EP3101374A2 - Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

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EP3101374A2
EP3101374A2 EP16001082.3A EP16001082A EP3101374A2 EP 3101374 A2 EP3101374 A2 EP 3101374A2 EP 16001082 A EP16001082 A EP 16001082A EP 3101374 A2 EP3101374 A2 EP 3101374A2
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EP
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air
pressure level
gear
pressure
partial
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Withdrawn
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EP16001082.3A
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EP3101374A3 (de
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Dimitri Goloubev
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
    • F25J3/04296—Claude expansion, i.e. expanded into the main or high pressure column
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    • F25J2230/20—Integrated compressor and process expander; Gear box arrangement; Multiple compressors on a common shaft
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/04—Multiple expansion turbines in parallel

Definitions

  • the invention relates to a method and a plant for the cryogenic separation of air according to the preambles of the independent claims.
  • cryogenic separation of air in air separation plants is known and, for example at H.-W. Haring (ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, especially Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification
  • the present invention is particularly suitable for air separation plants with internal compression, as described above, Section 2.2.5.2, “Internal Compression” explained.
  • Air separation plants have distillation column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three-column or multi-column systems.
  • distillation columns for the recovery of nitrogen and / or oxygen in the liquid and / or gaseous state for example, liquid oxygen, LOX, gaseous oxygen, GOX, liquid nitrogen, LIN and / or gaseous nitrogen, GAN
  • distillation columns for nitrogen-oxygen Separation distillation columns can be provided for obtaining further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon.
  • the distillation column systems of air separation plants are operated at different operating pressures in their distillation columns.
  • Known double column systems have, for example, a so-called (high) pressure column and a so-called low-pressure column.
  • the operating pressure of the high-pressure column is, for example, 4.3 to 6.9 bar, in particular about 5.5 bar.
  • the low-pressure column is operated at an operating pressure of, for example, 1.2 to 1.7 bar, in particular about 1.4 bar.
  • the pressures given here are absolute pressures in the bottom of corresponding distillation columns.
  • the pressures mentioned below are also referred to as "distillation pressures", because in them the fractional distillation the respectively fed air takes place within the distillation columns. This does not exclude that other pressures may be present elsewhere in a distillation column system.
  • feed air cooled compressed air
  • compressors for example, main air compressors and booster
  • Products obtained in a corresponding air separation plant can also be pressurized with compressors (product compressors) or corresponding combinations of compressors.
  • the operating costs (OPEX) of an air separation plant are mainly determined by energy consumption, which in turn depends mainly on the energy consumption of the compressors (main air compressors, booster and product compressor, if any).
  • the investment costs (CAPEX) are also significantly determined by the cost of providing the compressors.
  • MAC International Main Air Compressor
  • BAC booster compressor
  • HAP High Air Pressure
  • the total feed air is compressed in a main air compressor to a pressure that is well above the distillation pressure in the high pressure column.
  • the pressure difference used is at least 4 bar and preferably between 6 and 16 bar.
  • HAP methods are for example from EP 2 466 236 A1 , of the EP 2 458 311 A1 and the US 5,329,776 A known, MAC / BAC method, for example, from the literature cited above.
  • the US 5 901 579A shows a coupled via a gearbox turbo compressor and turboexpander for use in a HAP process. From the EP 2 634 517 A1 and the EP 2 520 886 A1 Arrangements are known in which so-called cold compressors or cold booster (see below) are used.
  • Air separation plants can, as mentioned, be operated with so-called internal compression.
  • the internal compression for example, to provide the above-mentioned gaseous, internally compressed oxygen pressure, a liquid stream is removed from the distillation column system and at least partially brought to liquid pressure. The liquid brought to pressure is heated in a main heat exchanger of the air separation plant against a heat transfer medium and evaporated.
  • the liquid stream may in particular be liquid oxygen, but also nitrogen or argon.
  • the internal compression is thus used to obtain appropriate gaseous printed products.
  • the advantage of internal compression processes is that corresponding fluids do not have to be compressed outside the air separation plant in a gaseous state, which often proves to be very complicated and / or requires expensive safety measures.
  • the term "evaporation” includes, as also explained below, in the internal compression cases in which there is a supercritical pressure and therefore no phase transition takes place in the true sense.
  • the liquid pressurized stream is then "pseudo-evaporated".
  • a heat transfer medium is liquefied (or pseudo-liquefied if it is under supercritical pressure) against a (pseudo) vaporising stream.
  • the heat carrier is usually formed by a partial flow of the compressed feed air, which is referred to as inductor current.
  • inductor current In a warmer area of the used in the evaporation or pseudo-vaporization Heat exchanger can be introduced additional heat of vaporization by the so-called turbine flow (or by multiple turbine streams).
  • this heat transfer medium In order to efficiently heat and vaporize the stream brought to liquid pressure, this heat transfer medium must have a relatively high pressure due to thermodynamic conditions. Therefore, a correspondingly high-density power must be provided. If, for example, for use in the aforementioned CTX method or the gasification of heavy oil, but also in other scenarios, internally compressed pressure oxygen with high or very high pressures (for example, 50 bar and more) are provided, this is particularly true.
  • the present invention therefore has as its object to provide possibilities that allow to carry out a corresponding compression in a simple and efficient manner in a HAP process.
  • the present invention proposes a method and an installation for the cryogenic separation of air with the features of the independent claims.
  • Embodiments are each the subject of the dependent claims and the following description.
  • turbo compressors are used to compress the air. This applies, for example, to the “main (air) compressor”, which is characterized by the fact that through this the total amount of air fed into the air separation plant, ie the entire "feed air", is compressed.
  • additional turbo compressors are provided, which are also referred to as boosters.
  • turboexpander can be used. This applies in particular to the relaxation of a so-called turbine flow, as explained below.
  • Turboexpanders can also be coupled with turbo compressors (boosters) and drive them. If one or more turbocompressors without externally supplied energy, i. driven only by one or more turboexpander, the term "turbine booster" is used for such an arrangement.
  • turbocompressors and turboexpanders The mechanical structure of turbocompressors and turboexpanders is known to those skilled in principle.
  • a turbo compressor the compression of the air by means of blades, which are arranged on an impeller or directly on a shaft, a turbo-compressor forms a structural unit, however, which may have a plurality of "compressor stages".
  • a compressor stage typically includes an impeller or a corresponding array of blades. All of these compressor stages can be driven by a common shaft.
  • a turboexpander is basically designed to be comparable, but the blades are driven by the expanding air. Again, several expansion stages can be provided.
  • Turbo compressor and turboexpander can be designed as radial or axial machines.
  • the blades of a turbocompressor or turboexpander are “non-rotatably coupled” with another element, such as a drive wheel or output gear, this means that there is a mechanical connection between the blades and the other element.
  • the blades are, as mentioned, attached to one or more impellers or rotatably connected to a shaft, or directly to a shaft, so that a direct torque transmission between the shaft and blades is possible. In this way, each rotatably coupled to the shaft member is also rotatably coupled to the blades.
  • Such a “rotationally fixed coupling” causes a rotational speed equal and the same direction of rotation of the blades and the other element, such as the drive wheel or the driven wheel, about the axis of the Wave.
  • a coupling across a gear engagement is not a “non-rotatable coupling” in the sense explained.
  • a “drive wheel” is understood below to mean a gear which is acted on by a shaft with a torque, in particular by being coupled to the rotor blades of a turboexpander.
  • a “driven wheel” is a toothed wheel which in turn applies a torque to a shaft, in particular the shaft of a turbocompressor.
  • pressure level and "temperature level” to characterize pressures and temperatures, thereby indicating that corresponding pressures and temperatures need not be used in the form of exact pressure and temperature values, respectively, to the inventive concept realize.
  • pressures and temperatures typically range in certain ranges that are, for example, ⁇ 1%, 5%, 10%, 20% or even 50% about an average.
  • Corresponding pressure levels and temperature levels can be in disjoint areas or in areas that overlap one another. In particular, for example, pressure levels include unavoidable or expected pressure drops. The same applies to temperature levels.
  • the pressure levels indicated here in bar are absolute pressures.
  • a cold booster is understood to mean a turbocompressor which is charged with air at low temperatures, generally below 0 ° C. This is advantageously driven by means of a turboexpander.
  • a single stage compression of said current is merely a hypothetical example for illustration in the accompanying drawings FIG. 1 shown.
  • a single-stage compression is not sufficient to achieve the required pressures, since the achievable pressure ratio of the cold booster is limited (the pressure ratio ⁇ in corresponding turbocompressors is usually not higher than 1.8 to 2.0).
  • the flow rate of the correspondingly high air flow to be compressed in an energy-optimized design, a second air flow is used at a lower pressure level) is much lower than the mass flow of the air, which is expanded in a usable for driving turboexpander. This would lead to very different specific speeds, which is why a corresponding unit is currently not buildable.
  • this problem could be circumvented by using a two-stage arrangement instead of a single-stage cold booster which is at least partially driven externally, for example by electrical energy.
  • this is not desirable as a rule, since this would cause additional costs both by the required provision of an electric motor and by the dimensioning of the local medium-voltage network.
  • HAP methods can, as explained below, manage completely without the use of electric motors for compression, so that the provision of an electric motor and the required infrastructure would be particularly disadvantageous here.
  • FIG. 2 Another arrangement, also for purposes of illustration only, is FIG. 2 shown and explained below.
  • a corresponding arrangement has not been considered in the cold part of a corresponding system so far, but is known per se and has already been used in "warm” turbine booster, if there are very different flow rates.
  • the ratios of the volumetric flows remained too unbalanced, so that such a unit because of too different specific speeds currently also not buildable.
  • the amount of inductor current would have to be increased and the amount of turbine flow reduced. As a result, however, the method loses efficiency because the final pressure of the throttle current would be lower.
  • the present invention was therefore based on the search for an arrangement which allows a two-stage compression of the throttle flow at optimum proportions by means of a turbine drive.
  • a compression / expansion arrangement in which several (ie two or more) driving turboexpanders are connected in parallel and two or more turbo compressors are connected in series, solves the problems explained above.
  • an intermediate transmission is used as explained below in the context of the invention.
  • the use of such an intermediate gear allows the decoupling of specific speeds and allows the desired drive.
  • the inventively proposed arrangement is similar to a so-called Compander, in which a turbo compressor is coupled with a turboexpander via an intermediate gear. According to the invention, however, neither a generator nor an engine are needed.
  • the present invention proposes a process for the distillative cryogenic separation of feed air in a distillation column system of an air separation plant at different distillation pressures.
  • the total feed air is compressed in a total amount of air to a first pressure level, which is at least 4 to 5 bar above the highest of the distillation pressures.
  • a first pressure level which is at least 4 to 5 bar above the highest of the distillation pressures.
  • an HAP method explained at the outset is used.
  • the total feed air is compressed to a pressure level which is at least 4 to 5 bar above such pressure, that is, for example at least 11, 12, 13, 14, 15 or 16 bar. Specific values are explained below.
  • a first partial air quantity of the mentioned total air quantity is first cooled to a first temperature level of 130 to 170 K, typically in a main heat exchanger of a corresponding air separation plant, and then compressed to a second pressure level which is at least 10 bar above the first pressure level ,
  • the present invention is thus used in HAP processes in which comparatively high pressures are generated, for example in order to be able to provide internally compressed printed products at correspondingly high pressures, as explained below.
  • a second partial air quantity is first cooled to a second temperature level of 110 to 150 K and then released to a third pressure level which is below the first pressure level and, for example, at the highest of the distillation pressures, ie the operating pressure of the high pressure column can.
  • the cooling to the second temperature level can also be done in a main heat exchanger of the air separation plant.
  • the present invention contemplates using a compression / expansion assembly with a transmission in which a drive wheel is engaged with a gear and the gear is engaged with a driven gear.
  • a drive wheel With the drive wheel, the blades of two or more turboexpander and the driven wheel, the blades of two or more turbocompressors in the above-described sense are rotatably coupled.
  • the first partial air quantity is performed for compression to the second pressure level in succession by the turbo-compressor and the second partial air volume for relaxation to the third pressure level in parallel through the turboexpander.
  • a "parallel" guiding by a plurality of turboexpanders is understood to mean that the second partial air quantity is divided into two or more partial flows and each of the partial flows is guided through one of the turboexpanders.
  • the speeds of each turbo compressor and turboexpander used are adapted to each other.
  • very high pressure differences can be generated, which would not be achieved with only one compressor unit.
  • the invention also allows the use of first and second partial air quantities in significantly different orders of magnitude, since the use of the transmission speed differences can be compensated.
  • the guided through the turbo compressor first partial air amount is present at the first temperature level explained. Therefore, the turbocompressors are operated as a cold booster.
  • turboexpanders are connected in parallel in the context of the present invention, the mechanical loads that occur can be distributed symmetrically and the individual turboexpanders can be made smaller and less expensive.
  • the blades are coupled on both sides of the driven gear each with a driven shaft coupled to the first shaft. In this way, asymmetric loads can be reduced and wear reduced.
  • a torque transmitted to the gear wheel by means of the drive wheel is greater than or equal to a torque transmitted to the output gear by means of the gear wheel. So there is no need to provide additional drives such as an electric motor, the turbocompressors can only be driven by the turboexpander.
  • a further advantage of the compression / expansion arrangement according to the invention is that flexible additional driving or driven gears can be brought into engagement with the gear wheel and therefore the method can be expanded as desired.
  • one or more further turboexpanders driving via a drive wheel and / or one or more turbo compressors driven by the turbine wheel via a driven wheel can be used.
  • the gear itself is preferably not rotatably coupled with turbo expanders and / or turbo compressors, but preferably transmits only torques between drive and driven wheels.
  • the gear on the one hand and the driving or driven units on the other hand for example, the blades of turboexpanders and turbocompressors
  • the driving or driven units on the other hand for example, the blades of turboexpanders and turbocompressors
  • the driving or driven units can be operated with equal speed to each other.
  • the second pressure level is thus at comparatively high values, which make the use of a single booster no longer possible, since in this, as explained, the achievable pressure difference is too low.
  • the third pressure level which is below the first pressure level, may, for example, be at the highest of the distillation pressures in the distillation column arrangement, for example the pressure level at which a high pressure column is operated.
  • the third pressure level is "at” the highest of the distillation pressures, it is meant that the third pressure level does not deviate by more than 1 bar from the highest of the distillation pressures of the distillation column arrangement.
  • the present invention is particularly suitable when the respective partial air volumes differ significantly from one another. This is the case in particular if the first partial air quantity corresponds to 0.2 times to 0.6 times the second partial air quantity and / or if the first and the second partial air quantities together are 0.3 times to 0.6 times correspond to the total amount of air.
  • the ratios mentioned relate in each case to standard volumes per unit time, ie standard volume flows, for example standard cubic meters per hour (Nm 3 / h).
  • standard volume flows for example standard cubic meters per hour (Nm 3 / h).
  • the differences in the actual volumetric flows present are much higher because there are widely differing pressures.
  • the method of the present invention is due to the use of the illustrated transmission.
  • the second partial air quantity before cooling to the second temperature level is compressed from the first pressure level to an intermediate pressure level which is below the second pressure level.
  • another turbo-compressor can be used. This can be powered by a (for the purpose of providing the necessary cooling capacity for the entire process) turboexpander, which relaxes another stream.
  • the process of the invention develops particular advantages when the distillation column system is taken from a liquid, oxygen-rich air product, increased in pressure and then transferred by heating from the liquid to the supercritical or gaseous state, ie for internal compression processes.
  • the liquid, oxygen-rich air product can be liquid-pressure-elevated to the first pressure level or another high pressure level.
  • the invention is therefore particularly suitable for processes in which corresponding internal compression products are to be provided at high pressures.
  • the air compressors are typically driven by steam turbines.
  • the steam turbines used in this case are typically twin-shaft turbines, which are set up for the simultaneous drive of main and secondary compressors (MAC and BAC in MAC / BAC method) by means of one of the shafts in each case.
  • a typically additionally required nitrogen product compressor requires its own drive in the form of an electric motor in a MAC / BAC method. This causes additional costs, as explained above. Therefore, HAP methods are particularly advantageous because here the product compressor can be driven directly via one of the shafts of the steam turbine (the booster falls away). Such systems therefore benefit particularly from solutions that do not require electric drives.
  • the present invention further relates to an air separation plant, which is set up for the distillative cryogenic separation of feed air in a distillation column system at different distillation pressures.
  • This plant has means which are adapted to compress the total feed air in a total amount of air to a first pressure level which is at least 4 to 5 bar above the highest of the distillation pressures, from the total amount of air a first partial air amount initially to a first temperature level of 130 to cool to 170 K and thereafter to compress to a second pressure level which is at least 10 bar above the first pressure level, and to first cool a second partial air volume to a second temperature level of 110 to 150 K and thereafter to relax to a third temperature level below that first pressure levels.
  • the system is characterized by a compression / expansion arrangement with a transmission, in which according to the invention a drive wheel with a gear and the gear is in engagement with a driven gear.
  • a drive wheel with a gear and the gear is in engagement with a driven gear.
  • the blades of two or more turboexpander and the driven wheel With the drive wheel, the blades of two or more turboexpander and the driven wheel, the blades of two or more turbo compressors are coupled.
  • Means are provided which are adapted to lead the first partial air quantity for compression to the second pressure level in succession through the turbo-compressor and the second partial air volume for expansion to the third pressure level in parallel through the turboexpanders.
  • an arrangement is used in the context of the present invention, in which at least one further drive wheel and / or at least one further output gear is in engagement with the gear wheel.
  • further driving or driven units can be coupled with a corresponding compression / expansion arrangement in a simple and flexible manner.
  • the present invention is suitable for air separation plants, in which the compression / expansion arrangement comprises two turbocompressors, the blades are coupled on both sides of the driven gear with a driven shaft coupled to the first shaft, and / or two turboexpander, the blades on both sides of the drive wheel with a coupled to the drive wheel coupled second shaft.
  • the compression / expansion arrangement comprises two turbocompressors
  • the blades are coupled on both sides of the driven gear with a driven shaft coupled to the first shaft
  • / or two turboexpander the blades on both sides of the drive wheel with a coupled to the drive wheel coupled second shaft.
  • FIG. 1 an air separation plant for illustrating the underlying object of the invention in the form of a schematic process flow diagram is illustrated and designated 100 in total.
  • the air separation plant 100 is fed via a filter 1 feed air (AIR), which is compressed by means of a main air compressor 2.
  • AIR filter 1 feed air
  • the compression of the feed air in the main air compressor 2 takes place at pressure level, which is referred to in this application as "first" pressure level and which is significantly higher than the maximum operating pressure of a below explained distillation column system 10 of the air separation plant 100.
  • the process performed in the air separation plant 100 So is a HAP method as explained above.
  • the first pressure level is for example about 14.5 bar.
  • the compressed by the main air compressor 2 amount of air flow c is referred to here as "total air amount”. This is, for example, about 655,000 Nm 3 / h.
  • a compressed air flow a provided in this way is precooled in a direct contact cooler 3, which is charged inter alia with a cooled water flow b from an evaporative cooler 4.
  • the operation of the direct contact cooler 3 and the evaporative cooler 4 will not be explained in detail.
  • a correspondingly cooled compressed air flow now denoted by c, is fed to an adsorber 5, which in the illustrated example comprises two adsorber vessels filled with a suitable adsorption material and operated in alternating operation and whose operation is likewise not explained in detail.
  • evaporative cooler 4 and the Adsorbersatz 5 can be used for cooling or regeneration, for example, a stream d, which is taken from the distillation column system 10 as a so-called impure nitrogen and processed in a suitable manner.
  • a steam heater 6 is used.
  • a dried in the Adsorbersatz 5 compressed air flow is denoted by d. This is divided in the example shown in two sub-streams e and f.
  • the partial flow e is then divided again into two partial flows g and h and fed to a main heat exchanger 7 on the hot side.
  • the partial flow g is the explained turbine flow
  • the partial flow h is a (second) throttle flow with lower pressure.
  • the partial flow f is further compressed in a booster turbine 8, cooled in a not separately designated aftercooler, split again into two partial flows i and k and fed to the main heat exchanger 8 on the hot side.
  • the partial flow i is a higher pressure (first) throttle flow to be compressed
  • the partial flow k is a flow to be expanded to provide cooling power.
  • All sub-streams e to k thus each comprise partial air quantities of the total air quantity of the stream a, c or d.
  • the partial air quantity encompassed by stream i for example approx. 102,000 Nm 3 / h, is referred to here as the "first" partial air quantity
  • the partial air quantity comprised by stream g for example approx. 307,000 Nm 3 / h
  • the partial air volume of the total amount of air comprised by stream h is, for example, approximately 55,000 Nm 3 / h.
  • the division is arbitrary and can, in deviation from the specific example, also be carried out in a different order.
  • the partial flows g, i and k are taken from the main heat exchanger 7 respectively to intermediate temperature levels, the intermediate temperature level at which the partial flow i is taken from the main heat exchanger 7, taken here as the "first" temperature level and the intermediate temperature level at which the partial flow g from the main heat exchanger 7 is referred to as the "second" temperature level.
  • the partial flow h is removed from the main heat exchanger 7 cold side.
  • air separation plant is to provide internally compressed pressure oxygen at a high pressure level, for example, to about 57 bar, and set in an amount of, for example, about 135,000 Nm 3 / h.
  • a liquid, oxygen-rich stream I is removed, increased pressure by means of a pump 9 and transferred in the Hautpsagen (2004)er 7 from the liquid to the supercritical state at the mentioned pressure.
  • the partial flow i would have to be compressed after removal from the main heat exchanger 7 at the first intermediate temperature level by means of the booster turbine 101, starting from the achieved in the booster turbine 8 pressure level of, for example, about 17 bar to a pressure level of, for example, about 57 bar.
  • a corresponding pressure level is referred to herein as a "second" pressure level.
  • the partial flow i is fed to the main heat exchanger 7 at an intermediate temperature level and removed from it on the cold side.
  • the partial flows h and i are in the example shown downstream of the main heat exchanger 7 to a lower pressure level, for example, the pressure level of a pressure column in the distillation column assembly 10 of about 5.2 bar, relaxed.
  • a pressure level can also take place for the partial flows g and k in the respective expansion turbines of the booster turbines 8 and 101, respectively.
  • the partial streams g to k are fed into the distillation column system 10 mentioned a number of times, which here is represented in a highly schematized and miniaturized manner and typically comprises a plurality of distillation columns operated at different operating pressures.
  • a high-pressure column 11 and a low-pressure column 12 are shown, which are in heat exchanging connection via a main capacitor 13.
  • the high-pressure column 11 is operated, for example, at the pressure level to which the currents g to k are relaxed.
  • the streams g to k are typically fed into the high pressure column 11, but it can also be partially fed into the low pressure column 12.
  • the interconnection of the high-pressure column 11 and the low-pressure column 12 is not shown in detail, as well as additional columns, valves, pumps, heat exchangers and the like.
  • the distillation column system 10 may comprise any number of corresponding columns and may be configured to recover different products of air.
  • the distillation column system 10 for example, a nitrogen-rich, liquid stream m can be removed, which also by means of a pump (without reference numerals) pressure-increased and in the main heat exchanger 7 in gaseous or supercritical state can be transferred.
  • Further nitrogen-rich streams n and o can be taken from the high-pressure column 11, for example in gaseous form, heated in the main heat exchanger 7 and used as gaseous nitrogen product (GAN) or sealing gas for pumps (seal gas).
  • GAN gaseous nitrogen product
  • sealing gas for pumps
  • FIG. 2 an air separation plant to illustrate the underlying task of the invention in the form of a schematic process flow diagram is illustrated and indicated generally at 200.
  • FIG. 2 illustrated air separation plant 200, which incidentally the in FIG. 1 illustrated air separation plant 100, it is explained that even a use of serial booster or parallel turboexpander alone does not solve the problems explained above or is not technically feasible.
  • the partial flow i in the boosters of two booster turbines 201 and 202 would be compressed via an intermediate pressure level of, for example, about 31 bar to the previously described second pressure level of, for example, about 57 bar.
  • the partial flow i can, as in FIG. 2 not illustrated, after exiting the boosters of the booster turbine 201 and before entering the boosters of the booster turbine 202, for example, are cooled in the main heat exchanger 7, so that its inlet temperature in the boosters of the booster turbines 201 and 202 is the same or similar.
  • the partial flow g would be divided into two partial flows and expanded in the turboexpanders assigned to the booster turbines 201 and 202.
  • the turboexpander would only have to process half of the "second" partial air quantity of the stream g, ie in the example shown, in each case, for example, about 153,000 Nm 3 / h. Nevertheless, the volume flow through the booster of the booster turbine 202 would still be too small for the volume flow through the corresponding turboexpander and thus the specific speeds are too different, so that this solution is also not feasible.
  • FIG. 3 a compression / deflation arrangement according to an embodiment of the invention is schematically illustrated and indicated generally at 30.
  • the integration results from the corresponding designation of the partial flows g and i. These are in each case the streams g and i downstream of the main heat exchanger 7.
  • the mentioned first partial air quantity of the total amount of air as mentioned, for example, about 102,000 Nm 3 / h at a pressure level of about 17 bar, in the form of the partial flow i is successively guided by two turbo compressors 31 and 32 and thereby to the mentioned second pressure level of for example approx 57 bar compressed.
  • the pressure of the partial flow i between the turbocompressors 31 and 32 is for example about 31 bar.
  • a cooling of the current i in the main heat exchanger 7 or otherwise take place.
  • the second partial air amount of the total amount of air is divided in the form of the partial flow g on two partial streams and relaxed in parallel in two turboexpanders 33 and 34, as mentioned for example, about 5.2 bar.
  • the turbocompressors 31 and 32 and the turboexpanders 33 and 34 are connected to each other via shafts 35 and 36, respectively.
  • a driven gear 37 is mounted on the shaft 37 of the turboexpander 33 and 34, a drive wheel 38. Both with the driven gear 37 and the drive wheel 38 is a gear 39 is engaged.
  • a torque introduced into the shaft 36 by the parallel relaxation of the partial flows of the flow g in the turboexpanders 33 and 34 can be introduced via the drive wheel 38 to the gear wheel 39 and from there via the output gear 37 into the shaft 35.
  • the gear 39 and the driven gear 37 can be ensured that, as mentioned, greatly different volume flows in the turboexpanders 31 and 32 on the one hand and in the turbocompressors 33 and 34 on the other hand copes easily can be.
  • FIG. 4 a compression / expansion arrangement not according to the invention is illustrated schematically and designated 40 as a whole.
  • Compression / expansion arrangement 40 can also be used instead of the booster turbine 101 or the booster turbines 201 and 202 in an air separation plant 100 or 200 in accordance with FIGS. 1 and 2 to be involved.
  • the integration also results here by the corresponding designation of the partial flows g and i. These are in each case the streams g and i downstream of the main heat exchanger 7.

Landscapes

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur destillativen Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft in einem Destillationssäulensystem (10) einer Luftzerlegungsanlage bei unterschiedlichen Destillationsdrücken vorgeschlagen, wobei die gesamte Einsatzluft in einer Gesamtluftmenge auf ein erstes Druckniveau verdichtet wird, das mindestens 4 bis 5 bar oberhalb des höchsten der Destillationsdrücke liegt, und von der Gesamtluftmenge eine erste Teilluftmenge zunächst auf ein erstes Temperaturniveau von 130 bis 170 abgekühlt und danach auf ein zweites Druckniveau verdichtet wird, das mindestens 10 bar oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, und eine zweite Teilluftmenge zunächst auf ein zweites Temperaturniveau von 110 bis 150 K abgekühlt und danach auf ein drittes Druckniveau entspannt wird, das unterhalb des ersten Druckniveaus liegt. Es ist vorgesehen, dass eine Verdichtungs-/Entspannungsanordnung (30, 40) mit einem Getriebe verwendet wird, in dem ein Antriebsrad (38) mit einem Getrieberad (39) und das Getrieberad (39) mit einem Abtriebsrad (37) in Eingriff steht, wobei mit dem Antriebsrad (38) die Laufschaufeln zweier oder mehrerer Turboexpander (33, 34) und mit dem Abtriebsrad (37) die Laufschaufeln zweier oder mehrerer Turboverdichter (31, 32) gekoppelt sind, und die erste Teilluftmenge zur Verdichtung auf das zweite Druckniveau nacheinander durch die Turboverdichter (31, 32) und die zweite Teilluftmenge zur Entspannung auf das dritte Druckniveau parallel durch die Turboexpander (33, 34) geführt wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100, 200) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
    • Stand der Technik
  • Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben. Die vorliegende Erfindung eignet sich in besonderer Weise für Luftzerlegungsanlagen mit Innenverdichtung, wie a.a.O., Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert.
  • Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den Destillationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand (beispielsweise flüssigem Sauerstoff, LOX, gasförmigem Sauerstoff, GOX, flüssigem Stickstoff, LIN und/oder gasförmigem Stickstoff, GAN), also den Destillationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Destillationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
  • Die Destillationssäulensysteme von Luftzerlegungsanlagen werden bei unterschiedlichen Betriebsdrücken in ihren Destillationssäulen betrieben. Bekannte Doppelsäulensysteme weisen beispielsweise eine sogenannte (Hoch-)Drucksäule und eine sogenannte Niederdrucksäule auf. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, insbesondere etwa 5,5 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Betriebsdruck von beispielsweise 1,2 bis 1,7 bar, insbesondere etwa 1,4 bar, betrieben. Bei den hier angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke im Sumpf entsprechender Destillationssäulen. Die genannten Drücke werden nachfolgend auch als "Destillationsdrücke" bezeichnet, weil bei ihnen die fraktionierte Destillation der jeweils eingespeisten Luft innerhalb der Destillationssäulen erfolgt. Dies schließt nicht aus, dass in einem Destillationssäulensystem an anderer Stelle auch noch andere Drücke vorliegen können.
  • In die Destillationssäulensysteme wird abgekühlte Druckluft (Einsatzluft) eingespeist, die mittels unterschiedlicher Verdichter oder Kombinationen aus unterschiedlichen Verdichtern (beispielsweise Hauptluftverdichtern und Nachverdichtern) auf Druck gebracht wird. Auch in einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage gewonnene Produkte können mit Verdichtern (Produktverdichtern) oder entsprechenden Kombinationen von Verdichtern auf Druck gebracht werden.
  • Die Betriebskosten (OPEX) einer Luftzerlegungsanlage werden im Wesentlichen vom Energieverbrauch bestimmt, der wiederum hauptsächlich vom Energieverbrauch der Verdichter (Hauptluftverdichter, Nachverdichter und Produktverdichter, falls vorhanden) abhängig ist. Die Investitionskosten (CAPEX) werden ebenfalls wesentlich durch die für die Bereitstellung der Verdichter aufzuwendenden Kosten bestimmt.
  • Bei der Luftzerlegung können Verfahren eingesetzt werden, bei denen die Einsatzluft mittels eines Hauptluftverdichters (engl. Main Air Compressor, MAC) in etwa auf den Druck der Hochdrucksäule gebracht und nur ein Teil der Einsatzluft mittels eines Nachverdichters (engl. Booster Air Compressor, BAC) nachverdichtet und zur Innenverdichtung von Sauerstoff (siehe unten) bzw. zur Kälteerzeugung genutzt wird. Diese eher konventionellen Verfahren werden auch als MAC/BAC-Verfahren bezeichnet.
  • Neuerdings werden anstelle der MAC/BAC-Verfahren zunehmend sogenannte HAP-Verfahren (engl. High Air Pressure) eingesetzt, da diese im Vergleich zu den MAC/BAC-Verfahren Vorteile bieten können. HAP-Verfahren sind insbesondere bei der Kohlevergasung oder Kohleverflüssigung (engl. Coal to Gas, Coal to Liquids, CTX) oder der Vergasung von Schweröl von Vorteil. Die hier eingesetzten Luftzerlegungsanlagen müssen in der Regel ausschließlich oder nahezu ausschließlich Gasprodukte (gasförmigen, innenverdichteten Drucksauerstoff, GOXIC bzw. Druckstickstoff, PGAN) liefern, wobei kein Bedarf nach einer nennenswerten Flexibilität in der Verfahrensführung besteht.
  • Bei einem HAP-Verfahren wird die gesamte Einsatzluft in einem Hauptluftverdichter auf einen Druck verdichtet, der deutlich über dem Destillationsdruck in der Hochdrucksäule liegt. Der verwendete Druckunterschied beträgt dabei mindestens 4 bar und vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar. Derartige HAP-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 466 236 A1 , der EP 2 458 311 A1 und der US 5 329 776 A bekannt, MAC/BAC-Verfahren beispielsweise aus der eingangs zitierten Fachliteratur.
  • Die US 5 901 579 A zeigt eine über ein Getriebe gekoppelte Turboverdichter und Turboexpander zum Einsatz in einem HAP-Verfahren. Aus der EP 2 634 517 A1 und der EP 2 520 886 A1 sind Anordnungen bekannt, bei denen sogenannte Kaltverdichter bzw. Kaltbooster (siehe unten) zum Einsatz kommen.
  • Luftzerlegungsanlagen können, wie erwähnt, mit sogenannter Innenverdichtung betrieben werden. Bei der Innenverdichtung, beispielsweise zur Bereitstellung des erwähnten gasförmigen, innenverdichteten Drucksauerstoffs, wird dem Destillationssäulensystem ein flüssiger Strom entnommen und zumindest zum Teil flüssig auf Druck gebracht. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird in einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage gegen einen Wärmeträger erwärmt und verdampft. Bei dem flüssigen Strom kann es sich insbesondere um flüssigen Sauerstoff, jedoch auch um Stickstoff oder Argon handeln. Die Innenverdichtung wird damit zur Gewinnung entsprechender gasförmiger Druckprodukte eingesetzt. Der Vorteil an Innenverdichtungsverfahren ist unter anderem, dass entsprechende Fluide nicht außerhalb der Luftzerlegungsanlage in gasförmigem Zustand verdichtet werden müssen, was sich häufig als sehr aufwendig erweist und/oder aufwendige Sicherheitsmaßnahmen erfordert.
  • Der Begriff "Verdampfen" schließt, wie auch nachfolgend noch erläutert, bei der Innenverdichtung Fälle ein, bei denen ein überkritischer Druck herrscht und daher kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne stattfindet. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird dann "pseudoverdampft". Gegen einen (pseudo-)verdampfenden Strom wird ein Wärmeträger verflüssigt (bzw. pseudoverflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht). Der Wärmeträger wird dabei üblicherweise durch einen Teilstrom der verdichteten Einsatzluft gebildet, der als Drosselstrom bezeichnet wird. In einem wärmeren Bereich des bei der Verdampfung oder Pseudoverdampfung eingesetzten Wärmetauschers kann zusätzliche Verdampfungswärme durch den sogenannten Turbinenstrom (bzw. durch mehrere Turbinenströme) eingebracht werden.
  • Um den flüssig auf Druck gebrachten Strom effizient erwärmen und verdampfen zu können, muss dieser Wärmeträger aufgrund thermodynamischer Gegebenheiten einen relativ hohen Druck haben. Daher muss ein entsprechend hoch verdichteter Strom bereitgestellt werden. Soll, beispielsweise zum Einsatz in den erwähnten CTX-Verfahren bzw. der Vergasung von Schweröl, aber auch in anderen Einsatzszenarien, innenverdichteter Drucksauerstoff mit hohen oder sehr hohen Drücken (beispielsweise mit 50 bar und mehr) bereitgestellt werden, gilt dies in besonderer Weise.
  • Dies kann zu Problemen führen, die sich mit herkömmlichen Maßnahmen nicht oder nur in nachteiliger Weise beheben lassen, wie unten im Detail erläutert. Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Möglichkeiten zu schaffen, die es erlauben, in einem HAP-Verfahren eine entsprechende Verdichtung auf einfache und effiziente Weise durchführen zu können.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deren Grundlagen und die verwendeten Begriffe erläutert.
  • In Luftzerlegungsanlagen kommen zur Verdichtung der Luft Turboverdichter zum Einsatz. Dies gilt für beispielsweise für den "Haupt(luft)verdichter", der sich dadurch auszeichnet, dass durch diesen die gesamte in die Luftzerlegungsanlage eingespeiste Luftmenge, also die gesamte "Einsatzluft", verdichtet wird. Ein "Nachverdichter", in dem in MAC/BAC-Verfahren ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Luftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird, ist typischerweise ebenfalls als Turboverdichter ausgebildet. Zur (anschließenden) Verdichtung von Teilluftmengen sind typischerweise weitere Turboverdichter vorgesehen, die auch als Booster bezeichnet werden.
  • An mehreren Stellen in Luftzerlegungsanlagen wird ferner Luft entspannt, wozu unter anderem Turboexpander zum Einsatz kommen können. Dies gilt insbesondere für die Entspannung eines sogenannten Turbinenstroms, wie unten erläutert. Turboexpander können auch mit Turboverdichtern (Boostern) gekoppelt sein und diese antreiben. Werden ein oder mehrere Turboverdichter ohne extern zugeführte Energie, d.h. nur über einen oder mehrere Turboexpander, angetrieben, wird für eine derartige Anordnung auch der Begriff "Turbinenbooster" verwendet.
  • Der mechanische Aufbau von Turboverdichtern und Turboexpandern ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. In einem Turboverdichter erfolgt die Verdichtung der Luft mittels Laufschaufeln, die auf einem Laufrad oder direkt auf einer Welle angeordnet sind, Ein Turboverdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch mehrere "Verdichterstufen" aufweisen kann. Eine Verdichterstufe umfasst in der Regel ein Laufrad oder eine entsprechende Anordnung von Laufschaufeln. Alle dieser Verdichterstufen können von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Ein Turboexpander ist grundsätzlich vergleichbar ausgebildet, wobei die Laufschaufeln jedoch durch die expandierende Luft angetrieben werden. Auch hier können mehrere Expansionsstufen vorgesehen sein. Turboverdichter und Turboexpander können als Radial- oder Axialmaschinen ausgebildet sein.
  • Ist nachfolgend davon die Rede, dass "die Laufschaufeln" eines Turboverdichters oder Turboexpanders mit einem anderen Element, beispielsweise einem Antriebsrad oder Abtriebsrad "drehfest gekoppelt" sind, bedeutet dies, dass eine mechanische Verbindung zwischen den Laufschaufeln und dem anderen Element besteht. Die Laufschaufeln sind, wie erwähnt, an einem oder mehreren Laufrädern, das oder die drehfest mit einer Welle verbunden sind, oder direkt an einer Welle befestigt, so dass eine direkte Momentenübertragung zwischen Welle und Laufschaufeln möglich ist. Auf diese Weise ist jedes mit der Welle drehfest gekoppelte Element auch mit den Laufschaufeln drehfest gekoppelt. Eine derartige "drehfeste Kopplung" bewirkt eine drehzahlgleiche und drehrichtungsgleiche Rotation der Laufschaufeln und des weiteren Elements, beispielsweise des Antriebsrads oder des Abtriebsrads, um die Achse der Welle. Eine Kopplung über einen Zahnradeingriff hinweg ist keine "drehfeste Kopplung" im erläuterten Sinn.
  • Unter einem "Antriebsrad" wird nachfolgend ein Zahnrad verstanden, das von einer Welle mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, indem es insbesondere mit den Laufschaufeln eines Turboexpanders gekoppelt ist. Ein "Abtriebsrad" ist dagegen ein Zahnrad, das seinerseits eine Welle mit einem Drehmoment beaufschlagt, insbesondere die Welle eines Turboverdichters.
  • Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei den hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
  • Um ein HAP-Verfahren effizient gestalten zu können, bzw. um innenverdichteten gasförmigen Drucksauerstoff bei hohen Drücken effizient bereitstellen zu können, wird, wie eingangs erwähnt, ein Luftstrom auf vergleichsweise hohem Druck benötigt. Dieser Druck liegt nochmals deutlich höher als der bei HAP-Verfahren bereits hohe Druck der insgesamt verdichteten Luft und wird typischerweise mittels sogenannter Kaltbooster erzeugt. Unter einem Kaltbooster wird ein Turboverdichter verstanden, der mit Luft auf tiefen Temperaturen, generell unterhalb von 0 °C, beschickt wird. Dieser wird vorteilhafterweise mittels eines Turboexpanders angetrieben.
  • Eine einstufige Verdichtung des genannten Stroms, der auch als Drosselstrom bezeichnet wird, ist lediglich als hypothetisches Beispiel zur Veranschaulichung in der beigefügten Figur 1 gezeigt. Eine einstufige Verdichtung reicht zur Erzielung der erforderlichen Drücke nicht aus, da das erzielbare Druckverhältnis am Kaltbooster begrenzt ist (das Druckverhältnis Π bei entsprechenden Turboverdichtern liegt in der Regel nicht höher als 1,8 bis 2,0). Außerdem ist der Mengenstrom des entsprechend hoch zu verdichtenden Luftstroms (bei einer energieoptimierten Auslegung wird ein zweiter Luftstrom auf niedrigerem Druckniveau eingesetzt) viel geringer als der Mengenstrom der Luft, die in einem zum Antrieb verwendbaren Turboexpander entspannt wird. Dies würde zu stark unterschiedlichen spezifischen Drehzahlen führen, weshalb eine entsprechende Einheit derzeit nicht baubar ist.
  • Dieses Problem könnte grundsätzlich dadurch umgangen werden, dass anstelle eines einstufigen Kaltboosters eine zweistufige Anordnung eingesetzt wird, die zumindest teilweise extern, beispielsweise mit elektrischer Energie, angetrieben wird. Dies ist allerdings in der Regel nicht erwünscht, da hierdurch sowohl durch die erforderliche Bereitstellung eines Elektromotors als auch durch die Dimensionierung des lokalen Mittelspannungsnetzes zusätzliche Kosten verursacht würden. Insbesondere HAP-Verfahren können, wie nachfolgend erläutert, vollständig ohne die Verwendung von Elektromotoren zur Verdichtung auskommen, so dass die Bereitstellung eines Elektromotors und der erforderlichen Infrastruktur hier besonders nachteilig wäre. Insbesondere bei großen CTX-Projekten oder in Verfahren zur Vergasung von Schweröl, bei denen Luftzerlegungsanlagen unter Verwendung von HAP-Verfahren betrieben werden, und für die sich die vorliegende Erfindung besonders eignet, müssen bei den verwendeten hohen Luftmengen ohnehin mehrere Turboexpander eingesetzt werden (die gesamte gasförmige Luft für die Rektifikation wird bei einem HAP-Verfahren über entsprechende Turboexpander entspannt), so dass es sich empfiehlt, die Verdichtung des Drosselstroms hierüber, d.h. ohne externe elektrische Energie, vorzunehmen.
  • Eine weitere Anordnung ist, ebenfalls lediglich zu Zwecken der Veranschaulichung, in Figur 2 gezeigt und unten erläutert. Eine entsprechende Anordnung wurde zwar im kalten Teil einer entsprechenden Anlage bislang nicht in Erwägung gezogen, ist aber an sich bekannt und wurde bereits bei "warmen" Turbinenboostern eingesetzt, wenn dort sehr unterschiedliche Volumenströme vorliegen. Würde eine derartige Anordnung im "kalten" Teil einer entsprechenden Anlage eingesetzt, wie in Figur 2 gezeigt, blieben die Verhältnisse der Volumenströme insbesondere im Falle des zweiten Kaltboosters, wo ein Enddruck von ca. 57 bar (bei ähnlichem Druck des innenverdichteten Sauerstoffs) erzeugt wird, jedoch zu unausgeglichen, so dass eine derartige Einheit wegen zu unterschiedlichen spezifischen Drehzahlen derzeit ebenfalls nicht baubar ist. Um die beschriebenen Einheiten baubar zu machen, müsste die Menge des Drosselstroms erhöht und die Menge des Turbinenstroms verringert werden. Dadurch verlöre das Verfahren jedoch an Effizienz, da der Enddruck des Drosselstroms geringer ausfallen würde.
  • Der vorliegenden Erfindung lag daher die Suche nach einer Anordnung zugrunde, die es erlaubt, eine zweistufige Verdichtung des Drosselstroms bei optimalen Mengenverhältnissen mittels eines Turbinenantriebs zu ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Verdichtungs-/Entspannungsanordnung, in der mehrere (also zwei oder mehr) antreibende Turboexpander parallel und zwei oder mehrere Turboverdichter seriell geschaltet sind, die oben erläuterten Probleme löst. Anstelle eines direkten Antriebs bzw. einer direkten Übertragung über eine Welle wird im Rahmen der Erfindung ein Zwischengetriebe wie unten erläutert eingesetzt. Der Einsatz eines derartigen Zwischengetriebes erlaubt die Entkopplung von spezifischen Drehzahlen und ermöglicht den gewünschten Antrieb. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung ähnelt dabei einem sogenannten Compander, in dem ein Turboverdichter mit einem Turboexpander über ein Zwischengetriebe gekoppelt ist. Erfindungsgemäß werden dabei jedoch weder ein Generator noch ein Motor benötigt.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur destillativen Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft in einem Destillationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage bei unterschiedlichen Destillationsdrücken vor. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gesamte Einsatzluft in einer Gesamtluftmenge auf ein erstes Druckniveau verdichtet, das mindestens 4 bis 5 bar oberhalb des höchsten der Destillationsdrücke liegt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommt also ein eingangs erläutertes HAP-Verfahren zum Einsatz. Wie erwähnt, kann der höchste der Betriebsdrücke in einem entsprechenden Destillationssäulensystem, d. h. der Betriebsdruck in der (Hoch-) Drucksäule beispielsweise bei 4,3 bis 6,9 bar, beispielsweise bei 5,2 bar, liegen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also die gesamte Einsatzluft auf ein Druckniveau verdichtet, das mindestens 4 bis 5 bar über einem derartigen Druck liegt, also beispielsweise mindestens 11, 12, 13, 14, 15 oder 16 bar beträgt. Spezifische Werte sind unten erläutert.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von der erwähnten Gesamtluftmenge eine erste Teilluftmenge zunächst auf ein erstes Temperaturniveau von 130 bis 170 K abgekühlt, typischerweise in einem Hauptwärmetauscher einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage, und danach auf ein zweites Druckniveau verdichtet, das mindestens 10 bar oberhalb des ersten Druckniveaus liegt. Die vorliegende Erfindung kommt also in HAP-Verfahren zum Einsatz, bei denen vergleichsweise hohe Drücke erzeugt werden, beispielsweise, um, wie nachfolgend erläutert, innenverdichtete Druckprodukte auf entsprechend hohen Drücken bereitstellen zu können.
  • Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine zweite Teilluftmenge zunächst auf ein zweites Temperaturniveau von 110 bis 150 K abgekühlt und danach auf ein drittes Druckniveau entspannt, das unterhalb des ersten Druckniveaus liegt und beispielsweise bei dem höchsten der Destillationsdrücke, also dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule, liegen kann. Auch die Abkühlung auf das zweite Temperaturniveau kann in einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage erfolgen.
  • Wie zuvor erläutert, ergeben sich bei der gleichzeitigen Verdichtung und Entspannung entsprechender Teilluftmengen insbesondere dann Probleme, wenn hierbei die Verdichtung durch bei der Entspannung frei werdende Arbeit durchgeführt werden soll, d.h. wenn auf die Zufuhr externer (elektrischer) Energie verzichtet werden soll. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich die erste und die zweite Teilluftmenge deutlich unterscheiden, weil dies, wie erwähnt, zu deutlichen Drehzahlunterschieden führt.
  • Die vorliegende Erfindung sieht vor, eine Verdichtungs-/Entspannungsanordnung mit einem Getriebe zu verwenden, in dem ein Antriebsrad mit einem Getrieberad und das Getrieberad mit einem Abtriebsrad in Eingriff steht. Mit dem Antriebsrad sind die Laufschaufeln zweier oder mehrerer Turboexpander und mit dem Abtriebsrad die Laufschaufeln zweier oder mehrerer Turboverdichter im oben erläuterten Sinn drehfest gekoppelt. Die erste Teilluftmenge wird zur Verdichtung auf das zweite Druckniveau nacheinander durch die Turboverdichter und die zweite Teilluftmenge zur Entspannung auf das dritte Druckniveau parallel durch die Turboexpander geführt. Unter einem "parallelen" Führen durch mehrere Turboexpander wird dabei verstanden, dass die zweite Teilluftmenge in zwei oder mehr Teilströme aufgeteilt und jeder der Teilströme durch einen der Turboexpander geführt wird. Durch die Verwendung der Verdichtungs-/Entspannungsanordnung lässt sich das zuvor erläuterte Problem lösen, indem mittels des verwendeten Getriebes die Drehzahlen der jeweils eingesetzten Turboverdichter und Turboexpander aneinander angepasst werden. Durch einen seriellen Einsatz mehrerer Turboverdichter können sehr hohe Druckunterschiede erzeugt werden, die sich mit nur einer Verdichtereinheit nicht erreichen lassen würden. Die Erfindung erlaubt auch die Verwendung von ersten und zweiten Teilluftmengen in deutlich unterschiedlichen Größenordnungen, da durch die Verwendung des Getriebes Drehzahlunterschiede kompensiert werden können. Die durch die Turboverdichter geführte erste Teilluftmenge liegt auf dem erläuterten ersten Temperaturniveau vor. Daher werden die Turboverdichter als Kaltbooster betrieben.
  • Dadurch, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung mehrere Turboexpander parallel geschaltet sind, lassen sich die auftretenden mechanischen Belastungen symmetrisch auf diese verteilen und die einzelnen Turboexpander können kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden. Besondere Vorteile ergeben sich dabei, wenn zwei Turboverdichter verwendet werden, deren Laufschaufeln beidseitig des Abtriebsrads jeweils mit einer mit dem Abtriebsrad gekoppelten ersten Welle gekoppelt sind. Auf diese Weise lassen sich asymmetrische Belastungen verringern und die Abnutzung reduzieren.
  • Vorteilhafterweise ist ein mittels des Antriebsrads auf das Getrieberad übertragenes Drehmoment größer oder gleich einem mittels des Getrieberads auf das Abtriebsrad übertragenen Drehmoment. Es müssen also keine zusätzlichen Antriebe wie ein Elektromotor bereitgestellt werden, die Turboverdichter sind lediglich mittels der Turboexpander antreibbar.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verdichtungs-/Entspannungsanordnung liegt darin, dass mit dem Getrieberad flexibel weitere antreibende oder angetriebene Zahnräder in Eingriff gebracht werden können und sich daher das Verfahren beliebig erweitern lässt. Beispielsweise können auf diese Weise ein oder mehrere weitere über ein Antriebsrad antreibende Turboexpander und/oder ein oder mehrere durch das Turbinenrad über ein Abtriebsrad angetriebene Turboverdichter zum Einsatz kommen. Das Getrieberad selbst ist vorzugsweise nicht drehfest mit Turboexpandern und/oder Turboverdichtern gekoppelt, sondern überträgt vorzugsweise lediglich Drehmomente zwischen Antriebs- und Abtriebsrädern. Mit anderen Worten werden in einer Verdichtungs-/Entspannungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung das Getrieberad einerseits und die antreibenden bzw. angetriebenen Einheiten andererseits (beispielsweise die Laufschaufeln von Turboexpandern und Turboverdichtern) drehzahlunterschiedlich betrieben. Dies schließt aber nicht aus, dass die antreibenden bzw. angetriebenen Einheiten zueinander drehzahlgleich betrieben werden können.
  • Vorteilhafterweise liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung das erste Druckniveau bei 10 bis 17 bar, insbesondere bei 13 bis 16 bar und/oder das zweite Druckniveau bei 40 bis 70 bar, insbesondere bei 50 bis 60 bar. Das zweite Druckniveau liegt also auf vergleichsweisen hohen Werten, die den Einsatz eines einzelnen Boosters nicht mehr möglich machen, da in diesem, wie erläutert, der erzielbare Druckunterschied zu gering ist. Dieses Problem wird durch die serielle Verwendung mehrerer Turboverdichter, die erfindungsgemäß mit einem Getriebe gekoppelt sind, gelöst.
  • Wie erwähnt, kann das dritte Druckniveau, das unterhalb des ersten Druckniveaus liegt, beispielsweise bei dem höchsten der Destillationsdrücke in der Destillationssäulenanordnung liegen, beispielsweise dem Druckniveau, auf dem eine Hochdrucksäule betrieben wird. Mit der Angabe, dass das dritte Druckniveau "bei" dem höchsten der Destillationsdrücke liegt, ist dabei gemeint, dass das dritte Druckniveau um nicht mehr als 1 bar von dem höchsten der Destillationsdrücke der Destillationssäulenanordnung abweicht.
  • Wie erläutert, eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere dann, wenn sich die jeweiligen Teilluftmengen deutlich voneinander unterscheiden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die erste Teilluftmenge dem 0,2-fachen bis 0,6-fachen der zweiten Teilluftmenge entspricht und/oder wenn die erste und die zweite Teilluftmenge gemeinsam dem 0,3-fachen bis 0,6-fachen der Gesamtluftmenge entsprechen. Die erwähnten Verhältnisse beziehen sich jeweils auf Normvolumina pro Zeiteinheit, also Normvolumenströme, beispielsweise Normkubikmeter pro Stunde (Nm3/h). Die Unterschiede in den real vorliegenden Volumenströmen fallen weitaus höher aus, weil stark unterschiedliche Drücke vorliegen. Insbesondere bei deutlich unterschiedlichen ersten und zweiten Teilluftmengen, die dazu führen, dass eine vergleichsweise geringe Menge an Luft verdichtet werden muss, jedoch eine vergleichsweise große Menge an Luft entspannt werden kann, eignet sich das Verfahren der vorliegenden Erfindung aufgrund der Verwendung des erläuterten Getriebes.
  • Vorteilhafterweise wird die zweite Teilluftmenge im Rahmen der vorliegenden Erfindung vor dem Abkühlen auf das zweite Temperaturniveau von dem ersten Druckniveau auf ein Zwischendruckniveau, das unterhalb des zweiten Druckniveaus liegt, verdichtet. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein weiterer Turboverdichter zum Einsatz kommen. Dieser kann von einem (zwecks Bereitstellung der für den Gesamtprozess erforderlichen Kälteleistung vorhandenen) Turboexpander angetrieben werden, der einen weiteren Strom entspannt.
  • Besondere Vorteile entfaltet das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn dem Destillationssäulensystem ein flüssiges, sauerstoffreiches Luftprodukt entnommen, flüssig druckerhöht und anschließend durch Erwärmen vom flüssigen in den überkritischen oder gasförmigen Zustand überführt wird, also für Innenverdichtungsverfahren. In derartigen Innenverdichtungsverfahren kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung das flüssige, sauerstoffreiche Luftprodukt flüssig auf das erste Druckniveau oder ein anderes hohes Druckniveau druckerhöht werden. Die Erfindung eignet sich also insbesondere für Verfahren, bei denen entsprechende Innenverdichtungsprodukte bei hohen Drücken bereitgestellt werden sollen.
  • Durch die Kombination eines Innenverdichtungsverfahrens mit einem HAP-Verfahren werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung besondere Vorteile erzielt. Herkömmliche MA/BAC-Verfahren stoßen bei großen Luftmengen teilweise an ihre Kapazitätsgrenzen. So sind bei Luftzerlegungsanlagen für Sauerstoffkapazitäten oberhalb von 130.000 Nm3/h die Grenzen herkömmlicher Anlagenkomponenten erreicht. Aufgrund des hier vorliegenden niedrigen Drucks der Einsatzluft werden z.B. Adsorberstationen mit Durchmessern von über 6 Metern benötigt und teilweise am Limit gefahren. Auch Montagearbeiten für Rohrleitungen und Klappen mit sehr großen Nennweiten, die bei derart hohen Luftdurchsätzen erforderlich sind, führen zu hohen Kosten. Durch die Verwendung eines HAP-Verfahrens werden solche Probleme aufgrund wesentlich niedrigerer Volumenströme deutlich entschärft, der gesamte "warme" Teil einer Luftzerlegungsanlage fällt deutlich kleiner aus.
  • Sowohl bei MAC/BAC-Verfahren als auch bei HAP-Verfahren erfolgt der Antrieb der Luftverdichter typischerweise mittels Dampfturbinen. Die hierbei eingesetzten Dampfturbinen sind typischerweise Zweiwellenturbinen, die zum gleichzeitigen Antrieb von Haupt- und Nachverdichtern (MAC und BAC in MAC/BAC-Verfahren) mittels jeweils einer der Wellen eingerichtet sind. Ein typischerweise zusätzlich erforderlicher Stickstoff-Produktverdichter benötigt bei einem MAC/BAC-Verfahren einen eigenen Antrieb in Form eines Elektromotors. Dieser verursacht zusätzliche Kosten, wie oben erläutert. Daher sind HAP-Verfahren besonders vorteilhaft, weil hier der Produktverdichter direkt über eine der Wellen der Dampfturbine angetrieben werden kann (der Nachverdichter fällt weg). Derartige Anlagen profitieren daher besonders von Lösungen, die keine elektrischen Antriebe erfordern.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Luftzerlegungsanlage, die zur destillativen Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft in einem Destillationssäulensystem bei unterschiedlichen Destillationsdrücken eingerichtet ist. Diese Anlage weist Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, die gesamte Einsatzluft in einer Gesamtluftmenge auf ein erstes Druckniveau zu verdichten, das mindestens 4 bis 5 bar oberhalb des höchsten der Destillationsdrücke liegt, von der Gesamtluftmenge eine erste Teilluftmenge zunächst auf ein erstes Temperaturniveau von 130 bis 170 K abzukühlen und danach auf ein zweites Druckniveau zu verdichten, das mindestens 10 bar oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, und eine zweite Teilluftmenge zunächst auf ein zweites Temperaturniveau von 110 bis 150 K abzukühlen und danach auf ein drittes Temperaturniveau zu entspannen, das unterhalb des ersten Druckniveaus liegt.
  • Die Anlage zeichnet sich durch eine Verdichtungs-/Entspannungsanordnung mit einem Getriebe aus, in dem erfindungsgemäß ein Antriebsrad mit einem Getrieberad und das Getrieberad mit einem Abtriebsrad in Eingriff steht. Mit dem Antriebsrad sind die Laufschaufeln zweier oder mehrerer Turboexpander und mit dem Abtriebsrad die Laufschaufeln zweier oder mehrerer Turboverdichter gekoppelt. Es sind Mittel vorgesehen, die dazu eingerichtet sind, die erste Teilluftmenge zur Verdichtung auf das zweite Druckniveau nacheinander durch die Turboverdichter und die zweite Teilluftmenge zur Entspannung auf das dritte Druckniveau parallel durch die Turboexpander zu führen.
  • Vorteilhafterweise wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung eingesetzt, bei der wenigstens ein weiteres Antriebsrad und/oder wenigstens ein weiteres Abtriebsrad mit dem Getrieberad im Eingriff steht. Auf diese Weise lassen sich einfach und flexibel weitere antreibende oder angetriebene Einheiten mit einer entsprechenden Verdichtungs-/Entspannungsanordnung koppeln.
  • Insbesondere eignet sich die vorliegende Erfindung für Luftzerlegungsanlagen, bei der die Verdichtungs-/Entspannungsanordnung zwei Turboverdichter umfasst, deren Laufschaufeln beidseitig des Abtriebsrads mit einer mit dem Abtriebsrad gekoppelten ersten Welle gekoppelt sind, und/oder zwei Turboexpander, deren Laufschaufeln beidseitig des Antriebsrads mit einer mit dem Antriebsrad gekoppelten zweiten Welle gekoppelt sind. Auf diese Weise lassen sich, wie bereits erläutert, asymmetrische Belastungen verringern. Mit einer "beidseitigen" Anordnung ist hier wie oben gemeint, dass das Antriebs- oder Abtriebsrad auf einer Welle angeordnet ist, die sich axial beidseitig des Antriebs- oder Abtriebsrads erstreckt. Auf jeder der beiden Seiten kann ein entsprechender Turboverdichter bzw. Turboexpander bzw. können dessen Laufschaufeln angeordnet sein.
  • Zu Merkmalen und Vorteilen solchen Luftzerlegungsanlagen, die insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet sind, wie es zuvor im Detail erläutert wurde, sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Entsprechende Anlagen profitieren von den bezüglich des Verfahrens erläuterten Vorteilen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage zur Veranschaulichung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht.
    • In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage zur Veranschaulichung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht.
    • In Figur 3 ist eine Verdichtungs-/Entspannungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch veranschaulicht.
    • In Figur 4 ist eine nicht erfindungsgemäße Verdichtungs-/Entspannungsanordnung schematisch veranschaulicht.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Figuren tragen einander entsprechende Elemente identische Bezugszeichen und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
  • In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage zur Veranschaulichung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet.
  • Der Luftzerlegungsanlage 100 wird über ein Filter 1 Einsatzluft (AIR) zugeführt, die mittels eines Hauptluftverdichters 2 verdichtet wird. Die Verdichtung der Einsatzluft in dem Hauptluftverdichter 2 erfolgt dabei auf Druckniveau, das im Rahmen dieser Anmeldung als "erstes" Druckniveau bezeichnet wird und das deutlich höher ist als der maximale Betriebsdruck eines unten erläuterten Destillationssäulensystems 10 der Luftzerlegungsanlage 100. Das in der Luftzerlegungsanlage 100 durchgeführte Verfahren ist also ein HAP-Verfahren wie eingangs erläutert. Das erste Druckniveau beträgt beispielsweise ca. 14,5 bar. Die durch den Hauptluftverdichter 2 verdichtete Luftmenge des Stroms c wird hier als "Gesamtluftmenge" bezeichnet. Diese beträgt beispielsweise ca. 655.000 Nm3/h.
  • Ein auf diese Weise bereitgestellter Druckluftstrom a wird in einem Direktkontaktkühler 3 vorgekühlt, welcher unter anderem mit einem abgekühlten Wasserstrom b aus einem Verdunstungskühler 4 beschickt wird. Der Betrieb des Direktkontaktkühlers 3 und des Verdunstungskühlers 4 wird nicht näher erläutert. Nach der Kühlung in dem Direktkontaktkühler 3 wird ein entsprechend gekühlter Druckluftstrom, nun mit c bezeichnet, einem Adsorbersatz 5 zugeführt, welcher im dargestellten Beispiel zwei mit einem geeigneten Adsorptionsmaterial gefüllte und im Wechselbetrieb betriebene Adsorberbehälter umfasst und dessen Betrieb ebenfalls nicht im Detail erläutert wird. In dem Verdunstungskühler 4 und dem Adsorbersatz 5 kann zur Kühlung bzw. Regeneration beispielsweise ein Strom d zum Einsatz kommen, der dem Destillationssäulensystem 10 als sogenannter Unreinstickstoff entnommen und in geeigneter Weise aufbereitet wird. In diesem Zusammenhang kommt beispielsweise ein Dampferhitzer 6 zum Einsatz.
  • Ein in dem Adsorbersatz 5 getrockneter Druckluftstrom ist mit d bezeichnet. Dieser wird im dargestellten Beispiel in zwei Teilströme e und f aufgeteilt. Der Teilstrom e wird anschließend erneut in zwei Teilströme g und h aufgeteilt und warmseitig einem Hauptwärmetauscher 7 zugeführt. Bei dem Teilstrom g handelt es sich um den erläuterten Turbinenstrom, bei dem Teilstrom h um einen (zweiten) Drosselstrom mit geringerem Druck. Der Teilstrom f wird in einer Boosterturbine 8 weiter verdichtet, in einem nicht gesondert bezeichneten Nachkühler abgekühlt, erneut in zwei Teilströme i und k aufgeteilt und warmseitig dem Hauptwärmetauscher 8 zugeführt. Bei dem Teilstrom i handelt es sich um einen nachzuverdichtenden (ersten) Drosselstrom mit höherem Druck, bei dem Teilstrom k um einen zur Bereitstellung von Kälteleistung zu entspannenden Strom.
  • Sämtliche Teilströme e bis k umfassen damit jeweils Teilluftmengen der Gesamtluftmenge des Stroms a, c bzw. d. Die von Strom i umfasste Teilluftmenge, beispielsweise ca. 102.000 Nm3/h, wird hier als "erste" Teilluftmenge, die von Strom g umfasste Teilluftmenge, beispielsweise ca. 307.000 Nm3/h, als "zweite" Teilluftmenge der Gesamtluftmenge bezeichnet. Die von Strom h umfasste Teilluftmenge der Gesamtluftmenge beträgt beispielsweise ca. 55.000 Nm3/h. Die Aufteilung ist beliebig und kann, abweichend von dem konkreten Beispiel, auch in anderweitiger Abfolge vorgenommen werden.
  • Die Teilströme g, i und k werden dem Hauptwärmetauscher 7 jeweils auf Zwischentemperaturniveaus entnommen, wobei das Zwischentemperaturniveau, auf dem der Teilstrom i dem Hauptwärmetauscher 7 entnommen wird, hier als "erstes" Temperaturniveau und das Zwischentemperaturniveau, auf dem der Teilstrom g dem Hauptwärmetauscher 7 entnommen wird, als "zweites" Temperaturniveau bezeichnet wird. Der Teilstrom h wird dem Hauptwärmetauscher 7 kaltseitig entnommen.
  • Die in Figur 1 dargestellte Luftzerlegungsanlage ist zur Bereitstellung von innenverdichtetem Drucksauerstoff auf einem hohen Druckniveau, beispielsweise auf ca. 57 bar, und in einer Menge von beispielsweise ca. 135.000 Nm3/h eingerichtet. Hierzu wird dem Destillationssäulensystem 10 ein flüssiger, sauerstoffreicher Strom I entnommen, mittels einer Pumpe 9 druckerhöht und in dem Hautpwärmetauscher 7 vom flüssigen in den überkritischen Zustand bei dem erwähnten Druck überführt.
  • Aufgrund des vergleichsweise hohen Drucks, bei dem der innenverdichtete Drucksauerstoff des Stroms I in dem Hautpwärmetauscher 7 in den überkritischen Zustand überführt oder verdampft wird, ist entsprechend ein Wärmeträger auf hohem Druck erforderlich. Dieser Wärmeträger wird hier durch den Teilstrom i gebildet, der hierzu weiter verdichtet werden muss.
  • Es sei zu verstehen gegeben, dass die in Figur 1 hierzu, und zur gleichzeitigen Entspannung des Teilstroms g, eingesetzte Boosterturbine 101 lediglich theoretisch zum Einsatz kommen könnte, aufgrund der erwähnten Grenzen der in einem entsprechenden Booster erzielbaren Druckverhältnisse jedoch baulich derzeit nicht realisierbar ist. Gleichzeitig ist zu erwarten, dass der antreibende Turboexpander derzeit baulich nicht realisierbar ist.
  • Der Teilstrom i müsste nach der Entnahme aus dem Hauptwärmetauscher 7 auf dem ersten Zwischentemperaturniveau mittels der Boosterturbine 101 ausgehend von dem in der Boosterturbine 8 erzielten Druckniveau von beispielsweise ca. 17 bar auf ein Druckniveau von beispielsweise ca. 57 bar verdichtet werden. Ein entsprechendes Druckniveau wird hier als "zweites" Druckniveau bezeichnet.
    Der Teilstrom i wird im dargestellten Beispiel dem Hauptwärmetauscher 7 auf einem Zwischentemperaturniveau zugeführt und diesem kaltseitig entnommen. Die Teilströme h und i werden im dargestellten Beispiel stromab des Hauptwärmetauschers 7 auf ein niedrigeres Druckniveau, beispielsweise das Druckniveau einer Drucksäule in der Destillationssäulenanordnung 10 von ca. 5,2 bar, entspannt. Hierzu können beispielsweise in der Figur 1 gezeigte, aber nicht gesondert bezeichnete Ventile oder sogenannte Dense Liquid Expander zum Einsatz kommen. Eine Entspannung auf ein derartiges Druckniveau kann auch für die Teilströme g und k in den jeweiligen Entspannungsturbinen der Boosterturbinen 8 bzw. 101 erfolgen.
  • Die Teilströme g bis k werden in das mehrfach erwähnte Destillationssäulensystem 10 eingespeist, das hier stark schematisiert und verkleinert dargestellt ist und typischerweise mehrere, auf unterschiedlichen Betriebsdrücken betriebene Destillationssäulen umfasst. Im dargestellten Beispiel sind eine Hochdrucksäule 11 und eine Niederdrucksäule 12 dargestellt, die über einen Hauptkondensator 13 in wärmetauschender Verbindung stehen. Die Hochdrucksäule 11 wird beispielsweise auf dem Druckniveau betrieben, auf das die Ströme g bis k entspannt werden. Die Ströme g bis k werden typischerweise in die Hochdrucksäule 11 eingespeist, es kann jedoch auch teilweise eine Einspeisung in die Niederdrucksäule 12 erfolgen. Die Verschaltung der Hochdrucksäule 11 und der Niederdrucksäule 12 ist nicht im Detail gezeigt, ebenso wenig wie zusätzliche Säulen, Ventile, Pumpen, Wärmetauscher und dergleichen.
  • Das Destillationssäulensystem 10 kann eine beliebige Anzahl entsprechender Säulen umfassen und zur Gewinnung unterschiedlicher Luftprodukte eingerichtet sein. Neben dem bereits erwähnten flüssigen, sauerstoffreichen Strom I zur Bereitstellung von innenverdichtetem Drucksauerstoff (GOX IC) kann dem Destillationssäulensystem 10 beispielsweise ein stickstoffreicher, flüssiger Strom m entnommen werden, der ebenfalls mittels einer Pumpe (ohne Bezugszeichen) druckerhöht und in dem Hauptwärmetauscher 7 in gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt werden kann. Weitere stickstoffreiche Ströme n und o können dem Destillationssäulensystem 10 beispielsweise gasförmig aus der Hochdrucksäule 11 entnommen, in dem Hauptwärmetauscher 7 erwärmt und als gasförmiges Stickstoffprodukt (GAN) bzw. Dichtgas für Pumpen (Sealgas) verwendet werden. Der Strom d, der auch teilweise an die Atmosphäre abgeblasen werden kann, wurde bereits erwähnt.
  • In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage zur Veranschaulichung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 200 bezeichnet.
  • Anhand der in Figur 2 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 200, die im Übrigen der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100 entspricht, wird erläutert, dass auch ein Einsatz serieller Booster bzw. paralleler Turboexpander alleine die zuvor erläuterten Probleme nicht löst bzw. technisch nicht realisierbar ist.
  • Gemäß Figur 2 würde der Teilstrom i in den Boostern zweier Boosterturbinen 201 und 202 über ein Zwischendruckniveau von beispielsweise ca. 31 bar auf das zuvor erläuterte zweite Druckniveau von beispielsweise ca. 57 bar verdichtet. Der Teilstrom i kann, wie in Figur 2 nicht veranschaulicht, nach dem Austritt aus der Booster der Boosterturbine 201 und vor dem Eintritt in den Booster der Boosterturbine 202 beispielsweise im Hauptwärmetauscher 7 abgekühlt werden, so dass seine Eintrittstemperatur in die Booster der Boosterturbinen 201 und 202 gleich oder ähnlich ist. Entsprechend würde der Teilstrom g auf zwei Teilströme aufgeteilt und in den den Boosterturbinen 201 und 202 zugeordneten Turboexpandern entspannt. Die Turboexpander müssten dabei nur noch jeweils die Hälfte der "zweiten" Teilluftmenge des Stroms g, im dargestellten Beispiel also jeweils beispielsweise ca. 153.000 Nm3/h, verarbeiten. Dennoch wäre der Volumenstrom durch den Booster der Boosterturbine 202 ist immer noch zu klein für den Volumenstrom durch den entsprechende Turboexpander und damit die spezifischen Drehzahlen sind zu unterschiedlich, so dass diese Lösung ebenfalls nicht realisierbar ist.
  • In Figur 3 ist eine Verdichtungs-/Entspannungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch veranschaulicht und insgesamt mit 30 bezeichnet. Die Verdichtungs-/Entspannungsanordnung 30 kann anstelle der Boosterturbine 101 bzw. der Boosterturbinen 201 und 202 in eine Luftzerlegungsanlage 100 bzw. 200 gemäß den Figuren 1 und 2 eingebunden sein. Die Einbindung ergibt sich durch die entsprechende Benennung der Teilströme g und i. Es handelt sich jeweils um die Ströme g und i stromab des Hauptwärmetauschers 7.
  • Die erwähnte erste Teilluftmenge der Gesamtluftmenge, wie erwähnt beispielsweise ca. 102.000 Nm3/h auf einem Druckniveau von ca. 17 bar, wird in Form des Teilstroms i nacheinander durch zwei Turboverdichter 31 und 32 geführt und hierdurch auf das erwähnte zweite Druckniveau von beispielsweise ca. 57 bar verdichtet. Der Druck des Teilstroms i zwischen den Turboverdichtern 31 und 32 beträgt dabei beispielsweise ca. 31 bar. Zwischen den Turboverdichtern 31 und 32 kann eine Abkühlung des Stroms i in dem Hauptwärmetauscher 7 oder anderweitig erfolgen. Die zweite Teilluftmenge der Gesamtluftmenge, wie erwähnt beispielsweise ca. 307.000 Nm3/h auf einem Druckniveau von ca. 14,5 bar, wird in Form des Teilstroms g auf zwei Teilströme aufgeteilt und parallel in zwei Turboexpandern 33 und 34 entspannt, wie erwähnt auf beispielsweise ca. 5,2 bar.
  • Die Turboverdichter 31 und 32 und die Turboexpander 33 und 34 sind jeweils über Wellen 35 bzw. 36 miteinander verbunden. Auf der Welle 35 der Turboverdichter 31 und 32 ist ein Abtriebsrad 37 angebracht, auf der Welle 37 der Turboexpander 33 und 34 ein Antriebsrad 38. Sowohl mit dem Abtriebsrad 37 als auch mit dem Antriebsrad 38 steht ein Getrieberad 39 im Eingriff.
  • Ein durch die parallele Entspannung der Teilströme des Stroms g in den Turboexpandern 33 und 34 in die Welle 36 eingeleitetes Drehmoment kann über das Antriebsrad 38 auf das Getrieberad 39 und von diesem über das Abtriebsrad 37 in die Welle 35 eingeleitet werden. Durch eine geeignete Wahl der Zahnzahl und der Geometrie des Antriebsrads 38, des Getrieberads 39 und des Abtriebsrads 37 kann sichergestellt werden, dass die, wie erwähnt, stark unterschiedlichen Volumenströme in den Turboexpandern 31 und 32 einerseits und in den Turboverdichtern 33 und 34 andererseits problemlos bewältigt werden können.
  • In Figur 4 ist eine nicht erfindungsgemäße Verdichtungs-/Entspannungsanordnung schematisch veranschaulicht und insgesamt mit 40 bezeichnet. Auch Verdichtungs-/Entspannungsanordnung 40 kann anstelle der Boosterturbine 101 bzw. der Boosterturbinen 201 und 202 in eine Luftzerlegungsanlage 100 bzw. 200 gemäß den Figuren 1 und 2 eingebunden sein. Die Einbindung ergibt sich auch hier durch die entsprechende Benennung der Teilströme g und i. Es handelt sich jeweils um die Ströme g und i stromab des Hauptwärmetauschers 7.
  • Bereits unter Bezugnahme auf die Verdichtungs-/Entspannungsanordnung 30 der Figur 3 erläuterte Elemente der Verdichtungs-/Entspannungsanordnung 40 sind mit identischen Bezugszeichen wie dort angegeben. Abweichend zu der in Figur 3 dargestellten Verdichtungs-/Entspannungsanordnung 30 weist jedoch die Verdichtungs-/Entspannungsanordnung 40 der Figur 4 nur einen Turboexpander 33 auf. Dies verringert die Anzahl an bereitzustellenden Komponenten, setzt jedoch voraus, dass ein entsprechender Turboexpander 33 in der erforderlichen Größe und vor dem Hintergrund der auftretenden mechanischen Belastungen technisch realisierbar ist.

Claims (14)

  1. Verfahren zur destillativen Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft in einem Destillationssäulensystem (10) einer Luftzerlegungsanlage bei unterschiedlichen Destillationsdrücken, wobei die gesamte Einsatzluft in einer Gesamtluftmenge auf ein erstes Druckniveau verdichtet wird, das mindestens 4 bis 5 bar oberhalb des höchsten der Destillationsdrücke liegt, und von der Gesamtluftmenge
    - eine erste Teilluftmenge zunächst auf ein erstes Temperaturniveau von 130 bis 170 K abgekühlt und danach auf ein zweites Druckniveau verdichtet wird, das mindestens 10 bar oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, und
    - eine zweite Teilluftmenge zunächst auf ein zweites Temperaturniveau von 110 bis 150 K abgekühlt und danach auf ein drittes Druckniveau entspannt wird, das unterhalb des ersten Druckniveaus liegt, wobei
    - eine Verdichtungs-/Entspannungsanordnung (30, 40) mit einem Getriebe verwendet wird, in dem ein Antriebsrad (38) mit einem Getrieberad (39) und das Getrieberad (39) mit einem Abtriebsrad (37) in Eingriff steht, wobei
    - mit dem Antriebsrad (38) die Laufschaufeln zweier oder mehrerer Turboexpander (33, 34) und mit dem Abtriebsrad (37) die Laufschaufeln zweier oder mehrerer Turboverdichter (31, 32) drehfest gekoppelt sind, und
    - die erste Teilluftmenge zur Verdichtung auf das zweite Druckniveau nacheinander durch die Turboverdichter (31, 32) und die zweite Teilluftmenge zur Entspannung auf das dritte Druckniveau parallel durch die Turboexpander (33, 34) geführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein mittels des Antriebsrads (38) auf das Getrieberad (39) übertragenes Drehmoment größer oder gleich einem mittels des Getrieberads auf das Abtriebsrad (37) übertragenes Drehmoment ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als die Turboverdichter (31, 32) zwei Turboverdichter (31, 32) verwendet werden, deren Laufschaufeln beidseitig des Abtriebsrads (37) jeweils mit einer mit dem Abtriebsrad (37) gekoppelten ersten Welle (35) gekoppelt sind.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erste Druckniveau bei 10 bis 17 bar, insbesondere bei 13 bis 16 bar, liegt und/oder bei dem das zweite Druckniveau bei 40 bis 70 bar, insbesondere bei 50 bis 60 bar, liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das dritte Druckniveau um nicht mehr als 1 bar von dem höchsten der Destillationsdrücke in der Destillationssäulenanordnung (10) abweicht.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Normvolumenstrom der ersten Teilluftmenge dem 0,2-fachen bis 0,5-fachen eines Normvolumenstroms der zweiten Teilluftmenge entspricht und/oder bei dem Normvolumenströme der ersten und zweiten Teilluftmenge gemeinsam dem 0,4-fachen bis 0,6-fachen eines Normvolumenstroms der Gesamtluftmenge entspricht.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die zweite Teilluftmenge vor dem Abkühlen auf das zweite Temperaturniveau von dem ersten Druckniveau auf ein Zwischendruckniveau, das unterhalb des zweiten Druckniveaus liegt, verdichtet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem dem Destillationssäulensystem ein flüssiges, sauerstoffreiches Luftprodukt entnommen, flüssig druckerhöht und anschließend durch Erwärmen vom flüssigen in den überkritischen oder gasförmigen Zustand überführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das flüssige, sauerstoffreiche Luftprodukt flüssig auf das erste Druckniveau druckerhöht wird.
  10. Luftzerlegungsanlage (100, 200), die zur destillativen Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft in einem Destillationssäulensystem (10) bei unterschiedlichen Destillationsdrücken eingerichtet ist, wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, die gesamte Einsatzluft in einer Gesamtluftmenge auf ein erstes Druckniveau zu verdichten, das mindestens 5 bar oberhalb des höchsten der Destillationsdrücke liegt, und von der Gesamtluftmenge
    - eine erste Teilluftmenge zunächst auf ein erstes Temperaturniveau von 130 bis 170 K abzukühlen und danach auf ein zweites Druckniveau zu verdichten, das mindestens 10 bar oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, und
    - eine zweite Teilluftmenge zunächst auf ein zweites Temperaturniveau von 110 bis 150 K abzukühlen und danach auf ein drittes Druckniveau zu entspannen, das unterhalb des ersten Druckniveaus liegt, wobei
    - eine Verdichtungs-/Entspannungsanordnung (30, 40) mit einem Getriebe, in dem ein Antriebsrad (38) mit einem Getrieberad (39) und das Getrieberad (39) mit einem Abtriebsrad (37) in Eingriff steht, wobei
    - mit dem Antriebsrad (38) die Laufschaufeln zweier oder mehrerer Turboexpander (33, 34) und mit dem Abtriebsrad (37) die Laufschaufeln zweier oder mehrerer Turboverdichter (31, 32) drehfest gekoppelt sind, und
    - Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, die erste Teilluftmenge zur Verdichtung auf das zweite Druckniveau nacheinander durch die Turboverdichter (31, 32) und die zweite Teilluftmenge zur Entspannung auf das dritte Druckniveau parallel durch die Turboexpander (33, 34) zu führen.
  11. Luftzerlegungsanlage (100, 200) nach Anspruch 10, bei der wenigstens ein weiteres Antriebsrad und/oder wenigstens ein weiteres Abtriebsrad mit dem Getrieberad (39) in Eingriff steht.
  12. Luftzerlegungsanlage (100, 200) nach Anspruch 10 oder 11, bei der zwei Turboverdichter (31, 32) vorgesehen sind, deren Laufschaufeln beidseitig des Abtriebsrads (37) jeweils mit einer mit dem Abtriebsrad (37) gekoppelten ersten Welle (35) gekoppelt sind.
  13. Luftzerlegungsanlage (100, 200) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der zwei Turboexpander (33, 34) vorgesehen sind, deren Laufschaufeln beidseitig des Antriebsrads (38) jeweils mit einer mit dem Antriebsrad (38) gekoppelten zweiten Welle (36) gekoppelt sind.
  14. Luftzerlegungsanlage (100, 200) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.
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