EP3771873A1 - Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

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EP3771873A1
EP3771873A1 EP19020450.3A EP19020450A EP3771873A1 EP 3771873 A1 EP3771873 A1 EP 3771873A1 EP 19020450 A EP19020450 A EP 19020450A EP 3771873 A1 EP3771873 A1 EP 3771873A1
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EP
European Patent Office
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column
overhead gas
operating mode
gas condensate
air separation
Prior art date
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Pending
Application number
EP19020450.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dimitri GOLUBEV
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.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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    • F25J3/04296—Claude expansion, i.e. expanded into the main or high pressure column
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    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for the cryogenic separation of air according to the preambles of the independent claims.
  • Air separation plants have column systems that can conventionally be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • columns for obtaining nitrogen and / or oxygen in the liquid and / or gaseous state i.e. the columns for nitrogen-oxygen separation
  • columns for obtaining further air components in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon.
  • the terms “rectification” and “distillation” as well as “column” and “column” or combined terms are used synonymously.
  • the columns of the column systems mentioned are operated at different pressure levels.
  • Known double column systems have a so-called high pressure column (also referred to as a pressure column, medium pressure column or lower column) and a so-called low pressure column (also referred to as an upper column).
  • the high pressure column is typically operated at a pressure level of 4 to 7 bar, in particular approx. 5.3 bar.
  • the low-pressure column is operated at a pressure level of typically 1 to 2 bar, in particular about 1.4 bar. In certain cases, higher pressure levels can also be used in both columns.
  • the pressures given here and below are absolute pressures at the top of the respective columns given.
  • adapted air separation plants can be used which, in addition to the two columns explained, have an additional column which is operated at an even higher pressure, for example at 8 to 12 bar. Gaseous nitrogen can be taken as top product from this additional column and, if it is required at a corresponding pressure level, no longer has to be compressed, so that there is no corresponding compressor for compressing gaseous nitrogen.
  • the additional column is operated with a condenser-evaporator which condenses overhead gas of the additional column, so that a reflux to the additional column can be provided.
  • Air separation plants are designed (usually) based on a so-called design case with maximum product quantities. Other (imaginable) operational cases are converted based on this case. If different products are produced in the air separation plant, for example internally compressed oxygen in addition to the aforementioned pressurized nitrogen (see below for the concept of internal compression), it is often to be expected that these products will be requested in different product quantities. A corresponding scaling of the production quantities is therefore desirable.
  • a desired operating case includes the production of 100% (the maximum amount of the design case) internally compressed oxygen and approx. 75% pressurized nitrogen.
  • the setting of other product ratios is also conceivable, since the operation of the plant often deviates from the design.
  • the compressor used can be operated in a turndown mode when there is less demand or, in the case of partial recompression, switched off completely without affecting the rest of the system. This control option is not available in the air separation plants explained with an additional column in which there is no corresponding compressor.
  • the present invention therefore sets itself the task of finding solutions by means of which flexible operation can also be ensured in the air separation plants explained with an additional column.
  • Liquids and gases can be rich or poor in one or more components in the parlance used here, with “rich” for a content of at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99% and “poor” can mean a content of no more than 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis.
  • the term “predominantly” can match the definition of "rich”.
  • Liquids and gases can also be enriched or depleted in one or more components, these terms referring to a content in a starting liquid or a starting gas from which the liquid or the gas was obtained.
  • the liquid or the gas is "enriched” if this or this is at least 1.1 times, 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times 100 times or 1,000 times the content, and " depleted "if this or this contains at most 0.9 times, 0.5 times, 0.1 times, 0.01 times or 0.001 times the content of a corresponding component, based on the starting liquid or the starting gas .
  • Oxygen nitrogen
  • nitrogen argon
  • pressure range and "temperature range” to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that corresponding pressures and temperatures in a corresponding system do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values to realize the inventive concept.
  • pressures and temperatures typically move in certain ranges, for example ⁇ 1%, 5%, 10% or 20% around a mean value.
  • Corresponding pressure ranges and temperature ranges can be in disjoint areas or in areas that overlap one another.
  • pressure ranges include, for example, unavoidable or expected pressure losses.
  • the values specified in bar for the pressure ranges are absolute pressures.
  • expansion machines are typically understood to mean known turboexpander (also referred to as “turbines” for short). These expansion machines can in particular also be coupled to compressors. These compressors can in particular be turbo compressors. A corresponding combination of turbo expander and turbo compressor is typically also referred to as a “turbine booster”.
  • turbine booster the turbo-expander and the turbo-compressor are mechanically coupled, the coupling being able to take place at the same speed (for example via a common shaft) or at different speeds (for example via a suitable transmission gear).
  • compressor is used here in general.
  • a “main air compressor” is characterized by the fact that it compresses all of the air that is fed to the air separation plant and separated there. In contrast, in one or more optionally provided further compressors, for example booster compressors, only a portion of this air that has already been previously compressed in the main air compressor is further compressed.
  • the “main heat exchanger” of an air separation plant represents the heat exchanger in which at least the major part of the air supplied to the air separation plant and broken down there is cooled. This takes place at least partly in countercurrent to the material flows that are discharged from the air separation plant. Such “diverted” material flows or also “products” are fluids in the parlance used here, which no longer participate in system-internal cycles, but are permanently withdrawn from them.
  • a “heat exchanger” for use in the context of the present invention can be designed in a manner customary in the art. It is used for the indirect transfer of heat between at least two fluid flows, for example a countercurrent to one another, for example a warm compressed air flow and one or more cold fluid flows or a cryogenic liquid air product and one or more warm or warmer, but possibly also cryogenic fluid flows.
  • a heat exchanger can be formed from a single or several parallel and / or serially connected heat exchanger sections, e.g. from one or more plate heat exchanger blocks. It is, for example, a plate heat exchanger (plate fin heat exchanger).
  • Such a heat exchanger has “passages” which are designed as separate fluid channels with heat exchange surfaces and which are connected in parallel and, in particular, separated by other passages, to form “passage groups”.
  • a heat exchanger is characterized by the fact that heat is exchanged between two mobile media in it at a time, namely at least one fluid flow to be cooled and at least one fluid flow to be heated.
  • a “condenser evaporator” is a heat exchanger in which a first, condensing fluid flow enters into indirect heat exchange with a second, evaporating fluid flow.
  • Each condenser evaporator has a liquefaction space and an evaporation space.
  • the liquefaction and evaporation spaces have liquefaction and evaporation passages.
  • the condensation (liquefaction) of the first fluid flow is carried out in the liquefaction space, and the evaporation of the second fluid flow in the vaporization space.
  • the evaporation and the liquefaction space are formed by groups of passages which are in a heat exchange relationship with one another.
  • the axes of the two components do not have to be exactly perpendicular, but can also be offset from one another, especially if one of the two components, for example a rectification column or a column part with a smaller diameter, is to have the same distance from the sheet metal jacket of a coldbox as another with a larger one Diameter.
  • the present invention proposes a method for the low-temperature separation of air, in which an air separation plant is used with a column system which has a first column, a second column and a third column.
  • the first to third columns in the air separation plant according to the invention result from the extension of a classic double column system known from the prior art to include an additional column operated at a higher pressure than the conventionally present high pressure column.
  • the first column can be provided in particular structurally separate from the second and third column, wherein the second and third column can in particular be part of a double column and by means of a corresponding one Condenser evaporator, the so-called main condenser, can be in heat-exchanging connection with one another.
  • the second and third column can in particular be part of a double column and by means of a corresponding one Condenser evaporator, the so-called main condenser, can be in heat-exchanging connection with one another.
  • main condenser the so-called main condenser
  • the second and third columns which are designed as part of a double column, can also be supplemented by an additional column in a corresponding multiple column system, or the second and third columns can be provided as separate columns.
  • the main capacitor mentioned can be provided as an internal or external main capacitor, as is basically known from the prior art. If an internal main condenser is used, this is at least partially submerged in a sump liquid in the sump of the third column and an overhead gas to be condensed from the second column is passed through a condensation chamber of the main condenser.
  • a fourth column can be provided, which can be used in particular to extract argon or discharge argon from a gas mixture that is withdrawn from the third column.
  • the fourth column can in particular be a conventional crude argon column of a known arrangement with crude and pure argon column, but it can also be a modified argon column from which argon is withdrawn in the pure state below the top without using an additional pure argon column.
  • Other variants are also possible within the scope of the present invention.
  • Corresponding configurations are possible in combination with all configurations of the invention which are specified below, but are not explained repeatedly for reasons of clarity.
  • a bottom liquid is formed in each of the first column, the second column and the third column.
  • the bottom liquid of the second column is formed in particular with a higher oxygen content than the bottom liquid of the first column and the bottom liquid of the third column is formed with a higher oxygen content than the bottom liquid of the second column.
  • the oxygen content of the bottom liquid of the first column can be 30 to 40%, in particular about 36% and the oxygen content of the bottom liquid of the second column can be about 40 to 60%, in particular about 47%, lie.
  • the oxygen content of the bottom liquid of the third column can be in particular from 90 to 99.9 mol%, in particular around 95 mol%.
  • the first column is operated in a first pressure range
  • the second column is operated in a second pressure range below the first pressure range
  • the third column is operated in a third pressure range below the second (and thus also the first) pressure range.
  • the first pressure range can in particular be 8 to 12 bar, for example approximately 9.0 bar. This can also be the product pressure of the pressurized nitrogen provided in the context of the present invention.
  • the second pressure range is advantageously 4 to 6 bar, in particular approx. 5.5 bar
  • the third pressure range is advantageously 1 to 2 bar, in particular approx. 1.4 bar.
  • the pressure specifications here denote absolute pressures at the head of corresponding columns.
  • the second and third columns are thus operated in the context of the present invention, as already mentioned above, in pressure ranges in which the high and low pressure columns conventionally used in air separation plants are also operated.
  • the first column is operated in a higher pressure range.
  • the third column is fed with bottom liquid from the first column and bottom liquid from the second column.
  • the bottom liquid of the first column it can be a portion of the bottom liquid that is withdrawn from the first column as a whole.
  • the bottom liquid of the second column can in particular be completely transferred into the third column.
  • the bottom liquids transferred into the third column are in particular supercooled beforehand, as also explained below.
  • a first overhead gas condensate is formed from overhead gas from the first column and a second overhead gas condensate is formed from overhead gas from the second column, and further overhead gas from the first column is discharged in gaseous form from the air separation plant.
  • the latter is the initially mentioned, in particular not further compressed nitrogen.
  • the present invention particularly addresses the problem that no corresponding compressor is available and controllable.
  • This pressurized nitrogen has, in particular, a nitrogen content of 95 to 99.9999 mol%.
  • the air separation plant used according to the invention can be distinguished in particular by the use of a so-called combination compressor, which is particularly advantageous in structural terms.
  • This advantage arises in particular when moderate oxygen product pressures of, for example, 6 to 9 bar are used in the internal compression and therefore the corresponding throttle flow in the main heat exchanger does not have to be compressed excessively, i.e. only to, for example, 15 to 21 bar. Therefore, only one compressor stage is required for a booster (Booster Air Compressor, BAC) and this can be combined particularly advantageously with the main air compressor.
  • Booster Air Compressor boosting Air Compressor
  • the air separation plant used can be designed without pre-cooling the air from the inlet to the molecular sieve adsorber. Due to the relatively high process pressure of approx. 9 bar, this air flow has relatively little water and additional air pre-cooling (e.g. by means of a process air cooler in combination with an evaporative cooler or a refrigeration machine, etc.) is not absolutely necessary.
  • a process air cooler is shown downstream of the main air compressor; In many cases, however, this can be replaced by a simple aftercooler.
  • Liquid transfer pumps can largely be dispensed with in the process.
  • there are advantageously no transfer pumps for cryogenic liquids i.e. all liquid flows are fed into the other pressure chambers with the help of (own) process pressures.
  • the return pump used for liquid nitrogen is not a transfer pump, but rather a process pump (the liquid is deliberately pumped to a significantly higher pressure, since the pressures in the two columns are very different).
  • the further top gas of the first column which is discharged in gaseous form from the air separation plant, that is, corresponding pressurized nitrogen, is in one first operating mode in a first amount per time unit and in a second operating mode in a second amount per time unit, which is below the first amount per time unit, discharged from the air separation plant.
  • first operating mode part of the second overhead gas condensate is also transferred into the first column, and in the second operating mode a part of the first overhead gas condensate is transferred into the first column.
  • an air separation plant is designed for the so-called design case, i.e. the optimization of the number of separation stages in the columns and the purity to be set at the top, especially of the second column, depend on the operating case with maximum production quantities.
  • the reflux liquid to the first column or the part of the top gas that is used to provide the first top gas condensate is in (or very close to) thermodynamic equilibrium with the pressure product to be discharged from the same separating tray, i.e. the further top gas, which is gaseous is discharged from the air separation plant. If less is required of the corresponding printed product, it is to be expected that the energy consumption of the system will also be reduced. However, this could not be confirmed in the conventional process execution. However, such an advantage can be achieved in the present invention.
  • the measures proposed according to the invention include that the two columns working under relatively high pressures (namely the first and second columns) optimally share the overhead gas condensates with one another depending on the required product amount of pressurized nitrogen (namely by, as already explained above, in the first operating mode higher pressure nitrogen demand part of the second overhead gas condensate is transferred into the first column and in the second operating mode with lower pressure nitrogen demand part of the first overhead gas condensate is transferred into the first column).
  • the measures proposed according to the invention also develop their advantages because the oxygen yield in a corresponding system in the design case is good, but not necessarily “ideal” (the air factor is around 5.0, with the "air factor” being the ratio of the amount of Oxygen product to the amount of air used, expressed in molar or mass fractions, is to be understood). Therefore it should be possible to reduce the amount of feed air by reducing the amount of pressurized nitrogen.
  • the amount of air used in the first operating mode is more advantageously 1.03 to 1.2 times as much as in the second operating mode.
  • the liquid reflux in this column should also be reduced, since otherwise the optimum reflux ratio (F / D approx. 0.6) is shifted.
  • the amount can be reduced in such a way that the excess “first” top gas condensate from the first column is introduced into the second column.
  • the present invention particularly comprises a switchover between the conveying directions.
  • the reduction in the flow rate of the second overhead gas condensate in the first column or the introduction of the first overhead gas condensate in the second column leads to a sharp increase in the F / D (liquid / vapor) ratio in this second column with a mathematically the same purity at the top . If, on the other hand, the purity at the top of the second column is adjusted so that the F / D ratio is close to the optimum for the number of trays "installed" in the second column, a higher amount of liquid can flow from the second column into the third column are transferred, so that the F / D ratio in a section of the third column can be improved (increased). In this way, oxygen can be washed out better in the third column and the oxygen yield is noticeably increased. Sufficient separation stages must be provided for this.
  • no part of the first overhead gas condensate is transferred into the second column in the first operating mode and no part of the second overhead gas condensate is transferred into the first column in the second operating mode.
  • This smaller amount can for example be less than 10% of the amount in the second operating mode.
  • part of the second overhead gas condensate can also be transferred into the first column both in the first and in the second operating mode, and in this case too, comparable to the previous one, in the second Operating mode a significantly smaller amount is transferred into the first column.
  • This smaller amount can also be, for example, less than 10% of the amount in the first operating mode.
  • an amount of the second overhead gas condensate transferred in the first operating mode into the first column and an amount of the first overhead gas condensate transferred in the second operating mode into the second column can dynamically be added to the amount of the further overhead gas from the first column, which is discharged in gaseous form from the air separation plant.
  • the first and the second operating mode therefore do not have to be static.
  • dynamic transition states between the first and the second operating mode can be provided.
  • the first amount per unit of time can in particular be 1.1 to 2 times the second amount per unit of time. In one example, the first amount per unit of time can be approximately 1.4 times the second amount per unit of time, for example. In a more specific example, the first amount per unit of time can be approximately 15,000 standard cubic meters per hour (Nm 3 / h) and the second amount per unit of time is approximately 11,000 Nm 3 / h.
  • the part of the second overhead gas condensate which is transferred to the first column in the first operating mode can be transferred to the first column in this first operating mode in an amount per unit of time that is, for example, 1.5 to 10 times an amount per unit of time in which the part of the first overhead gas condensate is transferred into the first column in the second operating mode.
  • this value can be 2.7 times, for example, in the more specific example approx. 2,000 Nm 3 / h of second overhead gas condensate is transferred to the first column in the first operating mode and approx. 750 Nm 3 / h in the second operating mode first overhead gas condensate in the second.
  • the first overhead gas condensate can in particular be formed in a first condenser evaporator, by means of which further bottom liquid from the first column and / or liquefied compressed air can be evaporated.
  • This first condenser-evaporator can in particular be used as a top condenser on the first column.
  • An evaporation pressure in the first top condenser can in particular lie between the first and the second pressure range, a condensation pressure lies in particular in the first pressure range.
  • Gas formed by the evaporation in the first condenser-evaporator and / or liquid remaining during the evaporation can be fed into the second column within the scope of the present invention. It is also possible to form the second overhead gas condensate in a further condenser evaporator, by means of which bottom liquid of the third column is evaporated.
  • This further condenser evaporator can in particular be designed analogously to a conventional main condenser in a double column of an air separation plant and as an internal, in particular multi-stage, bath evaporator.
  • an internally compressed oxygen product is also provided.
  • the bottom liquid of the third column is subjected to a pressure increase to a product pressure, converted into a gaseous or supercritical state at the product pressure, and discharged from the air separation plant in the gaseous or supercritical state.
  • the product pressure can in particular be 6 to 8 bar, in particular approx. 7 bar.
  • a production quantity of the internally compressed oxygen product is the same, in particular in the first and second operating mode, or does not differ by more than, for example, approximately 5%.
  • the first overhead gas condensate is advantageously formed with a content of 1 to 3 mol-ppm oxygen, in particular approx. 1.9 mol-ppm oxygen.
  • the second overhead gas condensate is advantageously formed in the first operating mode with a content of 2 to 5 mol-ppm oxygen, in particular approx. 4.3 mol-ppm oxygen, and the second overhead gas condensate is advantageously formed in the second operating mode with a content of 0.1 up to 1 mol-ppm oxygen, in particular about 0.6 mol-ppm oxygen.
  • the first overhead gas condensate can be formed with a content of Y mol-ppm oxygen
  • the second overhead gas condensate then in the first operating mode in particular with a content of 1.2 ⁇ Y to 4.0 ⁇ Y mol-ppm oxygen and in that second mode of operation with a content of 0.1 ⁇ Y to 0.8 ⁇ Y mol-ppm oxygen is formed.
  • Y can be in the range given above.
  • This reflux is, in particular, further fluid from the second column with which the third column is fed.
  • This fluid can be withdrawn as a side stream from the second column, expanded and fed in liquid form as reflux into the third column in an upper region, in particular above the uppermost separating tray.
  • any mutual temperature control of substance flows can take place.
  • the further fluid from the second column, with which the third column is fed, the bottom liquid of the first column, with which the third column is fed, the bottom liquid of the second column, with which the third column is fed, and top gas of the third Column, which is discharged from the air separation plant are subjected to a heat exchange with one another.
  • the further bottom liquid of the first column can likewise be subjected to the heat exchange and discharged in liquid form from the air separation plant.
  • the first column is fed with cooled, gaseous compressed air, which is advantageously re-compressed to a first proportion in a turbine booster and then expanded in the turbine booster.
  • a second component is not compressed in the turbine booster, but only cooled down in the main heat exchanger when there is a corresponding inlet pressure.
  • the part of the second overhead gas condensate which is transferred into the first column in the first operating mode is pressurized by means of a pump and conveyed into the first column.
  • a pump is used here which has a pump bypass provided with a valve (in particular back to the point where the second overhead gas condensate is withdrawn at the top of the second column).
  • This pump bypass is originally intended, for example for commissioning or for regulating the pressure or volume of the pump (especially in the event of severe underload).
  • the flow through the bypass is in one direction, namely to the top of the second column.
  • the part of the first top gas condensate which is fed into the second column can now flow to the second column via this pump bypass.
  • the embodiment of the invention just explained is particularly advantageous in practice because in this way the invention can be implemented without providing a separate line from the first to the second column for conducting the first overhead gas condensate.
  • the first overhead gas condensate can be fed in the opposite direction to the pump and then over the bypass into the second column via the same line through which the second overhead gas condensate flows in the first operating mode.
  • the invention can be implemented purely in terms of control technology in an air separation plant that already has a corresponding line with a pump.
  • the present invention also extends to an air separation plant, the features of which are expressly referred to in the corresponding independent patent claim.
  • an air separation plant is set up to carry out a method, as has been explained above in different configurations, and this has means set up in each case for this purpose.
  • express reference is made to the explanations relating to the method according to the invention.
  • Air separation plants 100, 200 are shown, each of which corresponds to embodiments of the present invention insofar as they fall under the scope of the claims.
  • the air separation plants 100, 200 are equipped with a column system, each of which is designated as a whole by 10.
  • the column systems 10 each have a first column 11, a second column 12 and a third column 13.
  • the second column 12 and the third column 13 are each designed as parts of a double column of a basically known type.
  • the first column 11 is formed separately from the second column 12 and the third column 13.
  • the first column 11 is equipped with an overhead condenser 111 which is used to condense overhead gas from the first column 11 and thus to provide the overhead gas condensate previously referred to as “first overhead gas condensate”.
  • Bottom liquid from the first column 12 and cooled compressed air are fed into the top condenser 111 (see below).
  • the second column 12 and the third column 13 are in heat-exchanging connection with one another via an internal condenser-evaporator 121, the so-called main condenser.
  • the main condenser 121 serves on the one hand to condense an overhead gas of the second column 12 and thus to provide the "second overhead gas condensate" and on the other hand to evaporate a bottom liquid of the third column 13.
  • the second column 12 and the third column 13 can also be formed separately.
  • the main capacitor 121 can alternatively also be formed on the outside.
  • Various types of condenser evaporators can be used as the main condensers 121.
  • a feed air stream a is sucked in from the atmosphere generally designated A here by means of a main air compressor 101 via a filter, which is not separately designated and shown in hatching, then cooled in an aftercooler, likewise not designated separately, and fed to a direct contact cooler 102, which is supplied with cooling water W is operated.
  • the feed air flow is in an adsorption device 103 in many cases in the Freed from water and carbon dioxide as described in the literature.
  • the correspondingly treated and thus purified feed air flow is then divided into two partial flows b and c.
  • Partial flow b is recompressed in a compressor stage 104 integrated with main air compressor 101 and then divided into two partial flows d and e, with partial flow d being recompressed in a turbine booster 105, then partially cooled in main heat exchanger 106, expanded in turbine booster 105 and into the first column 11 is fed in.
  • the substream e is only cooled in the main heat exchanger, liquefied due to the higher pressure than the substream c, and fed into the top condenser 111.
  • the substream c is passed through the main heat exchanger 106 and, after cooling, fed in gaseous form together with the substream d into the first column 11.
  • Bottom liquid from the first column 11 is withdrawn from this and divided into two substreams f and g.
  • the substream f is fed into the top condenser 111, the substream g after cooling in a subcooling countercurrent 107 into the third column 13 (cf. link 1).
  • Top gas from the top of the first column 11 is heated in the form of a substream h in the main heat exchanger 106 and discharged from the air separation plant 100, 200 as nitrogen product H under pressure. Further overhead gas is condensed in the overhead condenser 111 and thus used as material flow k to provide the first overhead gas condensate. A portion of the condensate formed can also be discharged as liquid nitrogen product K.
  • Bottom liquid is formed in the second column 12 and is subcooled in the form of a material flow m in the subcooling countercurrent 107 and then fed into the third column 13.
  • Top gas of the second column can be heated and discharged in the form of a stream n, for example to provide seal gas N. Further overhead gas is used in the form of a stream o to provide the second overhead gas condensate.
  • a side stream from the second column (cf. link 1) is expanded into the third column 13 after subcooling in the subcooling countercurrent 107 from the second column 12.
  • Bottom liquid of the third column 13 can be withdrawn from this in the form of a stream p, liquid pressure increased in a pump 108, evaporated and provided as an internally compressed oxygen product P. A part can also follow Subcooling can be provided as liquid oxygen product X. Impure nitrogen can be withdrawn from the top of the third column 13 in the form of a stream q, heated in the subcooling countercurrent 107, further heated in the main heat exchanger 106 and used, for example, as a regeneration gas.
  • first operating mode part of the second overhead gas condensate is transferred from the second column 12 into the first column 11
  • second operating mode a part of the first overhead gas condensate is transferred from the second column 12 transferred into the first column 11.
  • a pump 109 and a valve which is not specifically designated, are present in the air separation plant 100, which are controlled via a control unit 50, which also serves to initiate the first and second operating modes.
  • a pump bypass 201 is used in the system 200 to implement the first and second operating modes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem eine Luftzerlegungsanlage (100, 200) verwendet wird, die eine erste Kolonne (11), eine zweite Kolonne (12) und eine dritte Kolonne (13) aufweist, wobei die erste Kolonne (11) in einem ersten Druckbereich, die zweite Kolonne (12) in einem zweiten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs liegt, und die dritte Kolonne (13) in einem dritten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs und des zweiten Druckbereichs liegt, betrieben wird, wobei die dritte Kolonne (13) mit Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne (11) und Sumpfflüssigkeit der zweiten Kolonne (12) gespeist wird, wobei aus Kopfgas der ersten Kolonne (11) ein erstes Kopfgaskondensat und aus Kopfgas der zweiten Kolonne (12) ein zweites Kopfgaskondensat gebildet wird, und wobei weiteres Kopfgas der ersten Kolonne (11) gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird. Es ist vorgesehen, dass das weitere Kopfgas der ersten Kolonne (11), das gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird, in einem ersten Betriebsmodus in einer ersten Menge pro Zeiteinheit und in einem zweiten Betriebsmodus in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die unterhalb der ersten Menge pro Zeiteinheit liegt, aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird, dass in dem ersten Betriebsmodus ein Teil des zweiten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne (11) überführt wird, und dass in dem zweiten Betriebsmodus ein Teil des ersten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne (11) Kolonne überführt wird. Eine Luftzerlegungsanlage (100, 200) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

  • Die vorliegende 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.
  • Luftzerlegungsanlagen weisen Kolonnensysteme auf, die herkömmlicherweise beispielsweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelkolonnensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben den Kolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Kolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Die Begriffe "Rektifikation" und "Destillation" sowie "Kolonne" und "Säule" bzw. zusammengesetzte Begriffe werden synonym verwendet.
  • Die Kolonnen der genannten Kolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Hochdruckkolonne (auch als Druckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (auch als obere Kolonne bezeichnet) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druckniveau von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die Niederdruckkolonne wird auf einem Druckniveau von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in beiden Kolonnen auch höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen.
  • Insbesondere zur Bereitstellung von gasförmigem Stickstoff auf einem deutlich überatmosphärischen Druckniveau bei gleichzeitig großen Produktionsmengen können angepasste Luftzerlegungsanlagen verwendet werden, die neben den zwei erläuterten Kolonnen eine zusätzliche Kolonne aufweisen, welche bei nochmals höherem Druck, beispielsweise bei 8 bis 12 bar, betrieben wird. Gasförmiger Stickstoff kann als Kopfprodukt aus dieser zusätzlichen Kolonne entnommen werden und muss, falls er bei einem entsprechenden Druckniveau benötigt wird, nicht mehr verdichtet werden, so dass kein entsprechender Verdichter zur Verdichtung von gasförmigem Stickstoff vorhanden ist. Die zusätzliche Kolonne wird mit einem Kondensatorverdampfer betrieben, der Kopfgas der zusätzlichen Kolonne kondensiert, so dass ein Rücklauf auf die zusätzliche Kolonne bereitgestellt werden kann.
  • Die Auslegung von Luftzerlegungsanlagen erfolgt (in der Regel) basierend auf einem sogenannten Designfall mit maximallen Produktmengen. Andere (vorstellbaren) Betriebsfälle werden ausgehend von diesem Fall umgerechnet. Werden in der Luftzerlegungsanlage unterschiedliche Produkte hergestellt, beispielsweise zusätzlich zu dem erwähnten Druckstickstoff innenverdichteter Sauerstoff (zum Begriff der Innenverdichtung siehe unten), ist häufig damit zu rechnen, dass diese Produkte in unterschiedlichen Produktmengen angefordert werden. Eine entsprechende Skalierung der Produktionsmengen ist daher wünschenswert. Beispielsweise umfasst ein gewünschter Betriebsfall die Produktion von 100% (der Maximalmenge des Designfalls) innenverdichtetem Sauerstoff und ca. 75% Druckstickstoff. Es ist aber auch die Einstellung anderer Produktverhältnisse vorstellbar, da der Betrieb der Anlage oft von der Auslegung abweicht.
  • Wird Druckstickstoff unter Einsatz einer weiteren Verdichtung bereitgestellt, kann man den verwendeten Verdichter bei geringerer Nachfrage in einem Turndownmodus betreiben bzw. im Falle einer Teilnachverdichtung ganz abschalten, ohne dass der Rest der Anlage dadurch beeinflusst wird. Bei den erläuterten Luftzerlegungsanlagen mit zusätzlicher Kolonne, in denen kein entsprechender Verdichter vorhanden ist, ist diese Möglichkeit zur Regelung nicht vorhanden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Lösungen zu finden, mittels welcher auch in den erläuterten Luftzerlegungsanlagen mit zusätzlicher Kolonne ein flexibler Betrieb gewährleistet werden kann.
    • 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. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung näher erläutert und nachfolgend verwendete Begriffe definiert.
  • Die in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus", beschrieben. Sofern die nachfolgenden Definitionen nicht hiervon abweichen, wird daher zum Sprachgebrauch, der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, ausdrücklich auf die zitierte Fachliteratur verwiesen.
  • Flüssigkeiten und Gase können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder an mehreren Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der Definition von "reich" entsprechen. Flüssigkeiten und Gase können ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen Gehalt in einer Ausgangsflüssigkeit oder einem Ausgangsgas beziehen, aus der oder dem die Flüssigkeit oder das Gas gewonnen wurde. Die Flüssigkeit oder das Gas sei "angereichert", wenn diese oder dieses zumindest den 1,1-fachen, 1,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, und "abgereichert", wenn diese oder dieses höchstens den 0,9-fachen, 0,5-fachen, 0,1-fachen, 0,01-fachen oder 0,001-fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf die Ausgangsflüssigkeit oder das Ausgangsgas, enthält. Ist hier beispielsweise von "Sauerstoff", "Stickstoff" oder "Argon" die Rede, sei hierunter auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, die bzw. das reich an Sauerstoff oder Stickstoff ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss.
  • Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckbereich" und "Temperaturbereich", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage 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% oder 20% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckbereiche und Temperaturbereiche können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckbereiche unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturbereiche. Bei den bezüglich der Druckbereiche in bar angegebenen Werten handelt es sich um Absolutdrücke.
  • Ist hier von "Entspannungsmaschinen" die Rede, seien darunter typischerweise bekannte Turboexpander (kurz auch als "Turbinen" bezeichnet) verstanden. Diese Entspannungsmaschinen können insbesondere auch mit Verdichtern gekoppelt sein. Bei diesen Verdichtern kann es sich insbesondere um Turboverdichter handeln. Eine entsprechende Kombination aus Turboexpander und Turboverdichter wird typischerweise auch als "Turbinenbooster" bezeichnet. In einem Turbinenbooster sind der Turboexpander und der Turboverdichter mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein geeignetes übersetzendes Getriebe) erfolgen kann. Allgemein wird hier der Begriff "Verdichter" verwendet.
  • Ein "Hauptluftverdichter" zeichnet sich dadurch aus, dass durch ihn die gesamte, der Luftzerlegungsanlage zugeführte und dort zerlegte Luft verdichtet wird. Hingegen wird in einem oder mehreren optional vorgesehenen weiteren Verdichtern, beispielsweise Nachverdichtern, nur jeweils ein Anteil dieser bereits zuvor im Hauptluftverdichter verdichteten Luft weiter verdichtet. Entsprechend stellt der "Hauptwärmetauscher" einer Luftzerlegungsanlage den Wärmetauscher dar, in dem zumindest der überwiegende Anteil der der Luftzerlegungsanlage zugeführten und dort zerlegten Luft abgekühlt wird. Dies erfolgt zumindest zum Teil im Gegenstrom zu Stoffströmen, die aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Solche "ausgeleiteten" Stoffströme oder auch "Produkte" sind im hier verwendeten Sprachgebrauch Fluide, die nicht mehr an anlageninternen Kreisläufen teilnehmen, sondern diesen dauerhaft entzogen werden.
  • Ein "Wärmetauscher" zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in fachüblicher Art ausgebildet sein. Er dient zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei z.B. im Gegenstrom zueinander geführten Fluidströmen, beispielsweise einem warmen Druckluftstrom und einem oder mehreren kalten Fluidströmen oder einem tiefkalten flüssigen Luftprodukt und einem oder mehreren warmen bzw. wärmeren, ggf. aber auch noch tiefkalten Fluidströmen. Ein Wärmetauscher kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Es handelt sich beispielsweise um einen Plattenwärmetauscher (engl. Plate Fin Heat Exchanger). Ein derartiger Wärmetauscher weist "Passagen" auf, die als voneinander getrennte Fluidkanäle mit Wärmeaustauschflächen ausgebildet und parallel und, insbesondere durch andere Passagen getrennt, zu "Passagengruppen" zusammengeschlossen sind. Kennzeichen eines Wärmetauschers ist, dass in ihm zu einem Zeitpunkt Wärme zwischen zwei mobilen Medien ausgetauscht wird, nämlich wenigstens einem abzukühlenden und wenigstens einem zu erwärmenden Fluidstrom.
  • Als "Kondensatorverdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensatorverdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf. Verflüssigungs- und Verdampfungsraum weisen Verflüssigungs- bzw. Verdampfungspassagen auf. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Der Verdampfungs- und der Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
  • Die relativen räumlichen Begriffe "oben", "unten", "über", "unter", "oberhalb", "unterhalb", "neben", "nebeneinander", "vertikal", "horizontal" etc. beziehen sich hier auf die räumliche Ausrichtung der Rektifikationskolonnen einer Luftzerlegungsanlage oder anderer Komponenten im Normalbetrieb. Unter einer Anordnung zweier Komponenten "übereinander" wird hier verstanden, dass das sich obere Ende der unteren der beiden Komponenten auf niedrigerer oder gleicher geodätischer Höhe befindet wie das untere Ende der oberen der beiden Komponenten und sich die Projektionen der beiden Apparateteile in einer horizontalen Ebene überschneiden. Insbesondere sind die beiden Komponenten genau übereinander angeordnet, das heißt die Achsen der beiden Komponenten verlaufen auf derselben vertikalen Geraden. Die Achsen der beiden Komponenten müssen jedoch nicht genau senkrecht übereinander liegen, sondern können auch gegeneinander versetzt sein, insbesondere wenn einer der beiden Komponenten, beispielsweise eine Rektifikationskolonne oder ein Kolonnenteil mit geringerem Durchmesser, denselben Abstand zum Blechmantel einer Coldbox aufweisen soll wie ein anderer mit größerem Durchmesser.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schlägt insgesamt ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft vor, bei dem eine Luftzerlegungsanlage mit einem Kolonnensystem verwendet wird, das eine erste Kolonne, eine zweite Kolonne und eine dritte Kolonne aufweist.
  • Die erste bis dritte Kolonne gehen in der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage aus der Erweiterung eines klassischen, aus dem Stand der Technik bekannten Doppelkolonnensystems um eine zusätzliche, auf einem höheren Druck als die herkömmlicherweise vorhandene Hochdruckkolonne betriebene Kolonne hervor.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert, die erste Kolonne insbesondere baulich separat zur zweiten und dritten Kolonne bereitgestellt sein, wobei die zweite und die dritte Kolonne insbesondere Teil einer Doppelkolonne sein können und mittels eines entsprechenden Kondensatorverdampfers, dem sogenannten Hauptkondensator, in wärmetauschender Verbindung miteinander stehen können. Es können jedoch auch abweichende Anordnungen hiervon getroffen werden; die vorliegende Erfindung ist durch die soeben vorgenommenen Erläuterungen nicht beschränkt.
  • Insbesondere können die zweite und die dritte Kolonne, die als Teil einer Doppelkolonne ausgebildet sind, in einem entsprechenden Mehrfachkolonnensystem auch um eine zusätzliche Kolonne ergänzt werden, oder die zweite und die dritte Kolonne können als separate Kolonnen bereitgestellt werden. Der erwähnte Hauptkondensator kann als innenliegender oder als außenliegender Hauptkondensator bereitgestellt werden, wie grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Einsatz eines innenliegenden Hauptkondensators ist dieser zumindest teilweise in einer Sumpfflüssigkeit im Sumpf der dritten Kolonne untergetaucht und ein zu kondensierendes Kopfgas aus der zweiten Kolonne wird durch einen Kondensationsraum des Hauptkondensators geführt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können weitere Kolonnen zusätzlich zur ersten bis dritten Kolonne vorhanden sein. So kann eine vierte Kolonne bereitgestellt werden, die insbesondere zur Argongewinnung bzw. Argonausschleusung aus einem Gasgemisch, das aus der dritten Kolonne entnommen wird, dienen kann. Die vierte Kolonne kann insbesondere eine herkömmlich Rohargonkolonne einer bekannten Anordnung mit Roh- und Reinargonkolonne sein, es kann sich jedoch auch um eine modifizierte Argonkolonne handeln, der ohne Verwendung einer zusätzlichen Reinargonkolonne Argon in reinem Zustand unterhalb des Kopfs entnommen wird. Auch andere Varianten sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Entsprechende Ausgestaltungen sind in Kombination mit sämtlichen Ausgestaltungen der Erfindung, die weiter unten angegeben sind, möglich, werden jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht wiederholt erläutert.
  • Wie ebenfalls insoweit aus dem Bereich der Luftzerlegung bekannt und üblich, werden in der ersten Kolonne, in der zweiten Kolonne und in der dritten Kolonne jeweils eine Sumpfflüssigkeit gebildet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Sumpfflüssigkeit der zweiten Kolonne insbesondere mit einem höheren Sauerstoffgehalt als die Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne gebildet und die Sumpfflüssigkeit der dritten Kolonne wird mit einem höheren Sauerstoffgehalt als die Sumpfflüssigkeit der zweiten Kolonne gebildet. Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Sauerstoffgehalt der Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne bei 30 bis 40%, insbesondere bei ca. 36% und der Sauerstoffgehalt der Sumpfflüssigkeit der zweiten Kolonne bei ca. 40 bis 60%, insbesondere bei ca. 47%, liegen. Der Sauerstoffgehalt der Sumpfflüssigkeit der dritten Kolonne kann insbesondere bei 90 bis 99,9 mol-%, insbesondere bei ca. 95 mol-%, liegen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die erste Kolonne in einem ersten Druckbereich betrieben, die zweite Kolonne wird in einem zweiten Druckbereich unterhalb des ersten Druckbereichs betrieben und die dritte Kolonne wird in einem dritten Druckbereich unterhalb des zweiten (und damit auch des ersten) Druckbereichs betrieben. Der erste Druckbereich kann insbesondere bei 8 bis 12 bar, beispielsweise bei ca. 9,0 bar, liegen. Dies kann auch der Produktdruck des im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Druckstickstoffs sein. Der zweite Druckbereich liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise bei 4 bis 6 bar, insbesondere bei ca. 5,5 bar und der dritte Druckbereich liegt vorteilhafterweise bei 1 bis 2 bar, insbesondere bei ca. 1,4 bar. Wie erwähnt, bezeichnen die Druckangaben hier jeweils Absolutdrücke am Kopf entsprechender Kolonnen. Die zweite und dritte Kolonne werden damit im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie bereits zuvor erwähnt, in Druckbereichen betrieben, in denen auch die herkömmlicherweise in Luftzerlegungsanlagen eingesetzten Hoch- und Niederdruckkolonnen betrieben werden. Die erste Kolonne wird hingegen in einem höheren Druckbereich betrieben.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die dritte Kolonne mit Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne und Sumpfflüssigkeit der zweiten Kolonne gespeist. Es kann sich insbesondere im Fall der Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne um einen Anteil der Sumpfflüssigkeit handeln, der der ersten Kolonne insgesamt entnommen wird. Die Sumpfflüssigkeit der zweiten Kolonne kann insbesondere vollständig in die dritte Kolonne überführt werden. Die in die dritte Kolonne überführten Sumpfflüssigkeiten werden dabei zuvor insbesondere unterkühlt, wie auch unten erläutert.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird aus Kopfgas der ersten Kolonne ein erstes Kopfgaskondensat und aus Kopfgas der zweiten Kolonne ein zweites Kopfgaskondensat gebildet, und weiteres Kopfgas der ersten Kolonne wird gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet. Bei letzterem handelt es sich um den eingangs erwähnten, insbesondere nicht weiter nachverdichteten Druckstickstoff. Wie erwähnt, adressiert die vorliegende Erfindung insbesondere das Problem, dass kein entsprechender Verdichter vorhanden und regelbar ist. Dieser Druckstickstoff weist insbesondere einen Stickstoffgehalt von 95 bis 99,9999 mol-% auf.
  • Neben dem Fehlen eines Stickstoff-Produktverdichters kann sich die erfindungsgemäß eingesetzte Luftzerlegungsanlage insbesondere durch die insbesondere in baulicher Hinsicht besonders vorteilhafte Verwendung eines sogenannten Kombiverdichters auszeichnen. Dieser Vorteil ergibt sich insbesondere dann, wenn moderate Sauerstoff-Produktdrücke von beispielsweise 6 bis 9 bar in der Innenverdichtung verwendet werden und daher auch der entsprechende Drosselstrom im Hauptwärmetauscher nicht übermäßig stark, d.h. nur auf beispielsweise 15 bis 21 bar, verdichtet werden muss. Daher wird für einen Nachverdichter (Booster Air Compressor, BAC) nur eine Verdichterstufe benötigt und diese kann besonders vorteilhaft mit dem Hauptluftverdichter kombiniert werden. Beispielsweise kann auf diese Weise eine ausgesprochen kostengünstige Ausführung mit insgesamt fünf Verdichterstufen (vier Stufen für den Hauptluftverdichter, MAC, und eine Stufe für den BAC zur Verdichtung von Drosselstrom und Turbinenstrom) in einer Maschine gewählt werden.
  • Ferner ist in der eingesetzten Luftzerlegungsanlage aufgrund des Betriebs der "warmen" Anlagenteile bei ca. 9 bar eine Ausführung ohne Vorkühlung der Luft vom Eintritt in den Molsiebadsorber möglich. Aufgrund des relativ hohen Prozessdrucks von ca. 9 bar weist dieser Luftstrom relativ wenig Wasser auf und eine zusätzliche Luftvorkühlung (z.B. mittels eines Prozessluftkühlers in Kombination mit einem Verdunstungskühler oder einer Kältemaschine etc.) ist nicht zwingend notwendig. In den beigefügten Zeichnungen ist zwar ein Prozessluftkühler stromabwärts dem Hauptluftverdichters gezeigt; dieser kann aber in vielen Fällen durch einen einfachen Nachkühler ersetzt werden.
  • Auf Flüssigtransferpumpen kann in dem Prozess weitgehend verzichtet werden. In dem vorgeschlagenen Prozess existieren vorteilhafterweise keine Transferpumpen für kryogene Flüssigkeiten, d.h. alle Flüssigströme werden mithilfe von (eigenen) Prozessdrücken in die anderen Druckräume gespeist. Die eingesetzte Rücklaufpumpe für Flüssigstickstoff ist dabei keine Transfer- sondern eher eine Prozesspumpe (die Flüssigkeit wird bewusst auf deutlich höheren Druck gepumpt, da der Drücke in beiden Kolonnen sehr unterschiedlich sind).
  • Erfindungsgemäß wird das weitere Kopfgas der ersten Kolonne, das gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird, also entsprechender Druckstickstoff, in einem ersten Betriebsmodus in einer ersten Menge pro Zeiteinheit und in einem zweiten Betriebsmodus in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die unterhalb der ersten Menge pro Zeiteinheit liegt, aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet. In dem ersten Betriebsmodus wird ferner ein Teil des zweiten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne überführt, und in dem zweiten Betriebsmodus wird ein Teil des ersten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne überführt wird.
  • Wie eingangs erläutert, erfolgt die Auslegung einer Luftzerlegungsanlage für den sogenannten Designfall, d.h. die Optimierung der Trennstufenzahl in den Kolonnen sowie die einzustellende Reinheit am Kopf insbesondere der zweiten Kolonne richten sich nach dem Betriebsfall mit maximalen Produktionsmengen. Die Rücklaufflüssigkeit auf die erste Kolonne bzw. der Teil des Kopfgases, der zur Bereitstellung des ersten Kopfgaskondensats verwendet wird, steht dabei im (bzw. liegt sehr nahe am) thermodynamischen Gleichgewicht mit dem vom gleichen Trennboden abzuführenden Druckprodukt, also dem weiteren Kopfgas, das gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird. Wird weniger an entsprechendem Druckprodukt gefordert, ist es zu erwarten, dass die Energieaufnahme der Anlage ebenfalls reduziert wird. Dies konnte jedoch in der herkömmlichen Prozessausführung nicht bestätigt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann jedoch ein derartiger Vorteil erzielt werden.
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen umfassen, dass sich die beiden, unter relativ hohen Drücken arbeitenden Kolonnen (nämlich die erste und zweite Kolonne) die Kopfgaskondensate je nach geforderter Produktmenge an Druckstickstoff optimal miteinander teilen (nämlich indem, wie bereits zuvor erläutert, in dem ersten Betriebsmodus bei höherer Druckstickstoffnachfrage ein Teil des zweiten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne überführt wird und in dem zweiten Betriebsmodus bei geringerer Druckstickstoffnachfrage ein Teil des ersten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne überführt wird).
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen entfalten ihre Vorteile auch deshalb, weil die Sauerstoffausbeute in einer entsprechenden Anlage im Designfall gut, aber nicht notwendigerweise "ideal" ist (der Luftfaktor liegt bei ca. 5,0, wobei unter dem "Luftfaktor" das Verhältnis der Menge des Sauerstoffprodukts zur Einsatzluftmenge, ausgedrückt in Mol- oder Masseanteilen, zu verstehen ist). Daher soll es durch eine Reduktion der Druckstickstoffmenge möglich sein, auch die Menge der Einsatzluft zu reduzieren. Die Einsatzluftmenge liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung in dem ersten Betriebsmodus vorteilhafter beim 1,03- bis 1,2-fachen wie in dem zweiten Betriebsmodus.
    Wird die am Kopf der ersten Rektifikationskolonne zu entnehmende Kopfgasmenge in dem zweiten Betriebsmodus reduziert, sollte auch der Flüssigrücklauf in dieser Kolonne reduziert werden, da ansonsten das optimale Rücklaufverhältnis (F/D ca. 0,6) verschoben wird. Die Menge kann dabei derart reduziert werden, dass das überschüssige "erste" Kopfgaskondensat aus der ersten Kolonne in die zweite Kolonne eingeleitet wird. Die vorliegende Erfindung umfasst insbesondere eine Umschaltung zwischen den Förderrichtungen.
  • Die Reduzierung der Fördermenge des zweiten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne bzw. die Einleitung von erstem Kopfgaskondensat in die zweite Kolonne führt zu einer starken Erhöhung des F/D-(Flüssigkeit/Dampf-)Verhältnisses in dieser zweiten Kolonne bei einer rechnerisch gleichen Reinheit am Kopf. Wird die Reinheit am Kopf der zweiten Kolonne dagegen so angepasst, dass das F/D-Verhältnis für die in der zweiten Kolonne "installierte" Anzahl von Trennböden nahe am Optimum liegt, kann eine höhere Menge an Flüssigkeit aus der zweiten Kolonne in die dritte Kolonne überführt werden, so dass auch das F/D-Verhältnis in einem Abschnitt der dritten Kolonne verbessert (erhöht) werden kann. Auf diese Weise kann in der dritten Kolonne Sauerstoff besser ausgewaschen werden und die Sauerstoffausbeute wird spürbar erhöht. Hierzu müssen genügend Trennstufen vorgesehen sein.
  • Vorteilhafterweise wird in dem ersten Betriebsmodus kein Teil des ersten Kopfgaskondensats in die zweite Kolonne überführt und in dem zweiten Betriebsmodus wird kein Teil des zweiten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne überführt. Es ist aber auch möglich, sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Betriebsmodus einen Teil des ersten Kopfgaskondensats in die zweite Kolonne überführen, wobei in diesem Fall aber in dem ersten Betriebsmodus eine deutlich geringere Menge in die zweite Kolonne überführt wird. Diese geringere Menge kann beispielsweise bei weniger als 10% der Menge im zweiten Betriebsmodus liegen. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Betriebsmodus ein Teil des zweiten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne überführt werden, wobei auch in diesem Fall, vergleichbar wie zuvor, in dem zweiten Betriebsmodus eine deutlich geringere Menge in die erste Kolonne überführt wird. Diese geringere Menge kann auch hier beispielsweise bei weniger als 10% der Menge im ersten Betriebsmodus liegen. Ferner kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Menge des in dem ersten Betriebsmodus in die erste Kolonne überführten zweiten Kopfgaskondensats und eine Menge des in dem zweiten Betriebsmodus in die zweite Kolonne überführten ersten Kopfgaskondensats dynamisch an die Menge des weiteren Kopfgases aus der ersten Kolonne, das gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird, angepasst werden. Der erste und der zweite Betriebsmodus müssen also nicht statisch sein. Insbesondere können dynamische Übergangszustände zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus vorgesehen sein.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die erste Menge pro Zeiteinheit insbesondere beim 1,1-fachen bis 2-fachen der zweiten Menge pro Zeiteinheit liegen. In einem Beispielfall kann die erste Menge pro Zeiteinheit beispielsweise beim ca. 1,4-fachen der zweiten Menge pro Zeiteinheit liegen. In einem konkreteren Beispiel kann die erste Menge pro Zeiteinheit bei ca. 15.000 Normkubikmetern pro Stunde (Nm3/h) und die zweite Menge pro Zeiteinheit bei ca. 11.000 Nm3/h liegen.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Teil des zweiten Kopfgaskondensats, der in dem ersten Betriebsmodus in die erste Kolonne überführt wird, in diesem ersten Betriebsmodus in einer Menge pro Zeiteinheit in die erste Kolonne überführt werden, die beim z.B. 1,5-fachen bis 10-fachen einer Menge pro Zeiteinheit liegt, in der der Teil des ersten Kopfgaskondensats in dem zweiten Betriebsmodus in die erste Kolonne überführt wird. In dem erläuterten Beispielfall kann dieser Wert beispielsweise beim 2,7-fachen liegen, im konkreteren Beispiel werden ca. 2.000 Nm3/h zweites Kopfgaskondensat in dem ersten Betriebsmodus in die erste Kolonne überführt und in dem zweiten Betriebsmodus ca. 750 Nm3/h erstes Kopfgaskondensat in die zweite.
  • Das erste Kopfgaskondensat kann insbesondere in einem ersten Kondensatorverdampfer gebildet werden, mittels dessen weitere Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne und/oder verflüssigte Druckluft verdampft werden. Dieser erste Kondensatorverdampfer kann insbesondere als Kopfkondensator auf die erste Kolonne eingesetzt werden. Ein Verdampfungsdruck in dem ersten Kopfkondensator kann insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Druckbereich liegen, ein Kondensationsdruck liegt insbesondere im ersten Druckbereich.
  • Durch das Verdampfen in dem ersten Kondensatorverdampfer gebildetes Gas und/oder bei dem Verdampfen verbleibende Flüssigkeit kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in die zweite Kolonne eingespeist werden. Ebenso ist es möglich, das zweite Kopfgaskondensat in einem weiteren Kondensatorverdampfer zu bilden, mittels dessen Sumpfflüssigkeit der dritten Kolonne verdampft wird. Dieser weitere Kondensatorverdampfer kann insbesondere analog zu einem herkömmlichen Hauptkondensator in einer Doppelsäule einer Luftzerlegungsanlage und als innenliegender, insbesondere mehrstufiger Badverdampfer ausgebildet sein.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ferner ein innenverdichtetes Sauerstoffprodukt bereitgestellt. Insbesondere wird dabei Sumpfflüssigkeit der dritten Kolonne flüssig einer Druckerhöhung auf einen Produktdruck unterworfen, auf dem Produktdruck in gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und im gasförmigen oder überkritischen Zustand aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet. Der Produktdruck kann in betrachteten Fall insbesondere bei 6 bis 8 bar, insbesondere ca. 7 bar, liegen. Eine Produktionsmenge des innenverdichteten Sauerstoffprodukts ist dabei insbesondere in dem ersten und zweiten Betriebsmodus gleich oder unterscheidet sich um nicht mehr als beispielsweise ca. 5%.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das erste Kopfgaskondensat vorteilhafterweise mit einem Gehalt von 1 bis 3 mol-ppm Sauerstoff, insbesondere ca. 1,9 mol-ppm Sauerstoff, gebildet. Das zweite Kopfgaskondensat wird in dem ersten Betriebsmodus vorteilhafterweise mit einem Gehalt von 2 bis 5 mol-ppm Sauerstoff, insbesondere ca. 4,3 mol-ppm Sauerstoff gebildet, und das zweite Kopfgaskondensat wird in dem zweiten Betriebsmodus vorteilhafterweise mit einem Gehalt von 0,1 bis 1 mol-ppm Sauerstoff, insbesondere ca. 0,6 mol-ppm Sauerstoff, gebildet.
  • Allgemeiner gesprochen kann das erste Kopfgaskondensat mit einem Gehalt von Y mol-ppm Sauerstoff gebildet werden, wobei das zweite Kopfgaskondensat dann in dem ersten Betriebsmodus insbesondere mit einem Gehalt von 1,2 × Y bis 4,0 × Y mol-ppm Sauerstoff und in dem zweiten Betriebsmodus mit einem Gehalt von 0,1 × Y bis 0,8 × Y mol-ppm Sauerstoff gebildet wird. Y kann im oben angegebenen Bereich liegen.
  • Mit anderen Worten erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung damit die bereits zuvor erläuterte Anpassung, die die Sauerstoffausbeute in der dritten Kolonne aufgrund der erhöhbaren Rücklaufmenge aus der zweiten in die dritte Kolonne erhöht.
  • Bei diesem Rücklauf handelt es sich insbesondere um weiteres Fluid aus der zweiten Kolonne, mit dem die dritte Kolonne gespeist wird. Dieses Fluid kann als Seitenstrom aus der zweiten Kolonne entnommen, entspannt und in einem oberen Bereich, insbesondere oberhalb des obersten Trennbodens, flüssig als Rücklauf in die dritte Kolonne eingespeist werden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine beliebige wechselseitige Temperierung von Stoffströmen erfolgen. So können das weitere Fluid aus der zweiten Kolonne, mit dem die dritte Kolonne gespeist wird, die Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne, mit der die dritte Kolonne gespeist wird, die Sumpfflüssigkeit der zweiten Kolonne, mit der die dritte Kolonne gespeist wird, und Kopfgas der dritten Kolonne, das aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird, einem Wärmetausch miteinander unterworfen werden. Die weitere Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne kann in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ebenfalls dem Wärmetausch unterworfen und flüssig aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden.
  • Die erste Kolonne wird mit abgekühlter, gasförmiger Druckluft gespeist, die vorteilhafterweise zu einem ersten Anteil in einem Turbinenbooster nachverdichtet und danach in dem Turbinenbooster entspannt wird. Ein zweiter Anteil wird nicht in dem Turbinenbooster verdichtet, sondern lediglich bei einem entsprechenden Eingangsdruck im Hauptwärmetauscher abgekühlt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Teil des zweiten Kopfgaskondensats, der in dem ersten Betriebsmodus in die erste Kolonne überführt wird, mittels einer Pumpe druckbeaufschlagt und in die erste Kolonne gefördert. Dabei wird eine Pumpe verwendet, die einen mit einem Ventil versehenen Pumpenbypass (insbesondere zurück zur Stelle der Entnahme des zweiten Kopfgaskondensats am Kopf der zweiten Kolonne) aufweist. Dieser Pumpenbypass ist originär, beispielsweise zur Inbetriebnahme oder zur Druck- bzw. Mengenregelung der Pumpe (vor allem im starken Unterlastfall) vorgesehen. Der Bypass wird nur in eine Richtung durchströmt, nämlich zum Kopf der zweiten Kolonne. In dem zweiten Betriebsmodus, in dem die Pumpe typischerweise nicht betrieben wird, kann nun der Teil des ersten Kopfgaskondensats, der in die zweite Kolonne geführt wird, über diesen Pumpenbypass zur zweiten Kolonne strömen.
  • Die soeben erläuterte Ausführungsform der Erfindung ist in der Praxis besonders vorteilhaft, weil sich auf diese Weise die Erfindung ohne die Bereitstellung einer separaten Leitung von der ersten zur zweiten Kolonne zur Führung des ersten Kopfgaskondensats realisieren lässt. Das erste Kopfgaskondensat kann in dieser Ausgestaltung über dieselbe Leitung, über die in dem ersten Betriebsmodus das zweite Kopfgaskondensat strömt, in der Gegenrichtung dazu bis zur Pumpe und anschließend über den Bypass in die zweite Kolonne geführt werden. Auf diese Weise lässt sich die Erfindung in einer Luftzerlegungsanlage, die bereits eine entsprechende Leitung mit Pumpe aufweist, rein regelungstechnisch umsetzen.
  • Die vorliegende Erfindung erstreckt sich schließlich auch auf eine Luftzerlegungsanlage, zu deren Merkmalen ausdrücklich auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch verwiesen wird. Insbesondere ist eine derartige Luftzerlegungsanlage zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde, und diese weist hierzu jeweils eingerichtete Mittel auf. Zu Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage sei auf die Erläuterungen betreffend das erfindungsgemäße Verfahren ausdrücklich verwiesen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung und nicht erfindungsgemäße Ausführungsformen veranschaulichen.
    • Figurenbeschreibung
  • In den Figuren 1 und 2 sind Luftzerlegungsanlagen 100, 200 gezeigt, die jeweils Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung entsprechen, soweit sie unter den Schutzbereich der Patentansprüche fallen. Die Luftzerlegungsanlagen 100, 200 sind mit einem Kolonnensystem ausgestattet, das jeweils insgesamt mit 10 bezeichnet ist.
  • Die Kolonnensysteme 10 weisen dabei jeweils eine erste Kolonne 11, eine zweite Kolonne 12 und eine dritte Kolonne 13 auf.
  • Die zweite Kolonne 12 und die dritte Kolonne 13 sind jeweils als Teile einer Doppelkolonne grundsätzlich bekannter Art ausgebildet. Auf die eingangs zitierte Fachliteratur zu Luftzerlegungsanlagen, insbesondere auf die Erläuterungen zu Figur 2.3A bei Häring (s.o.), in der eine entsprechende Doppelkolonne gezeigt ist, sei in diesem Zusammenhang ausdrücklich verwiesen.
  • Die erste Kolonne 11 ist separat zur zweiten Kolonne 12 und zur dritten Kolonne 13 ausgebildet. Die erste Kolonne 11 ist mit einem Kopfkondensator 111 ausgestattet, der zur Kondensation von Kopfgas der ersten Kolonne 11 und damit zur Bereitstellung des zuvor als "erstes Kopfgaskondensat" bezeichneten Kopfgaskondensats verwendet wird. In den Kopfkondensator 111 werden jeweils Sumpfflüssigkeit aus der ersten Kolonne 12 sowie abgekühlte Druckluft eingespeist (siehe unten).
  • Die zweite Kolonne 12 und die dritte Kolonne 13 stehen über einen innenliegenden Kondensatorverdampfer 121, den sogenannten Hauptkondensator, in wärmetauschender Verbindung miteinander. Der Hauptkondensator 121 dient einerseits zum Kondensieren eines Kopfgases der zweiten Kolonne 12 und damit zur Bereitstellung des "zweiten Kopfgaskondensats" und andererseits zum Verdampfen einer Sumpfflüssigkeit der dritten Kolonne 13. Alternativ zu der hier veranschaulichten Ausgestaltung können die zweite Kolonne 12 und die dritte Kolonne 13 auch separat ausgebildet sein. Der Hauptkondensator 121 kann alternativ auch außenliegend ausgebildet sein. Unterschiedliche Arten von Kondensatorverdampfern sind als Hauptkondensatoren 121 verwendbar.
  • In den Luftzerlegungsanlagen 100, 200 wird ein Einsatzluftstrom a aus der hier allgemein mit A bezeichneten Atmosphäre mittels eines Hauptluftverdichters 101 über einen nicht gesondert bezeichneten, schraffiert veranschaulichten Filter angesaugt, in einem ebenfalls nicht gesondert bezeichneten Nachkühler nachgekühlt und einem Direktkontaktkühler 102 zugeführt, der mit Kühlwasser W betrieben wird.
  • Nach der in dem Direktkontaktkühler 102 erfolgten Vorkühlung wird der weiter mit a bezeichnete Einsatzluftstrom in einer Adsorptionseinrichtung 103 in vielfach in der Literatur beschriebener Weise von Wasser und Kohlendioxid befreit. Der weiter mit a bezeichnete, entsprechend behandelte und damit aufgereinigte Einsatzluftstrom wird anschließend in zwei Teilströme b und c aufgeteilt. Der Teilstrom b wird in einer mit dem Hauptluftverdichter 101 integrierten Verdichterstufe 104 nachverdichtet und danach in zwei Teilströme d und e aufgeteilt, wobei der Teilstrom d in einem Turbinenbooster 105 nachverdichtet, danach im Hauptwärmetauscher 106 teilabgekühlt, in dem Turbinenbooster 105 entspannt und in die erste Kolonne 11 eingespeist wird. Der Teilstrom e wird lediglich im Hauptwärmetauscher abgekühlt, aufgrund des höheren Drucks als der Teilstrom c verflüssigt, und in den Kopfkondensator 111 eingespeist. Der Teilstrom c wird durch den Hauptwärmetauscher 106 geführt und nach dem Abkühlen gasförmig zusammen mit dem Teilstrom d in die erste Kolonne 11 eingespeist.
  • Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne 11 wird aus dieser abgezogen und in zwei Teilströme f und g aufgeteilt. Der Teilstrom f wird in den Kopfkondensator 111 eingespeist, der Teilstrom g nach Abkühlung in einem Unterkühlungsgegenströmer 107 in die dritte Kolonne 13 (vgl. Verknüpfung 1). Kopfgas vom Kopf der ersten Kolonne 11 wird in Form eines Teilstroms h im Hauptwärmetauscher 106 erwärmt und als Druckstickstoffprodukt H aus der Luftzerlegungsanlage 100, 200 ausgeleitet. Weiteres Kopfgas wird in dem Kopfkondensator 111 kondensiert und damit als Stoffstrom k zur Bereitstellung des ersten Kopfgaskondensats verwendet. Ein Anteil des gebildeten Kondensats kann auch als Flüssigstickstoffprodukt K ausgeleitet werden.
  • In der zweiten Kolonne 12 wird Sumpfflüssigkeit gebildet, die in Form eines Stoffstroms m in dem Unterkühlungsgegenströmer 107 unterkühlt und danach in die dritte Kolonne 13 eingespeist wird. Kopfgas der zweiten Kolonne kann in Form eines Stoffstroms n beispielsweise zur Bereitstellung von Sealgas N erwärmt und ausgeleitet werden. Weiteres Kopfgas wird in Form eines Stoffstroms o zur Bereitstellung des zweiten Kopfgaskondensats verwendet. Ein Seitenstrom aus der zweiten Kolonne wird (vgl. Verknüpfung 1) nach Unterkühlung in dem Unterkühlungsgegenströmer 107 aus der zweiten Kolonne 12 in die dritte Kolonne 13 entspannt.
  • Sumpfflüssigkeit der dritten Kolonne 13 kann in Form eines Stoffstroms p aus dieser abgezogen, in einer Pumpe 108 flüssig druckerhöht, verdampft und als innenverdichtetes Sauerstoffprodukt P bereitgestellt werden. Ein Teil kann auch nach Unterkühlung als Flüssigsauerstoffprodukt X bereitgestellt werden. Vom Kopf der dritten Kolonne 13 kann Unreinstickstoff in Form eines Stoffstroms q abgezogen, in dem Unterkühlungsgegenströmer 107 erwärmt, im Hauptwärmetauscher 106 weiter erwärmt und beispielsweise als Regeneriergas verwendet werden.
  • Das Kopfgas der ersten Kolonne 11, das gasförmig aus den Luftzerlegungsanlagen 100, 200 in Form des Stoffstroms h ausgeleitet wird, wird in einem ersten Betriebsmodus in einer ersten Menge pro Zeiteinheit und in einem zweiten Betriebsmodus in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die unterhalb der ersten Menge pro Zeiteinheit liegt, ausgeleitet. Wie in Form der in den Betriebsmodi alternativ bereitgestellten Stoffströme r und s veranschaulicht, wird in dem ersten Betriebsmodus ein Teil des zweiten Kopfgaskondensats aus der zweiten Kolonne 12 in die erste Kolonne 11 überführt, und in dem zweiten Betriebsmodus wird ein Teil des ersten Kopfgaskondensats aus der zweite Kolonne 12 in die erste Kolonne 11 überführt.
  • Hierzu sind in der Luftzerlegungsanlage 100 eine Pumpe 109 und ein nicht gesondert bezeichnetes Ventil vorhanden, die über eine Steuereinheit 50, die auch zur Einleitung des ersten und zweiten Betriebsmodus dient, angesteuert werden. Zur Realisierung des ersten und zweiten Betriebsmodus wird dagegen in der Anlage 200 ein vorhandener Pumpenbypass 201 verwendet.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem eine Luftzerlegungsanlage (100, 200) verwendet wird, die eine erste Kolonne (11), eine zweite Kolonne (12) und eine dritte Kolonne (13) aufweist, wobei die erste Kolonne (11) in einem ersten Druckbereich, die zweite Kolonne (12) in einem zweiten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs liegt, und die dritte Kolonne (13) in einem dritten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs und des zweiten Druckbereichs liegt, betrieben wird, wobei die dritte Kolonne (13) mit Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne (11) und Sumpfflüssigkeit der zweiten Kolonne (12) gespeist wird, wobei aus Kopfgas der ersten Kolonne (11) ein erstes Kopfgaskondensat und aus Kopfgas der zweiten Kolonne (12) ein zweites Kopfgaskondensat gebildet wird, und wobei weiteres Kopfgas der ersten Kolonne (11) gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Kopfgas der ersten Kolonne (11), das gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird, in einem ersten Betriebsmodus in einer ersten Menge pro Zeiteinheit und in einem zweiten Betriebsmodus in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die unterhalb der ersten Menge pro Zeiteinheit liegt, aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird, dass in dem ersten Betriebsmodus ein Teil des zweiten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne (11) überführt wird, und dass in dem zweiten Betriebsmodus ein Teil des ersten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne (11) überführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in dem ersten Betriebsmodus kein Teil des ersten Kopfgaskondensats in die zweite Kolonne (12) überführt wird, und bei dem in dem zweiten Betriebsmodus kein Teil des zweiten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne (11) überführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Menge pro Zeiteinheit beim 1,1-fachen bis 2-fachen der ersten Menge pro Zeiteinheit liegt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Teil des zweiten Kopfgaskondensats, der in dem ersten Betriebsmodus in die erste Kolonne (11) überführt wird, in einer Menge pro Zeiteinheit in die erste Kolonne (11) überführt wird, die beim 1,5-fachen bis 10-fachen einer Menge pro Zeiteinheit liegt, in der der Teil des ersten Kopfgaskondensats in dem zweiten Betriebsmodus in die erste Kolonne (11) Kolonne überführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erste Kopfgaskondensat in einem ersten Kondensatorverdampfer (111) gebildet wird, mittels dessen weitere Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne (11) und/oder verflüssigte Druckluft verdampft wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem durch das Verdampfen in dem ersten Kondensatorverdampfer gebildetes Gas und/oder bei dem Verdampfen verbleibende Flüssigkeit in die zweite Kolonne (12) eingespeist wird, und/oder bei dem das zweite Kopfgaskondensat in einem weiteren Kondensatorverdampfer (121) gebildet wird, mittels dessen Sumpfflüssigkeit der dritten Kolonne (13) verdampft wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem Sumpfflüssigkeit der dritten Kolonne (13) flüssig einer Druckerhöhung auf einen Produktdruck unterworfen, auf dem Produktdruck in gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und im gasförmigen oder überkritischen Zustand aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erste Kopfgaskondensat mit einem Gehalt von Y mol-ppm Sauerstoff gebildet wird, bei dem das zweite Kopfgaskondensat in dem ersten Betriebsmodus mit einem Gehalt von 1, 2 × Y bis 4,0 × Y mol-ppm Sauerstoff gebildet wird, und bei dem das zweite Kopfgaskondensat in dem zweiten Betriebsmodus mit einem Gehalt von 0,1 × Y bis 0,8 × Y mol-ppm Sauerstoff gebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die dritte Kolonne (13) mit weiterem Fluid aus der zweiten Kolonne (12) gespeist wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das weitere Fluid aus der zweiten Kolonne, mit dem die dritte Kolonne (13) gespeist wird, die Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne (11), mit der die dritte Kolonne (13) gespeist wird, die Sumpfflüssigkeit der zweiten Kolonne (12), mit der die dritte Kolonne (13) gespeist wird, und Kopfgas der dritten Kolonne (13), das aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird, einem Wärmetausch miteinander unterworfen werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem weitere Sumpfflüssigkeit der dritten Kolonne dem Wärmetausch unterworfen und flüssig aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Kolonne (11) mit abgekühlter, gasförmiger Druckluft gespeist wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die abgekühlte, gasförmige Druckluft zu einem ersten Anteil in einem Turbinenbooster (105) nachverdichtet und danach in dem Turbinenbooster (105) entspannt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Teil des zweiten Kopfgaskondensats, der in dem ersten Betriebsmodus in die erste Kolonne (11) überführt wird, mittels einer Pumpe (109) druckbeaufschlagt und in die erste Kolonne (11) gefördert wird, wobei die Pumpe (109) einen Bypass aufweist, über den in dem zweiten Betriebsmodus der Teil des ersten Kopfgaskondensats in die zweite Kolonne (12) geführt wird.
  15. Luftzerlegungsanlage (100, 200) mit einer ersten Kolonne (11), einer zweiten Kolonne (12) und einer dritten Kolonne (13), wobei die erste Kolonne (11) für einen Betrieb in einem ersten Druckbereich, die zweite Kolonne (12) für einen Betrieb in einem zweiten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs liegt, und die dritte Kolonne (13) für einen Betrieb einem dritten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs und des zweiten Druckbereichs liegt, eingerichtet ist wird, wobei Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, die dritte Kolonne (13) mit Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne (11) und Sumpfflüssigkeit der zweiten Kolonne (12) zu speisen, aus Kopfgas der ersten Kolonne (11) ein erstes Kopfgaskondensat und aus Kopfgas der zweiten Kolonne (12) ein zweites Kopfgaskondensat zu bilden, und weiteres Kopfgas der ersten Kolonne (11) gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) auszuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, das weitere Kopfgas der ersten Kolonne (11), das gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird, in einem ersten Betriebsmodus in einer ersten Menge pro Zeiteinheit und in einem zweiten Betriebsmodus in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die unterhalb der ersten Menge pro Zeiteinheit liegt, aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) auszuleiten, in dem ersten Betriebsmodus einen Teil des zweiten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne (11) zu überführen, und in dem zweiten Betriebsmodus einen Teil des ersten Kopfgaskondensats in die erste Kolonne (11) Kolonne zu überführen.
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