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DE2953796C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit durch Tieftemperaturrektifikation - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit durch Tieftemperaturrektifikation

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Publication number
DE2953796C1
DE2953796C1 DE2953796A DE2953796A DE2953796C1 DE 2953796 C1 DE2953796 C1 DE 2953796C1 DE 2953796 A DE2953796 A DE 2953796A DE 2953796 A DE2953796 A DE 2953796A DE 2953796 C1 DE2953796 C1 DE 2953796C1
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DE
Germany
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pressure
feed air
low
kpa
combustion
Prior art date
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Expired
Application number
DE2953796A
Other languages
English (en)
Inventor
Walter Joseph Tonawanda N.Y. Olszewski
John Harold Grand Island N.Y. Ziemer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Union Carbide Corp
Original Assignee
Union Carbide Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Union Carbide Corp filed Critical Union Carbide Corp
Application granted granted Critical
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Expired legal-status Critical Current

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Sauerstoff niedriger Reinheit, unter dem vorliegend ein Produkt mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 99,5 mol-% verstanden werden soll, wird in großen Mengen u. a. für Kohleverflüssigungs- und -vergasungsprozesse sowie für Müllvergasungsverfahren (US-PS 37 29 298) benötigt.
Es ist bekannt (US-PS 37 31 495), bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Niederdruckrektifikationsstufe mit einem zwischen 310 und 965 kPa liegenden Druck zu betreiben, der so bemessen ist, daß der von dort ausgetragene stickstoffreiche Gasstrom nacheinander zwei Wärmeaustauscherstufen durchläuft und dann in den Verbrennungsstrom eintritt. Das heißt, der Druck der Niederdruckrektifikationsstufe ist dort unter Berücksichtigung von Reibungsverlusten in den Wärmetauschern und den Verbindungsleitungen an die Druckwerte eng angepaßt, die in der den Verdichter für die Einsatzluft, die Brennzone und die Arbeitsturbine aufweisenden Schleife herrschen.
Angesichts der ständig steigenden Energiekosten kommt der Erzielung von Energieeinsparungen wachsende Bedeutung zu. Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, die eine weitere Absenkung des Energiebedarfs für die Sauerstofferzeugung bei gleichzeitiger Annäherung des Massestroms des in der Arbeitsturbine entspannten Gases an den Massenstrom der verdichteten Einsatzluft ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst
Es wäre zu erwarten, daß ein Verdichten des zum Einleiten in den Verbrennungsstrom bestimmten stickstoffreichen Gases, nur um dieses Gas in der Arbeitsturbine wieder zu entspannen, wegen der beim Verdichten unvermeidbaren Energieverluste den Gesamtenergiewirkungsgrad herabsetzt. Überraschender-
ORIGINAL INSPECTED
weise führt das Verfahren nach der Erfindung jedoch zu einem wesentlich gesteigerten Gesamtenergiewirkungsgrad. Dies ist darauf zurückzuführen, daß handelsüblich verfügbare Arbeitsturbinen in der Regel günstigste Einlaßdrücke haben, die über dem günstigsten '■> Arbeitsdruck der Niederdruckrektifikationsstufe einer typischen Luftzerlegungsanlage liegen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen können nun sowohl die Arbeitsturbine als auch die Luftzerlegungsanlage in besserer Annäherung an den jeweils günstigsten Druck m betrieben werden, wodurch die Energieverluste beim Verdichten des stickstoffreichen Gases mehr als kompensiert werden. Durch Verdichten des stickstoffreichen Gasstroms auf einen Druck, der dem günstigsten Einlaßdruck der Arbeitsturbine nahekommt, kann ι auch das gesamte Verbrennungssystem auf diesem Druck arbeiten; der in der Arbeitsturbine zu entspannende Gasstrom kann sich auf dem günstigsten Einlaßdruck der Turbine befinden. Unter dem günstigsten Einlaßdruck der Arbeitsturbine wird dabei der 2" Druck verstanden, bei dem die Turbine unter sonst vorgegebenen Bedingungen ihren höchsten Wirkungsgrad erreicht, während als günstigster Arbeitsdruck der Rektifikationsstufe der Druck bezeichnet wird, bei dem der Energiebedarf der Luftzerlegungsanlage für einen gegebenen Sauerstoffabgabedruck minimal ist. Mit dem verdichteten und gekühlten zusätzlichen Einsatzluftstrom läßt sich der Massenstrom des in der Arbeitsturbine entspannten Gases an den Massenstrom der im Einsatzluftkompressor verdichteten Luft anpassen. Um beide gleich zu machen, wird dabei vorzugsweise der Massenstrom des zusätzlichen Einsatzluftstroms im wesentlichen gleich dem Gasamtmassenstrom der Produktströme gehalten.
Zwar ist es auch bekannt (US- PS 30 59 438), bei einem Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff durch Tieftemperaturrektifikation die Einsatzluft in zwei unterschiedlich große Teilströme aufzuteilen, die getrennt verdichtet und gekühlt werden, bevor sie wieder zusammengeführt und gemeinsam einer Rektifikationskolonne mit Niederdruck- und Hochdruckrektifikationsstufe zugeleitet werden. Dabei wird der größere Einsatzluftteilstrom in einem Reversierwärmetauscher von Komponenten, insbesondere CO2, befreit, die bei höherer Temperatur sieden als Sauerstoff und die in einem ersten Arbeitstakt im Wärmetauscher ausgefroren und dann in einem zweiten Arbeitstakt durch Gegenstromspülen mittels eines von der Rektifikationskolonne kommenden, einen größeren Teil des erzeugten Stickstoffes umfassenden Kaltgasstromes wieder ausge- so trieben werden. Um einem Verstopfen des Reversierwärmetauschers durch ausgefrorenes CO2 entgegenzuwirken, wird der Massenstrom des Spülgases größer als derjenige des betreffenden Einsatzluftteilstromes gehalten. Der verbleibende kleinere Einsatzluftteilstrom wird auf chemischem Wege vorgereinigt und, in einem gesonderten Wärmetauscher im Gegenstrom zu d,em restlichen Stickstoff und dem erzeugten Sauerstoff gekühlt, deren Gesamtmassenstrom kleiner als derjenige des kleineren Einsatzluftteilstromes ist. Ein solches Durchflußmengen-Ungleichgewicht wäre für die Zwekke der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ungeeignet.
Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der zusätzliche Einsatzluftstrom nach seinem Verdichten zusammen mit dem zweiten Teil der Einsatzluft vor dem Kühlen auf die Eintrittstemperatur der Hochdruckrektifikationsstufe weiter verdichtet wird, läßt sich auch in Fällen, bei denen der günstigste Betriebsdruck der Hochdruckrektifikationsstufe über dem günstigsten Einlaßdruck der Arbeitsturbine liegt, eine Druckoptimierung herbeiführen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des geschilderten Verfahrens ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 4 ausgestattet.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung ferner mit einem Zusatzkompressor zum weiteren Verdichten des zusätzlichen Einsatzluftstroms zusammen mit dem zweiten Teil der Einsatzluft versehen. Der bevorzugte Sauerstoffgehalt des Sauerstoffprodukts niedriger Reinheit liegt über 90% und vorzugsweise zwischen 95 und 99,5%.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Fließschema einer vollständigen Anlage zur Erzeugung von Sauerstoff niedriger Reinheit entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 2 die Wirkungsgradkurve für eine typische Arbeitsturbine, und
F i g. 3 den Energiebedarf einer typischen Doppelkolonnen-Luftzerlegungsanlage.
Die in F i g. 1 veranschaulichte Ausführungsform umfaßt eine innerhalb einer gestrichelten Linie dargestellte Luftzerlegungsanlage A und eine damit verbundene Maschinenanlage. Einsatzluft gelangt über eine Leitung 1 in einen ersten Kompressor 2; sie wird auf einen Druck von mindestens 585 kPa und vorzugsweise einen Druck zwischen 690 und 1725 kPa verdichtet. Die den Kompressor 2 über eine Leitung 3 verlassende, verdichtete Einsatzluft wird in einen ersten Teil in einer Leitung 5 und einen zweiten Teil in einer Leitung 4 aufgeteilt. Der erste Teil wird zur Bildung eines Verbrennungsstroms benutzt, worunter vorliegend das Gas verstanden wird, das von der Stelle der Aufteilung der verdichteten Einsatzluft aus zu dem Einlaß einer Arbeitsturbine 9 strömt. In F i g. 1 umfaßt der Verbrennungsstrom die über die Leitung 5, eine Brennkammer 7 und eine Leitung 8 fließenden Gase. Brennstoff wird in den ersten Teil des verdichteten Einsatzluftstroms stromaufwärts von der Brennkammer 7 über eine Leitung 6 eingespeist und zu einem Teil des Verbrennungsstroms. Bei dem Brennstoff kann es sich um jedes beliebige sauber brennende, fließfähige Material handeln, beispielsweise um öl oder ein Gasgemisch, das einen verbrennbaren Bestandteil, wie Methan oder Kohlenmonoxid, enthält. Über die Leitung 5 wird ausreichend Luft zugeführt, um eine vollständige Oxidation des Brennstoffs zu gewährleisten; typischerweise wird für diesen Zweck ein stöchiometrischer Luftüberschuß von 20 bis 30% vorgesehen. In der Brennzone 7 wird das Gemisch bei einem Zünddruck von mindestens 550 kPa gezündet. Die Leitung 8 führt dann den heißen Verbrennungsstrom in eine Arbeitsturbine 9, wo der Verbrennungsstrom unter Erzeugung von äußerer Arbeit entspannt wird. Das entspannte Gas verläßt die Turbine über eine Leitung 10.
Verdichtetes Stickstoffabgas, d.h. stickstoffreiches Gas, das nicht als ein Produktstrom zurückgewonnen wird, wird mit dem Verbrennungsstrom vor dessen Entspannung in der Turbine 9 gemischt.
Von der Arbeitsturbine 9 abgegebene Energie wird benutzt, um den Kompressor 2 anzutreiben, der mit der Turbine 9 über ein Getriebe oder unmittelbar über eine Welle 11 verbunden sein kann. Die Turbine 9 kann auch
einen elektrischen Generator antreiben, der elektrische Energie an einen elektrischen Antriebsmotor für den Kompressor 2 liefert. Jede beliebige Art von Energieübertragung von der Turbine 9 auf den Kompressor 2 ist möglich. Die von der Arbeitsturbine 9 abgegebene Energie kann auch herangezogen werden, um einen Stickstoffabgaskompressor 39 über eine beliebige Energieübertragungseinrichtung anzutreiben, wie sie vorstehend für die Übertragung von Energie zum Kompressor 2 diskutiert ist.
Aus dem die Turbine 9 über die Leitung 10 verlassenden Heißgas wird weitere Energie in einem Wärmetauscher 203 zurückgewonnen. Die Brennkammer, die Turbine und der Kompressor können zu einer Einheit zusammengefaßt sein.
Ein zusätzlicher Einsatzluftstrom gelangt über eine Leitung 300 in einen Hilfskompressor 301. Der Kompressor 301 verdichtet den zusätzlichen Einsatzluftstrom auf den gleichen Druck wie denjenigen des zweiten Teils der Einsatzluft in der Leitung 4. Der zusätzliche Einsatzluftstrom wird dann über die Leitung 302 in die Leitung 4 eingespeist. Der zweite Teil der verdichteten Einsatzluft und der verdichtete zusätzliche Einsatzluftstrom treten in einen Wärmetauscher 12 ein und werden dort durch die Luftzerlegungsanlage verlassenden Stickstoff teilweise gekühlt. Diese Luft läßt sich in einem nicht gezeigten, wassergekühlten Wärmetauscher weiter herunterkühlen. Die teilgekühlte Luft strömt dann über eine Leitung 201 in einen Booster-Kompressor 200, wo sie auf den Betriebsdruck einer Hochdruckrektifikationsstufe 16 von vorzugsweise mindestens 1035 kPa weiter verdichtet wird. Ein nicht gezeigter, wassergekühlter Wärmetauscher kühlt die den Kompressor 200 verlassende Luft, die dann über eine Leitung 202 in die Luftzerlegungsanlage A eintritt. Von der Arbeitsturbine 9 abgegebene Energie kann benutzt werden, um den Booster-Kompressor 200 und den Hilfskompressor 301 in der gleichen Weise wie den Kompressor 2 anzutreiben.
In der Luftzerlegungsanlage A wird die Luft durch abgehende Produkte in einem Reversierwärmetauscher 14 gekühlt, während gleichzeitig hochsiedende Verunreinigungen, beispielsweise Wasser und Kohlendioxid, desublimiert und auf den Wänden des Reversierwärmetauschers abgeschieden werden. Bevor der feste Niederschlag den Wärmetauscher verstopft, wird der Einsatzgasstrom mittels einer nicht dargestellten Ventil- und Leitungsanordnung auf einen zweiten Durchlaß umgeschaltet. Ein kalter Strom, dessen Verunreinigung nichts ausmacht, beispielsweise der Stickstoffabgasstrom, wird durch den verunreinigten Durchlaß des Reversierwärmetauschers hindurchgeschickt. Dadurch werden die Verunreinigungen verdampft und aus dem Wärmetauscher ausgetrieben. Bevor der mit dem Einsatzgasstrom beschickte zweite Durchlaß verstopft, wird die Einsatzluft auf den gereinigten Durchlaß umgeschaltet; der abgehende Strom wird benutzt, um Verunreinigungen aus dem zweiten Durchlaß zu beseitigen. Zum Reinigen und Kühlen der Einsatzströme können beliebige Mittel, beispielsweise Regenerativwärmetauscher, Gelfallen, Molekularsiebe, externe Kälteerzeugungsanlagen oder Kombinationen derselben vorgesehen werden.
Die gekühlte Einsatzluft strömt dann über eine Leitung 15 der unter höherem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe 16 (auch einfach als Hochdruckrektifikationsstufe oder Hochdruckstufe bezeichnet), wo sie gegen kältere Flüssigkeit rektifiziert wird, um eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit am unteren Ende 17 und ein stickstoffreiches Gas am oberen Ende 18 zu erzeugen. Das obere Ende 18 der Rektifikationsstufe 16 steht über Leitungen 21 und 22 sowie einen Wärmetauscher 23, eine Kondensator-Verdampfer-Stufe bekann ter Art, in Wärmeaustausch mit dem unteren Ende 20 einer unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe 19 (im folgenden Niederdruckrektifikationsstufe oder einfach Niederdruckstufe genannt). Stick- stoff reiches Gas strömt über die Leitung 21 zum Wärmetauscher 23, wo es gegen kälteren Sauerstoff niedriger Reinheit kondensiert wird. Der kondensierte stickstoffreiche Strom läuft dann über die Leitung 22 zu der Kolonne 16 zurück, wodurch die zum Rektifizieren der Einsatzluft dienende kältere Flüssigkeit gebildet wird. Ein Teil des kondensierten, stickstoffreichen Stroms gelängt über eine Leitung 24 zu der Niederdruckstufe 19. Vor dem Eintritt in diese wird der Strom in einem Ventil 24A auf einen niedrigeren Druck entspannt.
Der stickstoffreiche Strom in der Leitung 24 kann mittels eines abgehenden Stroms im Wärmetauscher 25 gekühlt werden. Die im unteren Ende 17 der Stufe 16 gebildete, mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird in die Niederdruckstufe 19 über eine Leitung 26 eingeführt, nachdem sie mittels eines Ventils 26Λ auf einen niedrigeren Druck entspannt ist Diese mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit kann durch einen abgehenden Strom in einem Wärmetauscher 32 gekühlt werden.
Die Niederdruckrektifikationsstufe 19 wird mit einem Druck betrieben, der mindestens 135 kPa und vorzugsweise mindestens 205 kPa niedriger als der Zünddruck liegt. Die der Niederdruckstufe 19 zugeführten Einsatz ströme werden unter Erzeugung von flüssigem Sauer stoff niedriger Reinheit am unteren Ende 20 sowie von stickstoffreichem Gas am oberen Ende 27 rektifiziert Der Sauerstoff niedriger Reinheit wird gegenüber einem wärmeren, stickstoffreichen Strom im Wärme tauscher 23 zum Sieden gebracht, um durch die Stufe 19 hindurch nach oben zu strömen. Ein Teil des Sauerstoffdampfs niedriger Reinheit wird über eine Leitung 28 ausgetragen und kühlt ankommende Einsatzluft im Wärmetauscher 14; dieser Teil verläßt die Anlage über eine Leitung 29 als ein Produktstrom. Ein Produktstrom aus stickstoffreichem Gas wird vom oberen Ende 27 der Stufe 19 über eine Leitung 30 ausgetragen. Er kühlt gleichfalls ankommende Ströme im Wärmetauscher 14, und er wird aus der Anlage über eine Leitung 31 abgeführt. Ein Produktstrom aus stickstoffreichem Gas wird von der Leitung 21 über eine Leitung 30Λ abgezweigt, zum Kühlen von einströmender Luft im Wärmetauscher 14 benutzt und aus der Anlage über eine Leitung 31Λ ausgetragen. Die Anlage kann aber auch so betrieben werden, daß keine stickstoffreichen Produktströme erzeugt werden; d. h, das gesamte stickstoffreiche Gas kann mit dem ersten Teil der Einsatzluft gemischt und in der Arbeitsturbine 9 entspannt werden.
Ein Strom aus stickstoffreichem Abgas wird vom oberen Ende 27 der Niederdruckstufe 19 über eine Leitung 25A abgeführt. Er kann die Wärmetauscher 25 und 32 durchlaufen und gelangt über eine Leitung 33 zum Wärmetauscher 32. Eine Leitung 34 bringt das stickstoffreiche Abgas dann zwecks Kühlung der einströmenden Einsatzluft zum Wärmetauscher 14.
Ein Teil der ankommenden Einsatzluft kann von der Leitung 15 über eine Leitung 35 abgezweigt und im
Wärmetauscher 14 teilweise wieder aufgewärmt werden. Diese Luft wird dann in der Turbine T arbeitsleistend entspannt, um zusätzliche Kälte zu erzeugen; sie gelangt dann über eine Leitung 36 zur Niederdruckstufe 19, wo sie rektifiziert wird.
Die Einzelheiten der Luftzerlegungsanlage A, die in F i g. 1 innerhalb der gestrichelten Linie dargestellt ist, bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung. Die Luftzerlegungsanlage nach F i g. 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar; es können jedoch auch andere Ausführungsformen der Doppelkolonnen-Luftzerlegungsanlage vorgesehen werden.
Das den Wärmetauscher 14 in einer Leitung 37 verlassende Stickstoffabgas gelangt in den Kompressor 39, wo es auf einen Druck von mindestens 585 kPA und vorzugsweise einen Druck zwischen 690 und 1726 kPa verdichtet wird. Diese Verdichtung von Stickstoffabgas erlaubt es, den Verbrennungsdruck und den Turbineneinlaßdruck um mindestens 138 kPa höher als denjenigen der Niederdruckrektifikationsstufe zu legen, so daß die Turbine 9 bei einem Druck betrieben werden kann, der ihrem optimalen Druck um 138 kPa näher liegt.
Das den Kompressor 39 verlassende Stickstoffabgas kann benutzt werden, um einströmende Luft im Wärmetauscher 12 zu kühlen. Das Stickstoffabgas wird im Wärmetauscher 203 zusätzlich aufgewärmt, bevor es über eine Leitung 40 in den Verbrennungsstrom gelangt. Das verdichtete Stickstoffabgas kann über die Leitung 40 in den Verbrennungsstrom stromaufwärts von der Brennkammer 7 eintreten. Alternativ kann das verdichtete Stickstoffabgas über die Leitung 40Λ in den Verbrennungsstrom auch stromabwärts von der Brennkammer eingeleitet werden. Eine Abschreckkammer 40ß, innerhalb deren sich der verdichtete Stickstoff mit den die Brennkammer verlassenden Gasen mischt und diese Gase kühlt, kann stromabwärts von der Brennkammer 7 vorgesehen sein. Wenn das Stickstoffabgas stromaufwärts von der Brennkammer 7 über die Leitung 40 eingeleitet wird, macht es der auf die Verbrennung ausgeübte Verdünnungseffekt weniger ^o wahrscheinlich, daß die maximal zulässige Temperatur der Wände der Kammer 7 überschritten wird. Andererseits hat die Verdünnung des Sauerstoffs und des Brennstoffes vor der Verbrennung zur Folge, daß der Verbrennungsvorgang weniger wirkungsvoll abläuft. Das Einführen des Stickstoffabgases stromabwärts von der Brennkammer 7 über die Leitung AOA sorgt für einen wirkungsvolleren Verbrennungsprozeß. Dabei ist jedoch die Gefahr größer, daß in der Brennkammer übermäßig hohe Temperaturen auftreten. Das verdich- so tete Stickstoffabgas kann auch aufgeteilt werden, wobei ein Teil in den Verbrennungsstrom über die Leitung 40 und der restliche Teil stromabwärts von der Kammer 7 über die Leitung 40Λ eintritt. Der Verbrennungsstrom, dem der verdichtete Stickstoff zugesetzt wurde, gelangt dann über die Leitung 8 zur Turbine 9, um dort arbeitsleistend entspannt zu werden.
Vorzugsweise hat der dem Verbrennungssystem zugehende erste Teil der verdichteten Einsatzluft eine größere Durchflußmenge als der zweite Teil der &o Einsatzluft, der in der Luftzerlegungsanlage verarbeitet wi'd. Vorzugsweise wird ferner im wesentlichen die gesamte in der Turbine 9 erzeugte Energie benutzt, um die Kompressoren 2, 39, 200 und 301 anzutreiben. Soll die Anlage jedoch zusätzliche Energie für externe Verwendung erzeugen, kann die Arbeitsturbine 9 größer gebaut werden, als dies für das Verdichten von Einsatzluft und Stickstoffabgasen notwendig ist. Ein größerer Luftstrom kann der Verbrennungseinrichtung zugeführt werden; mit der überschüssigen Energie an der Ausgangswelle der Turbine 9 kann beispielsweise ein elektrischer Generator oder ein anderer Energieverbraucher angetrieben werden.
Die Kurve A der F i g. 2 läßt erkennen, daß die betreffende Arbeitsturbine einen optimalen Einlaßdruck von etwa 830 kPa hat. Die Wirkungsgradkurve A kann sich zwar für verschiedene Turbineneintrittstemperaturen und für unterschiedliche Turbinen gegenüber der Darstellung nach Fig.2 nach links oder rechts verschieben; die Form der Kurve entspricht grundsätzlich jedoch immer derjenigen der Kurve A. Eine unter vorgegebenen Bedingungen arbeitende Turbine hat also stets einen optimalen Einlaßdruck.
Fig.3 zeigt schematisch den Energieverbrauch, aufgetragen über dem Betriebsdruck der Hochdruckstufe einer typischen Doppelkolonnen-Luftzerlegungsanlage. Die Kurve B verschiebt sich für unterschiedliche Destillationsanlagen und Betriebsbedingungen; es gibt jedoch stets einen optimalen Betriebsdruck für eine gegebene Luftzerlegungsanlage, die bei einer vorbestimmten Gruppe von Bedingungen arbeitet. Die Kurve B der F i g. 3 läßt erkennen, daß nur ausgehend von Energieerwägungen der optimale Betriebsdruck der Hochdruckstufe einer typischen Luftzerlegungsanlage bei etwa 1035 kPa liegt. Weil Stickstoff abgas aus der Niederdruckstufe ausgetragen wird, die normalerweise mit einem Fünftel bis ein Drittel des Drucks der Hochdruckstufe betrieben wird, folgt, daß der optimale Abgabedruck des Stickstoffabgases zwischen etwa 205 und 345 kPa liegt. Aus F i g. 2 ist jedoch zu erkennen, daß ein Betrieb der Turbine mit einem Einlaßdruck von 205 bis 345 kPa zu einem sehr geringen Wirkungsgrad führt. Weil in der vorliegend erläuterten Weise der Stickstoffabgasstrom vor seinem Einleiten in den Verbrennungsstrom verdichtet und der zweite Teil der verdichteten Einsatzluft weiter verdichtet werden, können die Luftzerlegungsanlage und die Arbeitsturbine mit den jeweils günstigsten Drücken arbeiten. Dadurch wird der Energiebedarf der zusätzlichen Verdichtung, obwohl diese Verdichtung in mit Reibung behafteten Maschinen durchgeführt wird, deren Wirkungsgrad kleiner als 100% ist, mehr als kompensiert. Wenn beispielsweise der günstigste Einlaßdruck der Turbine 827 kPa beträgt und der optimale Betriebsdruck der Hochdruckstufe bei 1034 kPa liegt, verdichtet der Kompressor 2 die Einsatzluft auf etwa 827 kPa, während der Kompressor 200 den Druck der der Hochdruckkolonne zugeführten Luft auf 1034 kPa erhöht.
Wenn der Massenstrom der im Hilfskompressor 301 verdichteten Luft gleich den Produktströmen gehalten wird, welche die Luftzerlegungsanlage über die Leitungen 29,31 und 31Λ verlassen, kann vorteilhaft für gleiche Einlaßmassenströme von Arbeitsturbine 9 und Kompressor 2 gesorgt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit durch Tieftemperaturrektifikätion von Luft, bei dem Einsatzluft auf einen Druck von mindestens 585 kPA, insbesondere einen Druck von 690 bis 1725 kPa, verdichtet und dann in einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufgeteilt wird, der erste Teil als Oxidationsmittel für einen Verbrennungsstrom mit Brennstoff gemischt wird, der Verbrennungsstrom in einer Brennzone bei einem Zünddruck von mindestens 550 kPa gezündet und erhitzt, sowie dann in einer Arbeitsturbine unter Erzeugung von äußerer Arbeit entspannt wird, mindestens ein Teil der äußeren Arbeit als Energie für das Verdichten der Einsatzluft zurückgewonnen wird, der zweite Teil der verdichteten Luft abgekühlt und in eine Hochdruckrektifikationsstufe eingeleitet wird, deren oberes Ende in Wärmeaustausch mit dem unteren Ende einer Niederdruckrektifikationsstufe steht, die gekühlte Luft in der Hochdruckrektifikationsstufe in eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit und eine stickstoffreiche Flüssigkeit zerlegt wird und mindestens ein Teil dieser Flüssigkeiten in die Niederdruckrektifikationsstufe zwecks Zerlegung in Sauerstoffgas niedriger Reinheit und in stickstoffreiches Gas übergeleitet wird, sowie aus der Niederdruckrektifikationsstufe ein Produktstrom aus Sauerstoff niedriger Reinheit und mindestens ein stickstoffreicher Gasstrom ausgetragen werden, von dem mindestens ein Teil stromaufwärts von der Arbeitsturbine in den Verbrennungsstrom eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Einsatzluftstrom auf mindestens 585 kPa verdichtet und gekühlt sowie dann der Hochdruckrektifikationsstufe (16) zugeführt wird, daß die Niederdruckrektifikationsstufe (19) bei einem Druck betrieben wird, der mindestens 135 kPa und vorzugsweise mindestens 205 kPa unter dem Zünddruck in der Brennzone (7, 40B) liegt, und daß das Niederdruckrektifikationsstufe (19) entnommene, zum Einleiten in den Verbrennungsstrom bestimmte stickstoffreiche Gas auf mindestens den Zünddruck verdichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenstrom des zusätzlichen Einsatzluftstroms im wesentlichen gleich dem Gesamtmassenstrom der Produktströme gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Einsatzluftstrom nach seinem Verdichten zusammen mit dem zweiten Teil der Einsatzluft vor dem Kühlen auf die Eintrittstemperatur der Hochdruckrektifikationsstufe (16) weiter verdichtet wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Kompressor zum Verdichten von Einsatzluft auf einen Druck von mindestens 585 kPa, einer Verbrennungseinrichtung mit einer Brennkammer, in die ein erster Teil der verdichteten Einsatzluft und Brennstoff einspeisbar sind, einer an die Brennkammer angeschlossenen und mit dem Einsatzluftkompressor in Antriebsverbindung stehenden Turbine zum Entspannen von aus der Brennkammer kommendem Verbrennungsgas auf einen niedrigeren Druck unter Erzeugung von äußerer Arbeit, eitler Einrichtung zum Kühlen eines zweiten Teils
der Verdichteten Einsatzluft und einer Doppelrektifikationskolonne, die eine mit dem gekühlten zweiten Teil der Verdichteten Einsatzluft beaufschlagte, mit einem Druck von mindestens 585 kPa arbeitende Hochdruckstufe aufweist, deren oberes Ende über einen Wärmetauscher mit dem unteren Ende einer Niederdruckstufe verbunden ist und von der mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit und stickstoffreiche Flüssigkeit über eine gesonderte Leitungsanordnung zu der Niederdruckstufe überführbar sind, aus der Sauerstoff niedriger Reinheit austragbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Niederdruckrektifikationsstufe (19) und der Verbrennungseinrichtung (7, 40B) ein Kompressor (39) zum Verdichten von stickstoffreichem Gas auf einen Druck von mindestens 585 kPa angeordnet ist sowie daß ein Hilfskompressor (301) zum Verdichten des zusätzlichen Einsatzluftstroms auf einen Druck von mindestens 585 kPa vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Zusatzkompressor (200) zum weiteren Verdichten des zusätzlichen Einsatzluftstroms zusammen mit dem zweiten Teil der Einsatzluft
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