Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage

Abstract

 Das Verfahren und die Anlage dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einer mehrsträngigen Anlage mit mindestens zwei Luftzerlegungsstränge, wobei beide jeder der zwei Luftzerlegungsstränge eine Coldbox aufweist, die ein Destillationssäulen-System enthält, das eine erste Hochdrucksäule (101), eine erste Niederdrucksäule (102) und einen ersten Hauptkondensator (103) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und einen Verdampfungsraum und einen Verflüssigungsraum aufweist. Ein erster Stickstoffgasstrom (104, 114) aus der ersten Hochdrucksäule (101) wird in den Verflüssigungsraum des ersten Hauptkondensators (103) eingeleitet. Ein erster Flüssigstickstoffstrom (105) aus dem Verflüssigungsraum des ersten Hauptkondensators (103) wird in die erste Hochdrucksäule (101) eingeleitet. Ein erster Sauerstoffgasstrom (108) aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators (103) wird in die erste Niederdrucksäule (102) eingeleitet. Das Destillationssäulen-System beider Luftzerlegungsstränge weist außerdem eine zweite Hochdrucksäule (201) und eine zweite Niederdrucksäule auf. Die erste Hochdrucksäule (101) und die zweite Hochdrucksäule (201) der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge weisen die gleiche Baugröße auf. Die erste Niederdrucksäule und die zweite Niederdrucksäule der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge weisen die gleiche Baugröße auf. Die erste und die zweite Niederdrucksäule (102, 202) der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge enthalten Stoffaustauschelemente, die in mindestens einem Teilbereich der jeweiligen Niederdrucksäule (102, 202) durch eine geordnete Packung gebildet werden, die aus gefalteten Metallblechen gefertigt ist, wobei die geordnete Packung eine spezifische Oberfläche von mehr als 1000 m²/m³, insbesondere von 1200 m²/m³ oder mehr, aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der Aufbau von Zwei-Säulen-Anlagen 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.

[0003] Das Destillationssäulen-System der Erfindung kann ist grundsätzlich als klassisches Zwei-Säulen-System mit Hochdrucksäule und Niederdrucksäule ausgebildet. Es kann zusätzlich zu den Trennsäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung.

[0004] Der Hauptkondensator ist bei der Erfindung als Kondensator-Verdampfer ausgebildet. Als "Kondensator-Verdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensator-Verdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf, die aus Verflüssigungspassagen beziehungsweise Verdampfungspassagen bestehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) eines ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung eines zweiten Fluidstroms. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.

[0005] Dabei kann der Hauptkondensator als Badverdampfer, insbesondere als Kaskadenverdampfer (beispielsweise wie in EP 1287302 B1 = US 6748763 B2 beschrieben), oder aber als Fallfilmverdampfer ausgebildet sein. Er kann durch einen einzigen Wärmetauscherblock gebildet werden oder auch durch mehrere Wärmetauscherblöcke, die in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sind.

[0006] Das Destillationssäulen-System eine Luftzerlegungsanlage ist in einer oder mehreren Coldboxen angeordnet. Unter einer "Coldbox" wird hier eine isolierende Umhüllung verstanden, die einen wärmeisolierten Innenraum vollständig mit Außenwänden umfasst; in dem Innenraum sind zu isolierenden Anlagenteile angeordnet, zum Beispiel ein oder mehrere Trennsäulen und/oder Wärmetauscher. Die isolierende Wirkung kann durch entsprechende Ausgestaltung der Außenwände und/oder durch die Füllung des Zwischenraums zwischen Anlagenteilen und Außenwänden mit einem Isoliermaterial bewirkt werden. Bei der letzteren Variante wird vorzugsweise ein pulverförmiges Material wie zum Beispiel Perlite verwendet. Sowohl das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage als auch der Hauptwärmetauscher und weitere kalte Anlagenteile müssen von einer oder mehreren Coldboxen umschlossen sein. Die Außenmaße der Coldbox bestimmen üblicherweise die Transportmaße des Pakets bei vorgefertigten Anlagen.

[0007] Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrsträngige Anlage, die mindestens bezüglich des Destillationssäulen-Systems zwei grundsätzlich voneinander unabhängige Stränge (trains) aufweist. Die zwei oder mehr Destillationssäulen-System-Stränge sind regelmäßig in Ihrem Inneren gleich aufgebaut; ein oder mehrere Stränge können aber auch verschieden von den anderen ausgestaltet sein. Die Verfahrensschritte stromaufwärts und stromabwärts des Destillationssäulen-Systems können einsträngig oder ebenfalls mehrsträngig ausgebildet sein, wobei die Zahl der Stränge in den verschiedenen seriellen Schritten gleich oder unterschiedlich sein kann. In einem konkreten Beispiel ist ein dreisträngig ausgebildeter Hauptluftverdichter mit einer einsträngigen Luftvorkühlung und -reinigung verbunden und die gereinigte Luft wird in einen dreisträngigen kalten Teil eingeleitet, wobei jeder der kalten Stränge einen Hauptwärmetauscher und ein Destillationssäulen-System enthält.

[0008] Mehrsträngige Verfahren der eingangs genannten Art und entsprechende Vorrichtungen sind aus WO 2013093305 A1, WO 2013104840 A1, WO 2009024672 A2 und EP 1666823 A1 = US 7516626 B2 bekannt.

[0009] Im Falle einer Transportbegrenzung (üblicherweise 4,8 m im Säulendurchmesser) wird die pro Anlage (Strang) gewonnene Produktmenge stark limitiert. Daher werden oftmals viele Anlagen-Stränge (trains) benötigt, um die geforderte Produktmenge beispielsweise an Sauerstoff an Kunden zu liefern. Die Begrenzung des Säulendurchmessers führt außerdem dazu, dass die Säulen mehrsträngiger Anlagen in der Coldbox mit Packungen mit sehr niedriger spezifischen Oberfläche (zum Beispiel 350 m²/m²) ausgerüstet werden; Entsprechendes gilt für einsträngige Anlagen sehr großer Kapazität. Dies ist insofern günstig, dass bei beschränktem Säulendurchmesser eine besonders hohe Kapazität pro Säule erreicht wird. Die Säulen werden dabei besonders hoch und es besteht auch die Notwendigkeit für Einsatz kryogener Transferpumpen (entweder eine Flüssigstickstoff-Pumpe für eine Anordnung der Säulen übereinander oder eine Flüssigsauerstoff-Transferpumpe für nebeneinander stehende Säulen). Neben einer Erhöhung der Gesamtkosten werden dadurch auch die Komplexität und der Energiebedarf des Systems negativ beeinflusst.

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die hohe Kapazität, relativ niedrige Investitionskosten und einen vergleichsweise geringem Flächenbedarf bei günstigem Energiebedarf aufweisen.

[0011] Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0012] Entgegengesetzt zu der bisherigen Praxis bei Beschränkungen des Kolonnendurchmessers wird bei der Erfindung eine geordnete Packung besonders großer Dichte in den Niederdrucksäulen eingesetzt. Dabei kann ein Teil des Stoffaustauschbereichs jeder der beiden Niederdrucksäulen mit einer besonders dichten Packung gefüllt sein (und der Rest beispielsweise durch Packung niedrigerer Dichte oder auch durch eine Kombination aus Packung und konventionellen Rektifizierböden), oder alle Stoffaustauschelemente werden durch die besonders dichte Packung gebildet. In den Hochdrucksäulen werden entweder auch eine geordnete Packung, vorzugsweise mit mehr als 1000 m²/m³, oder Siebböden oder eine Kombination dieser beiden Typen von Stoffaustauschelementen eingesetzt. Aufgrund der erfindungsgemäßen paarweisen Parallelschaltung von Säulen kann trotz eines beschränkten Kolonnendurchmessers eine besonders hohe Produktkapazität (pro Strang) erzielt werden; die dafür benötigte Grundfläche und die Coldboxhöhe bleiben dabei relativ klein, nämlich vergleichbar einem Destillationssäulen-System mit einer einzelnen Doppelsäule, die Packungen mit sehr niedriger spezifischer Oberfläche (zum Beispiel 350 oder 500 m²/m²) gefüllt ist.

[0013] Die Hochdrucksäulen und die Niederdrucksäulen eines Strangs weisen gemäß der Erfindung paarweise die "gleiche Baugröße" auf. Darunter wird hier verstanden, dass die entsprechenden Kolonnenhöhen und -durchmesser nicht mehr als 10 %, insbesondere nicht mehr als 5 % voneinander abweichen. Der Vergleich bezieht sich paarweise auf die einander entsprechenden Abschnitte der erste und der zweiten Hochdrucksäulen beziehungsweise der ersten und der zweiten Niederdrucksäulen

[0014] Der Einsatz einer besonders dichten Packung scheint zunächst kontraproduktiv für eine besonders hohe Kapazität zu sein, weil dadurch bei begrenztem Kolonnendurchmesser die Kapazität der entsprechenden Säule sinkt. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch überraschenderweise herausgestellt, dass eine solche Ausgestaltung dann günstiger ist, wenn ein Destillationssäulen-System-Strang durch zwei parallele Zwei-Säulen-Systeme gebildet wird, insbesondere dann, wenn für beide ein gemeinsamer Hauptkondensator genutzt wird. Ein einzelner Strang wird dadurch natürlich apparativ aufwändiger; es kann aber eine überraschend deutlich erhöhte Kapazität erreicht werden im Vergleich zu einem klassischen Destillationssäulen-System-Strang.

[0015] Aufgrund der erfindungsgemäßen paarweisen Parallelschaltung von Säulen innerhalb eines Strangs kann trotz eines beschränkten Kolonnendurchmessers eine besonders hohe Produktkapazität (pro Strang) erzielt werden; die dafür benötigte Grundfläche sowie die Höhe der Coldbox bleiben dabei relativ klein. Beispielsweise kann im Rahmen der Erfindung die Kapazität für die Sauerstofferzeugung um 20 bis 30 % gegenüber einer klassischen Ausgestaltung erhöht werden.

[0016] Aus US 6128921 ist es zwar bekannt zwei parallel geschaltete Doppelsäulen nebeneinander in einer gemeinsamen Coldbox zu betreiben; allerdings bezieht sich diese Schrift nur auf eine einsträngige Anlage und zielt darauf, die beiden Doppelsäulen verschieden auszubilden. Der Fachmann würde diese Veröffentlichung nicht konsultieren, wenn er auf der Suche nach einer Verbesserung mehrsträngiger Systeme ist; er entnimmt ihr jedenfalls keine Anregung, wie ein mehrsträngiges System der eingangs genannten Art im Sinne der oben beschriebenen Aufgabe verändert werden könnte.

[0017] Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen insbesondere bei besonders großen Anlagen zum Tragen, die mehrsträngig ausgebildet sind, wobei mindestens zwei Stränge oder alle Stränge der Gesamtanlage gemäß der Erfindung ausgebildet sind. Durch die Kapazitätserhöhung pro Strang kann beispielsweise mit einer viersträngigen Anlage gemäß der Erfindung eine Gesamtkapazität erreicht werden, die einer konventionellen fünfsträngigen Anlage entspricht; bei einer Anlage, die konventionell mit sechs Strängen ausgestaltet werden müsste, reichen beispielsweise fünf erfindungsgemäße Stränge.

[0018] Die Erfindung wird durch eine zwei- oder mehrsträngige Anlage realisiert, wobei mindestens zwei Luftzerlegungsstränge durch Destillationssäulen-Systeme mit den je vier Säulen gebildet werden. Jedes Destillationssäulen-System ist von einer eigenen Coldbox oder von mehreren Coldboxen umschlossen und bildet einen Strang. Figur 3, die weiter unten erläutert ist, zeigt ein Beispiel für eine viersträngige Ausgestaltung.

[0019] Bei der Erfindung sind die vier Säulen in Form zweier Doppelsäulen nebeneinander angeordnet, wie es im Patentanspruch 2 im Einzelnen beschrieben ist. Die beiden Doppelsäulen können in der Werkstatt vorgefertigt und anschließend auf die Baustelle transportiert werden, wobei die kritischen Transportmaße, zum Beispiel maximal 4,8 m Durchmesser eingehalten werden und trotzdem eine hohe Kapazität des Destillationssäulen-System-Strangs erreicht wird. Auf der Baustelle werden die beiden Doppelsäulen in eine Isolierung eingebaut, vorzugsweise in eine gemeinsame Coldbox.

[0020] In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Hauptkondensator im Sumpfbereich der ersten Niederdrucksäule angeordnet. Damit ist gemeint, dass sich der Hauptkondensator unterhalb der Stoffaustauschelemente der ersten Niederdrucksäule im selben Behälter wie diese befindet. Der Hauptkondensator wird dabei für den Betrieb aller vier Säulen genutzt. Diese Anordnung kann auf beide Varianten der Erfindung angewendet werden.

[0021] Alternativ ist der Hauptkondensator in einem von der ersten Niederdrucksäule getrennten Behälter angeordnet, der sich beispielsweise zwischen erste Niederdrucksäule und erste Hochdrucksäule oder neben diesen beiden Säulen befindet.

[0022] Grundsätzlich können die erste und die zweite Hochdrucksäule über zwei Stränge separat mit Luft versorgt werden. Vorzugsweise werden beide jedoch über eine gemeinsame Luftleitung versorgt, die einen Gesamtdruckluftstrom liefert, der in mindestens zwei Druckluftteilströme verzweigt wird, wobei der erste Druckluftteilstrom in die erste Hochdrucksäule und der zweite Druckluftteilstrom in die zweite Hochdrucksäule eingeleitet wird. Der Luftzerlegungsstrang, der durch die vier Säulen des Destillationssäulen-Systems gebildet wird, weist dann nur einen einzigen Strang für die Luftverdichtung, -reinigung und -abkühlung auf.

[0023] Es ist außerdem günstig, wenn die zweite Niederdrucksäule, die erste Niederdrucksäule, der Hauptkondensator, die erste Hochdrucksäule und die zweite Hochdrucksäule in einer gemeinsamen Coldbox angeordnet sind.

[0024] Bei der Erfindung kann ein einziger Hauptkondensator alle vier Säulen mit Rücklaufflüssigkeit versorgen. Auf diese Weise ergeben sich eine Verminderung des apparativen Aufwands und eine besonders hohe Flexibilität bei der Aufstellung der einzelnen Säule, die für eine Platz sparende Anordnung der Säulen genutzt werden kann. Die Säulen sind paarweise parallelgeschaltet, sodass sich eine besonders hohe Kapazität bei begrenztem Säulendurchmesser ergibt. Alternativ wird bei der Erfindung ein separater zweiter Hauptkondensator für die zweite Hochdrucksäule und die zweite Niederdrucksäule eingesetzt, der zum Beispiel im Sumpf der zweiten Niederdrucksäule angeordnet ist.

[0025] Natürlich muss der Verdampfungsraum eines gemeinsamen ersten Hauptkondensators auch mit Flüssigkeit beaufschlagt werden. Dies geschieht bei der Erfindung beispielsweise dadurch, dass sowohl ein erster Flüssigsauerstoffstrom aus der ersten Niederdrucksäule als auch ein zweiter Flüssigsauerstoffstrom aus der zweiten Niederdrucksäule in den Verdampfungsraum des Hauptkondensators eingeleitet werden.

[0026] Wenn der Hauptkondensator aus mehreren parallelen Blöcken besteht, gibt es verschiedene Möglichkeiten der Verbindung zwischen den Ein- und Austritten der Verdampfungs- und Verflüssigungsteilräume der Blöcke, die untereinander grundsätzlich beliebig kombiniert werden können:

• Eintritt des Verdampfungsteilraums eines Blocks verbunden mit nur einer der beiden Niederdrucksäulen oder mit beiden Niederdrucksäulen
• Austritt des Verdampfungsteilraums eines Blocks verbunden mit nur einer der beiden Niederdrucksäuleen oder mit beiden Niederdrucksäulen
• Eintritt des Verflüssigungsteilraums eines Blocks verbunden mit nur einer der beiden Hochdrucksäulen oder mit beiden Hochdrucksäulen
• Austritt des Verflüssigungsteilraums eines Blocks verbunden mit nur einer der beiden Hochdrucksäulen oder mit beiden Hochdrucksäulen

[0027] Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 6. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen der abhängigen Verfahrensansprüche entsprechen.

[0028] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen sind nur die wichtigsten Elemente dargestellt, insbesondere solche, mit denen sich das System der Erfindung von üblichen Luftzerlegungssystemen unterscheidet. Hierbei zeigen:

Figur 1

ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Destillationssäulen-System gemäß er Erfindung,

Figur 2

ein zweites Ausführungbeispiel für ein Destillationssäulen-System der Erfindung und

Figur 3

die Darstellung eines mehrsträngigen Systems gemäß der Erfindung.

[0029] In den Figuren 1 und 2 ist jeweils nur ein Destillationssäulen-System eines Stranges dargestellt mit jeweils vier Säulen. Jeder der Stränge kann beispielweise in vier- oder fünffacher identischer Ausfertigung parallel aufgebaut werden und bildet dann ein erfindungsgemäßes mehrsträngiges System. Die nicht dargestellten Hauptluftverdichter, Reinigungseinrichtungen und Hauptwärmetauscher sind bei diesen Ausführungsbeispielen ebenfalls vier- beziehungsweise fünfsträngig ausgebildet..

[0030] Das Destillationssäulen-System des Ausführungsbeispiels der Figur 1 weist eine erste Hochdrucksäule 101, eine zweite Hochdrucksäule 201, eine erste Niederdrucksäule 102, eine zweite Niederdrucksäule 202, eine ersten Hauptkondensator 103 und einen zweiten Hauptkondensator 203 auf. Beide Hauptkondensatoren 103, 203 werden in dem Beispiel durch je einen sechsstufigen oder je zwei dreistufige Kaskadenverdampfer gebildet. Die Säulen sind in Form zweier Doppelsäulen angeordnet.

[0031] Jede Doppelsäule kann im Wesentlichen unabhängig geregelt werden. Der Druck in den Niederdrucksäulen kann beispielsweise separat eingestellt und geregelt werden. Durch diese Entkopplung wird auch der Gesamt-Regelungsaufwand leichter gestaltet und eventuelle Fertigungstoleranzen bei beiden Doppelsäulen können besser ausgeglichen werden.

[0032] Über eine gemeinsame Luftleitung wird ein Gesamtdruckluftstrom 1 herangeführt. Dieser wurde, wie in der Luftzerlegung üblich, in einem Hauptluftverdichter verdichtet, in einer Reinigungseinrichtung gereinigt und in einem Hauptwärmetauscher auf etwa Taupunkt abgekühlt. (Diese Schritte sind in der Zeichnung nicht dargestellt.) Der Gesamtdruckluftstrom 1 wird in einen ersten Druckluftteilstrom 100 und einen zweiten Druckluftteilstrom 200 verzweigt. Der erste Druckluftteilstrom 100 wird in die erste Hochdrucksäule 101, der zweite Druckluftteilstrom 200 in die zweite Hochdrucksäule 201 eingeleitet.

[0033] Der Hauptkondensator 103 weist in dem Ausführungsbeispiel einen einheitlichen Verflüssigungsraum und einen einheitlichen Verdampfungsraum auf, das heißt diese Räume sind nicht - wie bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung - in einen oder mehrere Verflüssigungsteilräumen und/oder Verdampfungsteilräume unterteilt. Ein erster Stickstoffgasstrom 104, 114 aus der ersten Hochdrucksäule 101 wird in den Verflüssigungsraum des ersten Hauptkondensators 103 eingeleitet. In dem Verflüssigungsraum des ersten Hauptkondensators 103 wird Flüssigstickstoff 115 erzeugt, der mindestens zu einem ersten Teil als ein erster Flüssigstickstoffstrom 105 zur ersten Hochdrucksäule 101 geleitet wird.

[0034] Ein zweiter Stickstoffgasstrom 204, 214 aus der zweiten Hochdrucksäule 201 wird in den Verflüssigungsraum des zweiten Hauptkondensators 203 eingeleitet. In dem Verflüssigungsraum des zweiten Hauptkondensators 203 wird Flüssigstickstoff 215 erzeugt, der mindestens zu einem ersten Teil als ein zweiter Flüssigstickstoffstrom 205 zur zweiten Hochdrucksäule 201 geleitet wird..

[0035] Ein erster Flüssigsauerstoffstrom 106 aus der ersten Niederdrucksäule 102 fließt vom unteren Ende der der untersten Stoffaustauschschicht 107 der ersten Niederdrucksäule 102 ab und wird dadurch in den Verdampfungsraum des ersten Hauptkondensators 103 eingeleitet. In dem Verdampfungsraum des ersten Hauptkondensators 103 wird gasförmiger Sauerstoff gebildet. Er wird mindestens zu einem ersten Teil als erster Sauerstoffgasstrom 108 in die erste Niederdrucksäule 102 eingeleitet, indem er von unten in die unterste Stoffaustauschschicht 107 der ersten Niederdrucksäule 102 einströmt; ein zweiter Teil kann bei Bedarf direkt als gasförmiges Sauerstoffprodukt gewonnen und im Hauptwärmetauscher angewärmt werden.

[0036] Ein zweiter Flüssigsauerstoffstrom 206 aus der zweiten Niederdrucksäule 202 fließt vom unteren Ende der der untersten Stoffaustauschschicht 107 der zweiten Niederdrucksäule 202 ab und wird dadurch in den Verdampfungsraum des zweiten Hauptkondensators 203 eingeleitet. In dem Verdampfungsraum des zweiten Hauptkondensators 203 wird gasförmiger Sauerstoff gebildet. Er wird mindestens zu einem ersten Teil als zweiter Sauerstoffgasstrom 208 in die zweite Niederdrucksäule 202 eingeleitet, indem er von unten in die unterste Stoffaustauschschicht 207 der zweiten Niederdrucksäule 202 einströmt; ein zweiter Teil kann bei Bedarf direkt als gasförniges Sauerstoffprodukt gewonnen und im Hauptwärmetauscher angewärmt werden.

[0037] Die Rücklaufflüssigkeiten 109, 209 für die beiden Niederdrucksäulen 102, 202 werden jeweils durch eine stickstoffangereicherte Flüssigkeit 20 gebildet, die an beiden Hochdrucksäulen 101, 201 von einer Zwischenstelle oder direkt vom Kopf abgezogen wird. Vom Kopf beider Niederdrucksäulen 102, 202 wird unreiner Stickstoff 110, 210 abgezogen und als Restgas durch einen Unterkühlungs-Gegenströmer zum Hauptwärmetauscher (beide nicht dargestellt) geführt.

[0038] Ebenfalls nicht dargestellt ist, wie von beiden Hochdrucksäulen 101, 201 je ein sauerstoffangereicherter Sumpfflüssigkeitstrom abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 23 abgekühlt und in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators oder der Kopfkondensatoren mindestens einer Rohargonsäule eingeleitet wird. Die Sumpfflüssigkeiten können dabei entweder separat geführt oder vor dem Unterkühlungs-Gegenströmer vermischt und anschließend aufgeteilt werden. Über die Leitungen 111, 211 wird den Niederdrucksäulen 102, 202 Flüssigluft an einer Zwischenstelle zugespeist. Diese Flüssigluft stammt aus dem Hauptwärmetauscher, in dem flüssig auf Druck gebrachter Sauerstoff 41 aus den Niederdrucksäulen verdampft oder (falls der Sauerstoffdruck überkritisch ist) pseudo-verdampft wird.

[0039] Als Hauptprodukt des Destillationssäulen-Systems wird flüssiger Sauerstoff 141, 241 von den Verdampfungsräumen der Hauptkondensatoren 103, 203 abgezogen, zusammengeführt und über Leitung 14 einer nicht dargestellten Innenverdichtung zugeführt. Dabei wird der flüssige Sauerstoff auf einen hohen Produktdruck gepumpt, unter diesem hohen Produktdruck verdampft oder pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt abgezogen.

[0040] Als weiteres Produkt des Destillationssäulen-Systems wird Druckstickstoff direkt vom Kopf der Hochdrucksäulen 101, 201 abgezogen (Leitungen 104, 142 und 204), gemeinsam über Leitung 42 zum Hauptwärmetauscher geführt, dort angewärmt und schließlich als gasförmiges Druckstickstoffprodukt gewonnen. Zusätzlich kann jeweils ein Teil 143, 243 des in den Hauptkondensatoren 103, 104 erzeugten Flüssigstickstoffs einer Innenverdichtung zugeführt und als gasförmiges Hochdruck-Stickstoffprodukt gewonnen werden.

[0041] Falls Argon als Produkt erzeugt werden soll, können über die Leitungspaare 113, 114, 213, 214 eine gemeinsame klassische Argongewinnung oder je eine separate erste und eine zweite Argongewinnung angeschlossen sein, wobei die Leitungspaare 113, 213 mit dem unteren Bereich einer Rohargonsäule oder jeweils einer von zwei parallelen Rohargonsäulen verbunden sind. Der innere Aufbau und die Funktionsweise einer solchen klassischen Argongewinnung sind beispielweise in DE 2325422 A, EP 171711 A2, EP 377117 B2 (= US 5019145), DE 4030749 A1, EP 628777 B1 (= US 5426946), EP 669508 A1 (= US 5592833), EP 669509 B1 (= US 5590544), EP 942246 A2, EP 1103772 A1 , DE 19609490 (= US 5669237), Figur 8, EP 1243882 A1 (= US 2002178747 A1) und EP 1243881 A1 (= US 2002189281 A1) beschrieben. Falls das Sauerstoffprodukt argonfrei geliefert werden muss, kann in ähnlicher Weise eine Rohargonsäule angeschlossen sein, die dann nur zur Ausschleusung von Argon dient. Die Rohargonsäule(n) und gegebenenfalls die Reinargonsäule(n) können in separaten Coldboxen untergebracht sein oder auch in einer gemeinsamen Coldbox mit einer oder beiden Doppelsäulen.

[0042] In einem konkreten Beispiel werden die Stoffaustauschelemente in den beiden Niederdrucksäulen 102, 202 ausschließlich durch geordnete Packung gebildet. Die Sauerstoffabschnitte der beiden Niederdrucksäulen 102, 202 (Bereich unterhalb der Leitungen 113/213 sind mit einer geordneten Packung mit einer spezifischen Oberfläche von 700 m²/m³ oder alternativ 1200 m²/m³ ausgestattet, in den übrigen Abschnitten weist die Packung eine spezifische Oberfläche von 500 m²/m³ auf. Zusätzlich können die beiden Niederdrucksäulen 10, 202 einen Stickstoffabschnitt oberhalb der in der Zeichnung dargestellten Stoffaustauschabschnitte aufweisen; dieser ist dann mit einer Packung mit einer spezifischen Oberfläche von 500 m²/m³ oder alternativ von 1200 m²/m³ gefüllt. Abweichend hiervon ist es möglich, innerhalb jedes der genannten Abschnitte geordnete Packung unterschiedlicher spezifischer Oberfläche zu kombinieren.

[0043] In den Hochdrucksäulen 101, 201 werden die Stoffaustauschelemente ausschließlich durch geordnete Packung mit einer spezifischen Oberfläche von 1200 m²/m³ gebildet. Alternativ könnte ein Teil der Stoffaustauschelemente in einer oder beiden Hochdrucksäulen 101, 201 durch konventionelle Destillationsböden gebildet werden, zum Beispiel durch Siebböden.

[0044] Figur 2 unterscheidet sich dadurch von Figur 1, dass die Stoffaustauschelemente der Hochdrucksäulen 101, 201 ausschließlich durch Siebböden gebildet werden. Außerdem sind die Hauptkondensatoren als sechsstufige Kaskadenverdampfer ausgebildet. Alternativ können auch je zwei dreistufige Kaskadenverdampfer eingesetzt werden.

[0045] Die Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 können dadurch abgewandelt werden, dass anstelle von jeweils 2 dreistufigen Hauptkondensatoren 103, 203 beziehungsweise jeweils einem sechsstufigen Hauptkondensator 103, 203 ein gemeinsamer Hauptkondensator eingesetzt wird, der beispielsweise als einer aus zwei Blöcken bestehender sechsstufiger Kaskadenverdampfer ausgebildet ist. Dieser wird dann vorzugsweise nicht im Behälter einer der Niederdrucksäulen 102, 202 angeordnet, sondern außerhalb in einem separaten Behälter.

[0046] Gemäß Figur 3 wird eine mehrsträngige Anlage durch zwei oder mehr Destillationssäulen-Systeme nach einer der Figuren 1 oder 2 gebildet. In dem Beispiel sind es vier Stränge (trains) Tr1 bis Tr4. Jedes Destillationssäulen-System ist von einer eigenen Coldbox 301 umschlossen und bildet einen Strang eines Destillationssäulen-Systems. In dem Beispiel sind alle vier Luftzerlegungsstränge identisch aufgebaut; alternativ könnten einzelne oder alle Stränge verschieden ausgebildet sein. Jeder Strang weist ein Eintrittsfilter 302 für atmosphärische Luft (AIR), einen Hauptluftverdichter 303, eine Luftvorkühlung 304 eine Luftreinigung 305 (üblicherweise gebildet durch ein Paar von Molekularsieb-Adsorbern), einen Luftnachverdichter 306 (Booster Air Compressor - BAC) mit Nachkühler 307 und einen Hauptwärmetauscher 308 in einer eigenen Coldbox 309 auf; diese Apparate sind jeweils unabhängig von den anderen Strängen. Die in dem Nachverdichter 306 nachverdichtete Luft wird in dem Hauptwärmetauscher 308 verflüssigt (oder - falls ihr Druck überkritisch ist - pseudoverflüssigt) und über Leitung 311 dem Destillationssäulen-System in der Coldbox 300 zugeleitet und dort in die Ströme 111 und 112 von Figur 1 verzweigt. Der weitere aus dem Hauptwärmetauscher 308 austretende Strom 1 und die dem warmen Ende des Hauptwärmetauschers 308 zuströmenden Fluide 41, 42, 32 sind wie in Figur 1 nummeriert. Der flüssige Sauerstoff 32 wird in dem Hauptwärmetauscher unter hohem Druck verdampft oder pseudo-verdampft (Innenverdichtung). Alle Rückströme werden in dem Hauptwärmetauscher auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über die Produktleitungen P abgezogen.

[0047] Alternativ zu Figur 3 können der warme Teil (Luftverdichtung, Vorkühlung und Luftreinigung) und/oder der Hauptwärmetauscher eine andere Zahl von Strängen als das Destillationssäulen-System aufweisen. Beispielsweise könnten ein Destillationssäulen-System-Strang von zwei Hauptluftverdichter-Strängen oder zwei Destillationssäulen-System-Stränge von vier Hauptluftverdichter-Strängen versorgt werden. Das Konzept der Erfindung kann auch bei einem Verfahren ohne Luftnachverdichtung 306/307 (zum Beispiel mit Verdichtung der Gesamtluft auf mehr als 5 bar über den höchsten der Betriebsdrücke der beiden Hochdrucksäulen) oder bei Prozessen mit weiteren Elementen wie zum Beispiel einem Stickstoffkreislauf angewendet werden.

[0048] Die Kältegewinnung ist in Figur 3 nicht dargestellt. Es kann jede bekannte Art einer Turbinenschaltung gewählt werden, mit einer, zwei oder mehr Turbinen. Das Destillationssäulen-System ist in Figur 3 abweichend von den Figuren 1 und 2 ohne Argongewinnung dargestellt; es kann aber - wie in den Figuren 1 und 2 - eine Argongewinnung aufweisen, oder auch eine Säule zur Ausschleusung von Argon zur Verbessesrung der Rektifikation.

[0049] Im Vergleich zu einem klassischen System kann bei vorgegebener Produktkapazität, beispielsweise an gasförmigem Drucksauerstoff, die Zahl der Destillationssäulen-System-Stränge durch die Erfindung verringert werden, beispielsweise von sechs auf fünf oder von fünf auf vier.

Ansprüche

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einer mehrsträngigen Anlage mit mindestens zwei Luftzerlegungsstränge, wobei jeder der zwei Luftzerlegungsstränge eine Coldbox aufweist, die ein Destillationssäulen-System enthält, das eine erste Hochdrucksäule (101), eine erste Niederdrucksäule (102) und einen ersten Hauptkondensator (103) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und einen Verdampfungsraum und einen Verflüssigungsraum aufweist, wobei

- die erste Hochdrucksäule (101) und die erste Niederdrucksäule (102) der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge übereinander angeordnet sind und eine erste Doppelsäule bilden.

- die zweite Hochdrucksäule (201) und die zweite Niederdrucksäule der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge übereinander angeordnet sind und eine zweite Doppelsäule bilden und

- die erste Doppelsäule und die zweite Doppelsäule der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge nebeneinander angeordnet sind,

- ein erster Stickstoffgasstrom (104, 114) aus der ersten Hochdrucksäule (101) in den Verflüssigungsraum des ersten Hauptkondensators (103) eingeleitet wird,

- ein erster Flüssigstickstoffstrom (105) aus dem Verflüssigungsraum des ersten Hauptkondensators (103) in die erste Hochdrucksäule (101) eingeleitet wird und

- ein erster Sauerstoffgasstrom (108) aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators (103) in die erste Niederdrucksäule (102) eingeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass

- die Destillationssäulen-Systeme beider Luftzerlegungsstränge außerdem eine zweite Hochdrucksäule (201) und eine zweite Niederdrucksäule (202) aufweisen, wobei die erste Hochdrucksäule (101), die erste Niederdrucksäule (102), die zweite Hochdrucksäule (201) und die zweite Niederdrucksäule (202) die einzigen Trennsäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung der Destillationssäulen-Systeme der beiden Luftzerlegungsstränge darstellen,

- die erste Hochdrucksäule (101) und die zweite Hochdrucksäule (201) der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge die gleiche Baugröße aufweisen,

- die erste Niederdrucksäule und die zweite Niederdrucksäule der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge die gleiche Baugröße aufweisen,

- die erste und die zweite Niederdrucksäule (102, 202) der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge Stoffaustauschelemente enthalten, die in mindestens einem Teilbereich der jeweiligen Niederdrucksäule (102, 202) durch eine geordnete Packung gebildet werden, die aus gefalteten Metallblechen gefertigt ist, wobei die geordnete Packung eine spezifische Oberfläche von mehr als 1000 m²/m³, insbesondere von 1200 m²/m³ oder mehr, aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hauptkondensator (103) im Sumpfbereich der ersten Niederdrucksäule (102) angeordnet ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass über eine gemeinsame Luftleitung ein Gesamtdruckluftstrom (1) geliefert wird, der in mindestens zwei Druckluftteilströme (200, 200) verzweigt wird, wobei der erste Druckluftteilstrom (100) in die erste Hochdrucksäule (101) und der zweite Druckluftteilstrom (200) in die zweite Hochdrucksäule (201) eingeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Niederdrucksäule (202), die erste Niederdrucksäule (102), der Hauptkondensator (103), die erste Hochdrucksäule (101) und die zweite Hochdrucksäule (201) in einer gemeinsamen Coldbox angeordnet sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

- ein zweiter Stickstoffgasstrom (204, 114) aus der zweiten Hochdrucksäule (201) in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) eingeleitet wird,

- ein zweiter Flüssigstickstoffstrom (205) aus dem Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) in die zweite Hochdrucksäule (201) eingeleitet wird,

- ein zweiter Sauerstoffgasstrom (208) aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators (103) in die zweite Niederdrucksäule eingeleitet wird,

6. Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit einer mehrsträngigen Anlage mit mindestens zwei Luftzerlegungsstränge, wobei jeder der zwei Luftzerlegungsstränge eine Coldbox aufweist, die ein Destillationssäulen-System enthält, das eine erste Hochdrucksäule (101), eine erste Niederdrucksäule (102) und einen ersten Hauptkondensator (103) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und einen Verdampfungsraum und einen Verflüssigungsraum aufweist, und mit

- Mitteln zum Einleiten eines ersten Stickstoffgasstroms (104, 114) aus der ersten Hochdrucksäule (101) in den Verflüssigungsraum des ersten Hauptkondensators (103),

- Mitteln zum Einleiten eines ersten Flüssigstickstoffstroms (105) aus dem Verflüssigungsraum des ersten Hauptkondensators (103) in die erste Hochdrucksäule (101) und

- Mitteln zum Einleiten eines ersten Sauerstoffgasstrom (108) aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators (103) in die erste Niederdrucksäule (102), wobei

- die erste Hochdrucksäule (101) und die erste Niederdrucksäule (102) der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge übereinander angeordnet sind und eine erste Doppelsäule bilden.

- die zweite Hochdrucksäule (201) und die zweite Niederdrucksäule der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge übereinander angeordnet sind und eine zweite Doppelsäule bilden und

- die erste Doppelsäule und die zweite Doppelsäule der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge nebeneinander angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass

- das Destillationssäulen-System beider Luftzerlegungsstränge außerdem eine zweite Hochdrucksäule (201) und eine zweite Niederdrucksäule (202) aufweisen, wobei die erste Hochdrucksäule (101), die erste Niederdrucksäule (102), die zweite Hochdrucksäule (201) und die zweite Niederdrucksäule (202) die einzigen Trennsäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung der Destillationssäulen-Systeme der beiden Luftzerlegungsstränge darstellen,

- die erste Hochdrucksäule (101) und die zweite Hochdrucksäule (201) der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge die gleiche Baugröße aufweisen,

- die erste Niederdrucksäule und die zweite Niederdrucksäule der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge die gleiche Baugröße aufweisen,

- die erste und die zweite Niederdrucksäule (102, 202) der Destillationssäulen-Systeme jeder der beiden Luftzerlegungsstränge Stoffaustauschelemente enthalten, die in mindestens einem Teilbereich der jeweiligen Niederdrucksäule (102, 202) durch eine geordnete Packung gebildet werden, die aus gefalteten Metallblechen gefertigt ist, wobei die geordnete Packung eine spezifische Oberfläche von mehr als 1000 m²/m³, insbesondere von 1200 m²/m³ oder mehr, aufweist.

Zeichnung