsmaschine vorgesehen ist, kann eine Bremseinrichtung umfassen, die beispielsweise als Ölbremse ausgebildet sein kann. Die Leistung der Bremseinrichtung dient der Deckung der Kältebilanz. Sind nur mit Kaltverdichtern gekoppelte Entspannungsmaschinen vorgesehen, werden in der Regel Ölbremsen verwendet. Zusätzlich können jedoch eine oder mehrere Entspannungsmaschinen vorgesehen sein, die mit einer anderen Bremseinrichtung, z.B. einem Generator, wie zuvor erwähnt und nachfolgend noch erläutert, ausgerüstet sind.

[0027] Wird zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck zumindest zeitweise wenigstens eine weitere Entspannungsmaschine verwendet, die mit einem Generator mechanisch gekoppelt ist, kann weitere Energie zurückgewonnen werden, die z.B. zur Kühlung oder Verdichtung eingesetzt werden kann. Auch die weitere Entspannungsmaschine kann bei Bedarf zugeschaltet und/oder dauerhaft betrieben werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer solchen Anordnung immer dann, wenn zumindest zeitweise der Kältebedarf nicht durch eine oder mehrere Ölbremsen (pro Entspannungsmaschine) gedeckt werden kann. Wie oben erwähnt, ist die Leistung bekannter Ölbremsen begrenzt. Eine Generatorturbine kann dauerhaft betrieben und zur Deckung der Kältebilanz verwendet werden. Hierdurch kann Energie genutzt werden, die über die Ölbremse "vernichtet", d.h. in Wärme umgesetzt werden würde.

[0028] Vorteilhaft kann auch sein, zur Entspannung der ersten und/oder der zweiten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Säulendruck auf den Zwischendruck oder den Zwischendruck und den weiteren Zwischendruck, wie erläutert, wenigstens einen Kondensatorverdampfer zu verwenden. Dieser ist insbesondere als Kopfkondensator ausgebildet.

[0029] Dies ist insbesondere zur Kühlung einer stickstoffreichen Fraktion vorteilhaft, die ebenfalls der Rektifikationskolonne entnommen werden kann. Eine entsprechende stickstoffreiche Fraktion kann nach Kühlung in dem Kondensator und gegebenenfalls Verflüssigung der Luftzerlegungsanlage entnommen werden.

[0030] Eine erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage ist zur Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens eingerichtet. Wenigstens einer Rektifikationskolonne der Luftzerlegungsanlage kann dabei zumindest eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen werden und von einem Säulendruck auf einen Zwischendruck und von dem Zwischendruck auf einen Enddruck entspannt werden. Die Luftzerlegungsanlage weist wenigstens zwei Entspannungsmaschinen auf, die zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck eingerichtet und jeweils mit einem Kaltverdichter gekoppelt sind. Die Luftzerlegungsanlage profitiert von den zuvor erläuterten Vorteilen, so dass auf diese ausdrücklich verwiesen werden kann.

[0031] Die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Figuren gezeigt und werden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

[0032] Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß dem Stand der Technik.

Figur 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

[0033] In den Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird verzichtet.

Ausführungsformen der Erfindung

[0034] In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß dem Stand der Technik schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Luftzerlegungsanlage 100 ist zur Tieftemperaturzerlegung von Luft nach dem SPECTRA-Verfahren eingerichtet.

[0035] Die Luftzerlegungsanlage 100 weist einen Hauptwärmetauscher 1 und eine Rektifikationskolonne 2 auf. Der Hauptwärmetauscher 1 verfügt über ein sogenanntes warmes Ende 11 und ein sogenanntes kaltes Ende 12. Der Hauptwärmetauscher 1 kann auch aus mehreren einzelnen Wärmetauschern oder Wärmetauscherblöcken zusammengesetzt sein und bildet in diesem Fall einen Hauptwärmetauscherkomplex. Die Rektifikationskolonne 2 weist einen Kopfbereich 21 und einen Bodenbereich 22 auf.

[0036] In bekannter Weise auf einen Druck von 6 bis 20 bar, beispielsweise 9 bar, verdichtete und vorgereinigte Luft A wird über ein Ventil 101 über Leitungen a und b vom warmen Ende 11 zum kalten Ende 12 durch den Hauptwärmetauscher 1 geführt. Die Luft A wird hierdurch auf eine für die Rektifikation geeignete Temperatur abgekühlt, die normalerweise an oder nahe ihrem Taupunkt liegt. Sie wird hierdurch teilweise verflüssigt.

[0037] Die Luft A wird anschließend in die Rektifikationskolonne 2 eingespeist und dort in üblicher Weise rektifiziert. Die Einspeisung der Luft A erfolgt beispielsweise einige praktische oder theoretische Böden oberhalb des Bodenbereichs 22. Der Betriebsdruck der Rektifikationskolonne 2, im Rahmen dieser Anmeldung als "Säulendruck" bezeichnet beträgt 6 bis 20 bar, beispielsweise 9 bar. Bodenseitig der Rektifikationskolonne 2 können dieser sauerstoffangereicherte, flüssige Fraktionen, kopfseitig stickstoffangereicherte gasförmige Fraktionen entnommen werden. Eine stickstoffangereicherte Fraktion kann der Rektifikationskolonne 2 beispielsweise über eine Leitung c, eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion über eine Leitung e und eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion über eine Leitung d entnommen werden. Der Grad der Sauerstoffanreicherung richtet sich nach der Entnahmehöhe. Wie erläutert, können die im Rahmen dieser Anmeldung verwendeten sauerstoffangereicherten Fraktionen auch in gleicher Höhe oder gemeinsam entnommen werden.

[0038] Die sauerstoffangereicherten Fraktionen können am kalten Ende 12 durch den Hauptwärmetauscher 1 geführt und unterkühlt werden. Anschließend können die Fraktionen über Leitungen g und f einem als Kopfkondensator 3 ausgebildeten Kondensatorverdampfer zugeführt und dort verdampft werden. Über Entspannungsventile 111 und 112 werden die Fraktionen zuvor auf einen Zwischendruck von 2 bis 9 bar, beispielsweise 4 bar, entspannt. Die Leitungen e und d können auch ohne den gezeigten Umweg über den Hauptwärmetauscher 1 direkt in den Kopfkondensator 3 geführt sein. Auch andere Varianten sind möglich. So kann zunächst nur eine sauerstoffangereicherte Fraktion der Rektifikationskolonne 2 entnommen und verdampft werden. Diese Fraktion kann anschließend in die erste und die zweite sauerstoffangereicherte Fraktion aufgeteilt werden.

[0039] Die erste sauerstoffangereicherte Fraktion wird nach der Verdampfung über eine Leitung I gasförmig dem Hauptwärmetauscher 1 zugeführt und dort auf eine Zwischentemperatur angewärmt. Über eine Leitung m kann zumindest ein Teil der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion anschließend einer Entspannungsmaschine 5, die als Turboexpander (Boosterturbine) ausgebildet sein kann, zugeführt und dort arbeitsleistend auf beispielsweise ca. 300 mbar über Atmosphärendruck entspannt werden.

[0040] Ein weiterer Teil der bei der Zwischentemperatur dem Hauptwärmetauscher entnommenen ersten sauerstoffangereicherten Fraktion kann bei Bedarf alternativ oder zusätzlich über ein Ventil 104 entspannt werden.

[0041] Die über die Entspannungsmaschine 5 oder das Ventil 104 entspannte erste sauerstoffangereicherte Fraktion wird anschließend über Leitungen n und o vom kalten Ende 12 zum warmen Ende 11 durch den Hauptwärmetauscher 1 geführt und erwärmt. Eine entsprechend erwärmte Fraktion B kann beispielsweise an die Atmosphäre abgeblasen und/oder, gegebenenfalls nach einer weiteren Erwärmung, als Regeneriergas in einer Reinigungseinrichtung für die Luft A verwendet werden.

[0042] Nach der Verdampfung wird die zweite sauerstoffangereicherte Fraktion über eine oder mehrere Leitungen h gasförmig einem Kaltverdichter 4 zugeführt und dort auf etwa den genannten Säulendruck der Rektifikationskolonne 2 rückverdichtet. Nach der Rückverdichtung wird die zweite sauerstoffangereicherte Fraktion über Leitungen i und k im Hauptwärmetauscher 1 erneut auf etwa die Betriebstemperatur der Rektifikationskolonne 2 rückgekühlt und bodenseitig über ein Ventil 102 in diese eingespeist. Ein gasförmiger Anteil kann auch über eine gestrichelt dargestellte Leitung und ein weiteres Ventil 103 in den Kaltverdichter 4 zur Pumpverhütung zurückgeführt werden, dabei handelt es sich um den sogenannten Boosterbypass.

[0043] Die Entspannungsmaschine 5 kann über eine Bremseinrichtung 6 mechanisch mit dem Kaltverdichter 4 verbunden sein. Die Bremseinrichtung 6 kann beispielsweise als Ölbremse ausgebildet sein.

[0044] Die im Kopfbereich 21 der Rektifikationskolonne 2 entnommene stickstoffangereicherte gasförmige Fraktion kann zu einem Teil über die Leitungen p und q vom kalten Ende 12 zum warmen Ende 11 durch den Hauptwärmetauscher 1 geführt werden. Über ein Ventil 105 kann der Anlage 100 damit gasförmiger Stickstoff C entnommen werden.

[0045] Ein weiterer Teil der stickstoffangereicherten Fraktion kann über Leitungen r und s durch den Kopfkondensator 3 geführt und dort mit der aus der Verdampfung der ersten und der zweiten sauerstoffreichen Fraktion stammenden Verdunstungskälte abgekühlt werden. Anschließend wird ein Teil des flüssigen abgekühlten Stromes einem Wärmetauscher 9 zugeführt und im Gegenstrom zu einem über ein Ventil 106 entspannten Anteil hiervon weiter abgekühlt. Über eine Leitung u und ein Ventil 107 kann auf diese Weise der Anlage 100 ein flüssiges Stickstoffprodukt D entnommen werden. Ein mittels des Ventils 106 entspannter Anteil kann ebenfalls der Leitung n zugeführt und wie zuvor erläutert verwendet werden. Über eine Leitung t kann ein Teil der in dem Kopfkondensator 3 gekühlten Fraktion in den Kopfbereich 21 der Trennkolonne 2 rückgespeist werden.

[0046] Ein weiteres Ventil 108 und eine Leitung v können vorgesehen sein, worüber nicht unterkühlter flüssiger Stickstoff als Produkt dem System entnommen werden kann. Über eine Leitung w und ein Ventil 109 kann in eine gasförmige Spülfraktion F aus der Leitung h an die Atmosphäre abgeblasen werden.

[0047] Die Leitung x kann zum Einspeisen von flüssigem Stickstoff G über ein Ventil 110 verwendet werden. Weitere Ventile 111 und 112 dienen zur Druckreduzierung der Fluidströme in den jeweiligen Leitungen f und g.

[0048] In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Luftzerlegungsanlage 10 verfügt über die Komponenten der Luftzerlegungsanlage 100.

[0049] Anstelle lediglich eines Kaltverdichters 4 sowie nur einer mit diesem gekoppelten Entspannungsmaschine 5 und nur einer entsprechenden Bremseinrichtung 6 sind gemäß der Ausführungsform der Erfindung zwei Kaltverdichter 4, zwei Entspannungsmaschinen 5 und zwei Bremseinrichtungen 6 vorgesehen. Die zwei Kaltverdichter 4 und die zwei Entspannungsmaschinen 5 sind in der dargestellten Weise gekoppelt. Auch mehrere entsprechende Einheiten können vorgesehen sein. Diese können baulich identisch oder abweichend zueinander ausgebildet sein. Über die Leitung m oder entsprechende Abzweige können den Entspannungsmaschinen 5 gleiche oder unterschiedlich einstellbare Ströme der dem Hauptwärmetauscher 1 bei der Zwischentemperatur entnommenen zweiten sauerstoffangereicherten Fraktion zugeführt werden. Gleiches gilt für die über die Leitung h zugeführte erste sauerstoffreiche Fraktion und die Kaltverdichter 4.

[0050] Wie erläutert, wird durch die Bereitstellung mehrerer Kaltverdichter 4 mit diesen jeweils zugeordneten Entspannungsmaschinen 5 und entsprechenden Bremseinrichtungen 6 ein Teillastverhalten der Anlage 10 signifikant verbessert. Ferner kommt es zu einer Verbesserung im Betrieb bei unterschiedlichen Gas-/Flüssigsituationen.

[0051] Eine weitere Verbesserung ergibt sich bei Bereitstellung einer weiteren Entspannungsmaschine 7, der ein weiterer Teil der bei der Zwischentemperatur dem Hauptwärmetauscher entnommenen zweiten sauerstoffangereicherten Fraktion über die Leitung m zugeführt werden kann. Die weitere Entspannungsmaschine 7 kann beispielsweise mit einem Generator 8 mechanisch gekoppelt sein. Über den Generator 8 kann hierbei bei der Entspannung freiwerdende Leistung rückgewonnen werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft (A), bei dem die Luft (A) verdichtet, abgekühlt und in wenigstens einer Rektifikationskolonne (2) rektifiziert wird, wobei der wenigstens einen Rektifikationskolonne (2) zumindest eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen und von einem Säulendruck auf einen Zwischendruck und von dem Zwischendruck auf einen Enddruck entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck zumindest zeitweise wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter (4) gekoppelte Entspannungsmaschinen (5) verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter (4) gekoppelten Entspannungsmaschinen (5) zumindest zeitweise mit identischen Ein- und Austrittstemperaturen und/oder -drücken betrieben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter (4) gekoppelten Entspannungsmaschinen (5) wahlweise abwechselnd oder gleichzeitig betrieben werden.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Säulendruck ein Druck von 6 bis 20 bar, beispielsweise von 9 bar, als Zwischendruck ein Druck von 2 bis 9 bar, beispielsweise von 4 bar und/oder als Enddruck ein Druck von 0,5 bis 1,5 bar, beispielsweise von 1,3 bar, verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der wenigstens einen Rektifikationskolonne (2) eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen und von dem Säulendruck auf den oder einen weiteren Zwischendruck entspannt und anschließend auf den Säulendruck rückverdichtet wird, wobei zum Rückverdichten zumindest zeitweise wenigstens zwei der Kaltverdichter (4), die jeweils mit den wenigstens zwei Entspannungsmaschinen (5) gekoppelt sind, verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Entspannungsmaschine über eine Bremseinrichtung (6) mit einem Kaltverdichter gekoppelt ist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck zumindest zeitweise wenigstens eine weitere Entspannungsmaschine (7) verwendet wird, die mit einem Generator (8) mechanisch verbunden ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die erste und/oder die zweite sauerstoffangereicherte Fraktion nach der Entspannung von dem Säulendruck auf den Zwischendruck oder den Zwischendruck und den weiteren Zwischendruck in wenigstens einem Kondensatorverdampfer (3) verdampft wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Rektifikationskolonne (2) ferner zumindest eine stickstoffreiche Fraktion entnommen und in dem wenigstens einen Kondensatorverdampfer (3) gekühlt wird.

10. Luftzerlegungsanlage (10), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist, wobei wenigstens einer Rektifikationskolonne (2) der Luftzerlegungsanlage (10) zumindest eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion entnehmbar ist und von einem Säulendruck auf einen Zwischendruck und von dem Zwischendruck auf einen Enddruck entspannt werden kann, wobei die Luftzerlegungsanlage (10) wenigstens zwei Entspannungsmaschinen (5) vorgesehen sind, die zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck eingerichtet und jeweils mit einem Kaltverdichter (4) gekoppelt sind.

Zeichnung