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DE69305246T2 - Verfahren und Apparat zur Herstelling von gasförmigem Sauerstoff unter Druck - Google Patents

Verfahren und Apparat zur Herstelling von gasförmigem Sauerstoff unter Druck

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DE69305246T2
DE69305246T2 DE69305246T DE69305246T DE69305246T2 DE 69305246 T2 DE69305246 T2 DE 69305246T2 DE 69305246 T DE69305246 T DE 69305246T DE 69305246 T DE69305246 T DE 69305246T DE 69305246 T2 DE69305246 T2 DE 69305246T2
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air
turbine
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medium
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DE69305246D1 (de
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Maurice Grenier
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Air Liquide SA
Original Assignee
Air Liquide SA
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Publication date
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Application filed by Air Liquide SA filed Critical Air Liquide SA
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Publication of DE69305246T2 publication Critical patent/DE69305246T2/de
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Description

    Verfahren und Apparat zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff unter Druck
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gasförmigen Sauerstoffs unter Druck durch Destillation von Luft in einer Vorrichtung mit einer Wärmeaustauschleitung und einer Destillationsdoppelkolonne, die selbst wiederum eine als Mitteldruckkolonne bezeichnete und unter einem mittleren Druck arbeitende erste Kolonne und eine als Niederdruckkolanne bezeichnete und unter einem niedrigen Druck arbeitende zweite Kolonne umfaßt, Pumpen flüssigen, am Sumpf der Niederdruckkolonne entnommenen Sauerstoffs und Verdazixpfen des verdichteten Sauerstoff 5 durch Austausch von Wärme gegen auf einen hohen Luftdruck verdichtete Luft, wobei die gesamte zu verarbeitende Luft auf einen ersten Druck P1 deutlich größer als der mittlere Druck verdichtet wird, die Luft mit dem Druck P1 in zwei Teile aufgeteilt wird, von welchen der erste Teil abgekühlt und der zweite Teil auf einen zweiten hohen Druck P2 nachverdichtet und abgekühlt wird, der Großteil zumindest des abgetrennten Sauerstoffs in flüssiger Form der Niederdruckkolonne entnommen, durch eine Pumpe auf wenigstens einen ersten Verdampfungsdruck, bei dem er durch Kondensation von Luft bei einem der genannten hohen Drücke P1, P2 verdampft, komprimiert und durch Kondensation von Luft bei einem dieser Drücke verdaapft wird.
  • Ein derartiges Verfahren ist aus der EP-A-0.024.962 bekannt.
  • Die Drücke, um die es sich nachstehend handelt, sind absolute Drücke. Außerdem versteht man unter "Kondensation" und "Verdampfung" entweder eine Kondensation oder eine Verdampfung im engeren Sinn oder eine Pseudokondensation oder eine Pseudoverdampfung, je nachdem, ob die fraglichen Drücke unterkritisch oder superkritisch sind.
  • Die als "Pumpverfahren" bezeichneten Verfahren dieses Typs ermöglichen es, jeglichen Verdichter für gasförmigen Sauerstoff wegzulassen. Um einen vernünftigen Energieverbrauch zu erzie len, ist es notwendig, eine beträchtliche Luftmenge in der Größenordnung der 1,5fachen Menge des zu verdampfenden Sauerstoffs auf einen ausreichenden Druck zu verdichten, der es ermöglicht, die Luft im Gegenstrom mit dem Sauerstoff zu verflüssigen. Dazu verwendet die übliche Technologie, die in der EP-A-0.024.962 dargestellt ist, zwei aufeinanderfolgend angeordnete Verdichter, wobei der zweite nur den Teil der Luft verarbeitet, der zur Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs vorgesehen ist, was die Investitionen für die Anlage deutlich steigert.
  • Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren bereitzustellen, das einen einzigen Luftverdichter verwendet und das einen hohen thermodynami schen Ges amtwirkungs grad aufweist.
  • Aus diesem Grund hat die Erfindung ein Verfahren des vorstehend erwähnten Typs zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß:
  • - der erste Teil dieser Luft bis auf eine erste Zwischentemperatur T1 abgekühlt wird, auf der eine erste Fraktion in einer ersten Turbine entspannt wird, während der Rest abgekühlt, verflüssigt, entspannt und in die Mitteldruckkolonne eingeleitet wird;
  • - der zweite Teil bis auf eine zweite Zwischentemperatur T2 abgekühlt wird, auf der eine erste Menge in einer zweiten Turbine entspannt wird, während der Rest dieses zweiten Teils abgekühlt, verflüssigt, entspannt und in die Mitteldruckkolonne eingeleitet wird;
  • gegebenenfalls der Auslaßdruck einer der Turbinen auf einen Druck P3 zwischen dem ersten, hohen Druck P1 und dem mittleren Druck geregelt wird,
  • und der verdichtete Sauerstoff durch Kondensation von Luft bei einem oder mehreren der Drücke P1, P2, P3 verdampft.
  • Weitere Merkmale der Erfindung sind:
  • - eine der Zwischentemperaturen T1 und T2 wird im Bereich zwischen etwa 0ºC und -60ºC und die andere im Bereich zwischen etwa -90ºC und -130ºC gewählt;
  • - etwa 20 bis 30% der verarbeiteten Luftmenge speisen die warme Turbine;
  • - der aus der Niederdruckkolonne entnommene, zusätzliche, flüssige Sauerstoff wird durch Pumpen auf zumindest einen zweiten Verdampfungsdruck verdichtet und bei diesem oder diesen Drücken in der wärmeaustauschleitung verdampft;
  • - der flüssige Stickstoff wird der Doppelkolonne entnommen, durch Pumpen auf zumindest einen Stickstoffverdampfungsdruck verdichtet und bei diesem oder diesen Drücken in der Wärmeaustauschleitung verdampft;
  • - zumindest ein Teil der aus der ersten oder der zweiten Turbine ausgetretenen Luft wird in einer dritten Turbine auf den niedrigen Druck entspannt und die aus der dritten Turbine ausgetretene Luft wird in die Niederdruckkolonne oder in das aus dem oberen Teil dieser Kolonne ausgeleitete Restgas eingeleitet;
  • - in der dritten Turbine wird die gesamte aus der ersten oder der zweiten Turbine ausgetretene Luft, die sich im wesentlichen auf dem mittleren Druck befindet, sowie eine am Sumpf der Mitteldruckkolonne entnommene Zusatz luf tmenge entspannt;
  • - die Luft wird mittels zumindest zwei aufeinanderfolgend angeordneten Verdichtern nachverdichtet, die jeweils mit einer der Turbinen gekuppelt sind.
  • Die Erfindung hat auch eine zur Herstellung gasförmigen Sauerstoffs unter Druck dienende Vorrichtung zur Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Gegenstand, umfassend eine Doppelkolonne zur Destillation von Luft mit einer als Niederdruckkolonne bezeichneten, unter einem niedrigen Druck arbeitenden Kolonne und einer als Mitteldruckkolonne bezeichneten, unter einem mittleren Druck arbeitenden Kolonne, eine Pumpe zum Verdichten flüssigen, am Sumpf der Niederdruckkolonne entnommenen Sauerstoffs, Verdichtermittel zum Bringen der zu destillierenden Luft auf einen hohen Luftdruck deutlich größer als der mittlere Druck, und eine Wärmeaustauschleitung zum Herstellen einer Wärmeaustauschbeziehung zwischen der Luft auf dem hohen Druck und dem verdichteten, flüssigen Sauerstoff, wobei die Verdichtermittel einen Verdichter zum Bringen der gesamten zu destillierenden Luft auf einen ersten hohen Druck P1 deutlich größer als der mittlere Druck und Mittel zum Nachverdichten eines Teils der Luft unter diesem ersten hohen Druck bis auf einen zweiten hohen Druck P2 umfassen,
  • dadurch gekennzeichnet, daß diese Nachverdichtermittel zumindest zwei aufeinanderfolgend angeordnete, jeweils mit einer Entspannungsturbine gekuppelte Verdichter umfassen, wobei ein Verdichter mit einer Turbine zur Entspannung von Luft unter dem ersten hohen Druck P1 und ein weiterer Verdichter mit einer zweiten Turbine zur Entspannung eines Teils der nachverdichteten Luft gekuppelt sind, und dadurch, daß die Wärmeaustauschleitung Abschnitte zur Kühlung der aus der Turbine mit der höheren Einlaßtemperatur ausgetretenen Luft aufweist und/oder die Einlaßtemperatur T1 der einen der beiden Turbinen zwischen etwa 0ºC und -60ºC liegt, während die Einlaßtemperatur T2 der anderen Turbine zwischen -80ºC und -130ºC beträgt.
  • Beispiele zur Anwendung der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • - die Figur 1 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung gasförmigen Sauerstoffs gemäß der Erfindung darstellt;
  • - die Figur 2 ein rechnerisch erhaltenes Wärmeaustauschdiagramm, das dieser Vorrichtung entspricht, ist; und
  • - die Figuren 3 und 4 schematisch zwei weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellen.
  • Die in der Figur 1 dargestellte Vorrichtung ist vorgesehen zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff unter zwei unterschiedlichen Drücken, gasförmigem Stickstoff unter zwei unterschiedlichen Drücken, flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff.
  • Die Vorrichtung umfaßt im wesentlichen eine Destillationsdoppelkolonne 1, eine Wärmeaustauschleitung 2, einen Lufthauptverdichter 3, zwei aufeinanderfolgend angeordnete Verdichter 4 und 5, die am Auslaß mit einem Kühler 6 ausgestattet sind, eine "warme" Turbine 7, eine "kalte" Turbine 6, zwei Pumpen 9, 10 für flüssigen Sauerstoff und eine Pumpe 11 für flüssigen Stickstoff.
  • Die Doppelkolonne 1 umfaßt eine unter 5 bis 6 bar arbeitende Mitteldruckkolonne, eine Niederdruckkolonne 13 nach Art eines "Minaretts", die unter einem etwas höheren Druck als dem Atmosphärendruck arbeitet, einen Verdampfer-Kondensator 14, der den Dampf (Stickstoff) am Kopf der Kolonne 12 mit der Flüssigkeit (Sauerstoff) am Sumpf der Kolonne 13 in Wärmeaustausch bringt, und eine mit der Kolonne 13 verbundene Hilsskolonne 15 zur Herstellung von Rohargon.
  • Man findet die herkömmlichen Rohrleitungen 16 mit "reicher Flüssigkeit" (mit Sauerstoff angereicherter Luft) vom Sumpf der Kolonne 12 zu einem Zwischenpunkt der Kolonne 15 und/oder zum Kopfkondensator der Kolonne 15 ansteigend, 17 mit "unterer, armer Flüssigkeit" (Rohstickstoff) von einem Zwischenpunkt der Kolonne 12 zu einem Zwischenpunkt der Kolonne 13 ansteigend, 18 mit "oberer, armer Flüssigkeit" (reiner Stickstoff) vom Kopf der Kolonne 12 zum Kopf der Kolonne 13 ansteigend vor, wobei die Rohrleitungen 16, 17 und 18 jeweils mit einem Druckreduzierventil ausgestattet sind. Die durch diese drei Rohrleitungen transportierten Flüssigkeiten werden im kalten Teil der Austauschleitung 2 unterkühlt. Eine mit einem Druckreduzierventil ausgestattete Abzweigung 19 der Rohrleitung 18 führt zu einem Lagerbehälter 20 für flüssigen Stickstoff.
  • Das Rad des Verdichters 4 ist starr mit jenem der Turbine 8 verbunden und ebenso ist das Rad des Verdichters 5 starr mit jenem der Turbine 7 verbunden.
  • Im Betrieb wird die zu destillierende Luft insgesamt mittels des Verdichters 3 auf einen Druck P1 in der Größenordnung von bis 35 bar verdichtet und in einem Adsorber 21 von Wasser und Kohlendioxid gereinigt, dann in zwei Ströme aufgeteilt.
  • Der erste Strom mit dem Druck P1 wird auf eine Zwischentemperatur T1 zwischen 0ºC und -60ºC abgekühlt. Ein Teil dieses ersten Stroms erfährt eine weitere Abkühlung, wird verflüssigt, dann in einem Druckentspannungsventil auf den mittleren Druck entspannt und über eine Rohrleitung 22 in die Kolonne 12 eingeleitet. Der Rest des ersten Stroms wird bei der Temperatur T1 aus der Austauschleitung ausgeleitet, in der Turbine 7 auf den mittleren Druck entspannt, wieder in die Austauschleitung eingeleitet, abgekühlt, verflüssigt und dann über eine Rohrleitung 23 in die Kolonne 12 eingeleitet.
  • Der Rest der aus dem Adsorber 21 austretenden Luft wird in zwei Stufen mittels der Verdichter 4 und 5 auf einen Druck P2 in der Größenordnung von 35 bis 50 bar nachverdichtet, bei 6 vorgekühlt, dann in der Austauschleitung auf eine zweite Zwischentemperatur T2, die deutlich niedriger als T1 ist und zwischen -80ºC und -130ºC beträgt, abgekühlt. Ein Teil dieser Luft erfährt eine weitere Abkühlung, wird verflüssigt, wird dann in einem Druckentspannungsventil auf den mittleren Druck entspannt und über die vorstehend erwähnte Rohrleitung 22 in die Kolonne 12 eingeleitet. Der Rest der Luft mit dem Druck P2 wird bei der Temperatur T2 aus der Austauschleitung ausgeleitet, in der Turbine 8 auf den mittleren Druck entspannt und über die vorstehend erwähnte Rohrleitung 23 in die Kolonne 12 eingeleitet.
  • Die Abkühlung der Luft wird in der Austauschleitung 2 durch Gegenstromzirkulation mit mehreren Flüssigkeiten durchgeführt:
  • - dem am Kopf der Kolonne 13 ausgetretenen, gasförmigen Stickstoff niederen Drucks und dem Rohstickstoff oder "unbrauchbaren" Stickstoff, der durch dieselbe Kolonne geliefert wird, wobei diese zwei Gase die Austauschleitung von ihrem kalten Ende bis zu ihrem warmen Ende durchströmen und dann über Rohrleitungen 24 bzw. 25 abgeführt werden.
  • - der Großteil des abgetrennten Sauerstoffs wird am Sumpf der Kolonne 13 in flüssiger Form entnommen, mittels der Pumpe 9 auf einen ersten, relativ niedrigen Druck P01 gebracht, durch Kondensation der Luft entweder bei dem Druck P1, was P01 = 11 bis 17 bar entspricht, oder bei dem Druck P2, was P01 = 17 bis 22 bar entspricht, verdampft, auf Umgebungs temperatur erwärmt und dann als Produkt über eine Rohrleitung 26 abgeführt;
  • - einem weiteren Teil des abgetrennten Sauerstoffs, den man in diesem Beispiel in gasförmiger Form unter einem zweiten, relativ hohen Druck P02, typischerweise zwischen 11 und 60 bar, erzeugen will, welcher aus dem Sumpf der Kolonne 13 in flüssiger Form entnommen wird, auf diesen zweiten Druck P02 gebracht wird, in der Austauschleitung durch Entnahme von Wärme aus der Luft verdampft wird, ohne daß diese Verdampfung notwendigerweise gleichzeitig mit der Kondensation dieser Luft stattfindet, dann auf Umgebungstemperatur erwärmt und als Produkt über eine Rohrleitung 27 abgeführt wird; und
  • - Stickstoff, den man in diesem Beispiel in gasförmiger Form unter einem Druck in der Größenordnung von 5 bis 60 bar und vorzugsweise 25 bis 35 bar erzeugen will, welcher in flüssiger Form am Kopf der Kolonne 12 entnommen wird, mittels der Pumpe 11 auf diesen Produktionsdruck gebracht wird, in der Austauschleitung durch Entnahme von Wärme aus der Luft verdampft wird, ohne daß diese Verdampfung notwendigerweise gleichzeitig mit der Kondensation dieser Luft stattfindet, auf Umgebungstemperatur erwärmt und als Produkt über eine Rohrleitung 28 abgeführt wird.
  • Gleichzeitig mit der Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs und Stickstoffs liefert die Vorrichtung beträchtliche Flüssigkeits mengen (Sauerstoff und/oder Stickstoff). Für Luft mit 25 bar am Auslaß des Verdichters 3 kann die Flüssigkeitsmenge 40% der Menge an abgetrenntem Sauerstoff erreichen. In der Figur 1 ist außer der Rohrleitung 19 für flüssigen Stickstoff eine Rohrlei tung 29 zur Lieferung von flüssigem Sauerstoff eingezeichnet.
  • Das Wärmeaustauschdiagramm der Figur 2 entspricht dem vorstehend beschriebenen Schema der Figur 1, mit den folgenden Zahlenangaben:
  • - verarbeitete Luftmenge: 26.000 Nm²/h
  • - P1 = 27,5 bar, P2 = 39,5 bar
  • - T1 = -35ºC, T2 = -122ºC
  • - die Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs wird in zwei Drittel mit 12 bar (Rohrleitung 26) und ein Drittel mit 42 bar (Rohrleitung 27) aufgeteilt
  • - die Vorrichtung erzeugt außerdem 1.600 Nm²/h reinen, gasförmigen Stickstoff unter 42 bar (Rohrleitung 28) und 1.900 Nm²/h Flüssigkeit.
  • Das Austauschdiagramm umfaßt eine Kurve Cl, die der Gesamtheit der erwärmten Flüssigkeiten entspricht, und eine Kurve C2, die der während der Abkühlung verarbeiteten Luft entspricht
  • In der Kurve C1 sieht man bei A die Stufe der Verdampfung des Sauerstoffs unter 12 bar, bei B eine Ablenkung, die der Pseudostufe der Verdampfung des Stickstoffs unter 42 bar entspricht, und bei C die Stufe der Verdampfung des Sauerstoffs unter 42 bar (niedriger als die Stufe A, da die Menge geringer ist).
  • In der Kurve C2 entspricht der Punkt D dem Eintritt von Luft unter dem Druck P2, bei = 32ºC, E dem Eintritt von Luft unter dem Druck P1, bei = 12ºC, bei dem der Temperaturunterschied zwischen den Kurven C2 und Cl minimal ist (2ºC), was sehr günstig ist, F dem Einlaß der Turbine 7, die die Steigung der Kurve vermindert, G dem Einlaß der Turbine 8 in der Nähe der Stufe C, die einen analogen Effekt hervorruft, H der Pseudostufe der Kondensation der Luft unter dem Druck P2 in der Nähe der Pseudostufe B, und I dem Kondensationspunkt der Luft unter dem Druck P1, der Stufe A mit einem minimalen Temperaturunterschied gegenüberliegend und mit etwa derselben Höhe wie diese Stufe A.
  • Man sieht in der Figur 2, daß die zwei Kurven in dem gesamten von der Austauschleitung abgedeckten Temperaturbereich bemerkenswert nahe beieinander liegen, was einem hohen thermodynamischen Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens entspricht.
  • Wie durch eine gestrichelte Linie in der Figur 1 dargestellt, kann die Vorrichtung alternativ eine dritte Turbine 30 umfassen, die beispielsweise durch einen Generator 31 gebremst wird, und die dafür ausgelegt ist, einen Teil der aus der Turbine 7 ausgetretenen Luft mittleren Drucks auf den niedrigen Druck zu entspannen. Wie dargestellt, ist der Auslaß der Turbine 30 mit einem Zwischenpunkt der Kolonne 13 oder mit der Rohrleitung, die den restlichen Rohstickstoff transportiert, verbunden. Der Einlaß der Turbine 30 liegt bei einer Temperatur von etwa -100ºC bis -150ºC.
  • Eine derartige Niederdruckturbine ist für zwei Fälle interessant: einerseits, um die geringe Zerlegungsenergie zu verwer ten, wenn der Sauerstoff mit einer Reinheit zwischen 85% und 98% erzeugt wird, indem man die Flüssigkeitserzeugung ohne merkliche Verminderung der Sauerstofferzeugung erhöht; andererseits, um die Flüssigkeitserzeugung zu Lasten der Sauerstofferzeugung zu steigern. Wenn die Vorrichtung wie dargestellt Argon erzeugt, ist es vorzuziehen, die Luft niederen Drucks in den Rohstickstoff einzuleiten, um einen guten Argonertrag aufrechtzuerhalten. Im umgekehrten Fall kann diese Luft niederen Drucks in die Kolonne 13 eingeleitet werden.
  • Die Vorrichtung der Figur 3 unterscheidet sich von der vorhergehenden in den folgenden Punkten:
  • - die Niederdruckturbine 30 wird durch einen dritten Verdichter 32 gebremst, dessen Rad starr mit dem Rad dieser Turbine gekuppelt ist und der in Serie mit den Verdichtern 4 und 5, stromauf derselben angeordnet ist;
  • - die in der Turbine 30 zu entspannende Luftmenge ist größer als die in der Turbine 7 entspannte Luftmenge. Infolgedessen wird die Turbine 30 einerseits durch die gesamte aus der Turbine 7 ausgetretene Luft mittleren Drucks, andererseits durch Zusatzluft mittleren Drucks, die über eine Rohrleitung 33 aus der Kolonne 12 austritt und in der Austauschleitung auf eine geeignete Temperatur erwärmt wird, gespeist;
  • - nur die Pumpe 9 wird für den Sauerstoff eingesetzt, der folglich unter einem einzigen Druck erzeugt wird und insgesamt durch Kondensation von Luft bei einem der drei verfügbaren Drücke (P1, P2 und dem mittleren Druck) verdampft wird, während die Pumpen 10 und 11 für den Stickstoff eingesetzt werden, der so unter zwei unterschiedlichen Drücken erzeugt wird und ebenfalls durch Kondensation von Luft verdampft wird.
  • Das Schema der Figur 4 unterscheidet sich von jenem der Figur 1 nur durch die Anordnung der Turbinen 7 und 6. Denn die "warme" Turbine 7 wird mit Luft unter dem höchsten Druck P2 gespeist, während die "kalte" Turbine 8 mit Luft unter dem Druck P1 gespeist wird. Außerdem liegt der Auslaßdruck der Turbine 7 bei einem Druck P3, der höher als der mittlere Druck ist und in der Praxis zwischen diesem mittleren Druck und dem Druck P1 liegt. Die Luft unter dem Druck P3 wird in der Austauschleitung durch Verdampfung von Sauerstoff abgekühlt und verflüssigt, dann in einem Druckreduzierventil 34 vor Einleiten in die Kolonne 12 auf den mittleren Druck entspannt. Diese Vorrichtung ist besonders interessant für einen Sauerstoffdruck zwischen 3 bar und 8 bar.
  • In jedem der vorstehend beschriebenen Beispiele umfaßt die Austauschleitung 2 der Vorrichtung Abschnitte zur Kühlung von Luft unter drei unterschiedlichen Drücken. Einer oder mehrere dieser Drücke können verwendet werden, um die Luft mit einem geringen Temperaturunterschied in der Größenordnung von 2ºC im Gegenstrom zu zumindest dem Großteil des abgetrennten Sauerstoffs, der im flüssigen Zustand auf einen entsprechenden Druck verdichtet und unter diesem Druck verdampft wird, zu zusätzlichem Sauerstoff unter einem anderen Druck und/oder zu Stickstoff, die gegebenenfalls außerdem im flüssigen Zustand verdichtet werden können und in der Austauschleitung 2 verdampft werden, zu kondensieren.
  • Da man die Drücke P1 und P3 nach Belieben wählen und den Druck P2 durch Variieren der durch die Turbinen geleiteten Luftmengen und des Drucks P1 regulieren kann, ergibt sich eine sehr große Freiheit bei der Wahl der Verdampfungsdrücke für den Sauerstoff und gegebenenfalls für den Stickstoff. Wenn die Hauptverdampfung von Sauerstoff die Luft unter dem Druck P3 kondensiert, kann die Menge dieser Luft auf die Menge des zu verdampfenden Sauerstoffs eingestellt werden, d.h. daß diese Luftmenge auf 20% bis 30% der verarbeiteten Luftmenge eingestellt wird; eine solche durch die "warme" Turbine 7 geleitete Menge ermöglicht es, in der Nähe des thermodynamischen Optimums zu bleiben.
  • Es ist anzumerken, daß, was den geringeren Teil des Sauerstoffs und des Stickstoffs betrifft, deren Verdampfungsdrücke in keiner Weise mit den Drücken P1, P2 und P3 verknüpft sein können.
  • Außerdem erzeugt die Vorrichtung eine Sauerstoff- und Stickstofffraktion in flüssiger Form mit einer hervorragenden spezifischen Energie aufgrund der Verwendung von zwei Entspannungsturbinen mit sehr unterschiedlichen Einlaßtemperaturen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung gasförmigen Sauerstoffs unter Druck durch Destillation von Luft in einer Vorrichtung mit einer Wärmeaustauschleitung (2) und einer Destillationsdoppelkolonne (1), die selbst wiederum eine als Mitteldruckkolonne bezeichnete und unter einem mittleren Druck arbeitende erste Kolonne (12) und eine als Niederdruckkolonne bezeichnete und unter einem niedrigen Druck arbeitende zweite Kolonne (13) umfaßt, Pumpen (bei 9, 10) flussigen, am Sumpf der Niederdruckkolonne entnommenen Sauerstoffs und Verdampfen des verdichteten Sauerstoffs durch Austausch von Wärme gegen auf einen hohen Luftdruck verdichtete Luft, wobei die gesamte, zu verarbeitende Luft auf einen ersten Druck P1 deutlich größer als der mittlere Druck verdichtet wird, die Luft mit dem Druck P1 in zwei Teile aufgeteilt wird, von welchen der erste Teil abgekühlt und der zweite Teil auf einen zweiten hohen Druck P2 nachverdichtet und abgekühlt wird, der Großteil zumindest des abgetrennten Sauerstoffs in flüssiger Form der Niederdruckkolonne (13) entnommen, durch eine Pumpe (9, 10) auf wenigstens einen ersten Verdampfungsdruck, bei dem er durch Kondensation von Luft verdampft, komprimiert und durch Kondensation von Luft verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß:
- der erste Teil dieser Luft bis auf eine erste Zwischentemperatur Tl abgekühlt wird, auf der eine erste Fraktion in einer ersten Turbine (8) entspannt wird, während der Rest dieses ersten Teils abgekühlt, verflüssigt, entspannt und in die Mitteldruckkolonne (12) eingeleitet wird;
- der zweite Teil bis auf eine zweite Zwischentemperatur T2 abgekühlt wird, auf der eine erste Menge in einer zweiten Turbine (8) entspannt wird, während der Rest dieses zweiten Teils abgekühlt, verflüssigt, entspannt und in die Mitteldruckkolonne (12) eingeleitet wird;
gegebenenfalls der Verdichtungsdruck einer der Turbinen (7, 8) auf einen Druck P3 zwischen dem ersten, hohen Druck und dem mittleren Druck geregelt wird, und
der verdichtete Sauerstoff durch Kondensation von Luft bei einem oder mehreren der Drücke P1, P2, P3 verdampft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Zwischentemperaturen T1 und T2 aus dem Bereich zwischen etwa 0ºC und -60ºC und die andere aus dem Bereich zwischen etwa -80ºC und -130ºC gewählt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 20 bis 30% der verarbeiteten Luftmenge die erste Turbine (7) speisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Sumpf der Niederdruckkolonne (13) entnommener zusätzlicher, flüssiger Sauerstoff durch Pumpen auf zumindest einen zweiten Verdampfungsdruck verdichtet und bei diesem oder diesen Drücken in der Wärmeaustauschleitung (2) verdampft wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiger Stickstoff der Doppelkolonne (1) entnommen, durch Pumpen (10, 11) auf zumindest einen Stickstoffverdampfungsdruck verdichtet und bei diesem oder diesen Drücken in der Wärmeaustauschleitung (2) verdampft wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der aus der ersten (7) oder der zweiten (8) Turbine ausgetretenen Luft in einer dritten Turbine (30) auf den niedrigen Druck entspannt und die aus der dritten Turbine ausgetretene Luft in die Niederdruckkolonne (13) oder in das aus dem oberen Teil dieser Kolonne ausgeleitete Restgas eingeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der dritten Turbine (30) die gesamte aus der ersten (7) oder zweiten (8) Turbine ausgetretene Luft, wobei diese sich im wesentlichen auf dem mittleren Druck befindet, sowie eine am Sumpf der Mitteldruckkolonne (12) entnommene Zusatzluf tmenge entspannt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft mittels zumindest zwei aufeinanderfolgend angeordneten Verdichtern (4, 5, 32) nachverdichtet wird, die jeweils mit einer der Turbinen (7, 8, 30) gekuppelt sind.
9. Zur Herstellung gasförmigen Sauerstoffs unter Druck dienende Vorrichtung zur Anwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend eine Doppelkolonne (1) zur Destillation von Luft mit einer als Niederdruckkolonne (13) bezeichneten, unter einem ersten Druck arbeitenden Kolonne und einer als Mitteldruckkolonne (12) bezeichneten, unter einem mittleren Druck arbeitenden Kolonne, eine Pumpe (9, 10) zum Verdichten flüssigen, am Sumpf der Niederdruckkolonne (13) entnommenen Sauerstoffs, Verdichtermittel (3, 4, 5, 32) zum Bringen der zu destillierenden Luft auf einen hohen Luftdruck deutlich größer als der mittlere Druck, und eine Wärmeaustauschleitung (2) zum Herstellen einer Wärmeaustauschbeziehung zwischen der Luft auf dem hohen Druck und dem verdichteten, flüssigen Sauerstoff, wobei die Verdichtermittel einen Verdichter (3) zum Bringen der gesamten, zu destillierenden Luft auf einen ersten hohen Druck P1 deutlich größer als der mittlere Druck und Mittel (4, 5, 32) zum Nachverdichten eines Teils der Luft unter diesem ersten hohen Druck bis auf einen zweiten hohen Druck umfassen,
dadurch gekennzeichnet, daß diese Nachverdichtermittel zumindest zwei aufeinanderfolgend angeordnete, jeweils mit einer Entspannungsturbine (7, 8, 30) gekuppelte Verdichter umfassen, wobei ein Verdichter (4, 5) mit einer ersten Turbine (7) zur Entspannung von Luft unter dem ersten hohen Druck Pl und ein weiterer Verdichter (5; 4) mit einer zweiten Turbine (8) zur Entspannung eines Teils der nachverdichteten Luft gekuppelt sind, und dadurch, daß die Wärmeaustauschleitung (2) Abschnitte zur Kühlung der aus der ersten, die höhere Einlaßtemperatur besitzenden Turbine (7) ausgetretenen Luft aufweist und/oder die Einlaßtemperatur T1 der einen (7) der beiden Turbinen zwischen etwa 0ºC und -60ºC liegt, während die Einlaßtemperatur T2 der zweiten Turbine (8) zwischen etwa -80ºC und -130ºC beträgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine zweite Pumpe (10) für flüssigen Sauerstoff oder flüssigen Stickstoff und eventuell eine dritte Pumpe (11) für flüssigen Sauerstoff oder flüssigen Stickstoff, und dadurch, daß die wärmeaustauschleitung (2) entsprechende Verdampfer-Erwärmer-Abschnitte umfaßt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine dritte Turbine (30) zur Entspannung zumindest eines Teils der aus der Turbine (7) mit der höheren Einlaßtemperatur ausgetretenen Luft auf den niedrigen Druck, und Mittel zum Einleiten der aus der dritten Turbine ausgetretenen Luft in die Niederdruckkolonne (13) oder in eine Leitung mit aus dieser Kolonne stammendem Restgas.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel (33), die die Speisegasversorgung der dritten Turbine (30) durch am Sumpf der Mitteldruckkolonne (12) entnommene Luft vervollständigen, wobei die aus der Turbine (7) mit der höheren Einlaßtemperatur ausgetretene Luft im wesentlichen den mittleren Druck hat.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Turbine (30) durch einen Generator (31) oder durch einen Luftverdichter (32) gebremst wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der dritten Turbine (30) gekuppelte Verdichter (32) in Reihe mit den anderen Verdichtern (4, 5) angeordnet ist.
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