EP4356052A1 - Method and plant for providing a pressurized oxygen-rich, gaseous air product - Google Patents

Method and plant for providing a pressurized oxygen-rich, gaseous air product

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EP4356052A1
EP4356052A1 EP22729038.4A EP22729038A EP4356052A1 EP 4356052 A1 EP4356052 A1 EP 4356052A1 EP 22729038 A EP22729038 A EP 22729038A EP 4356052 A1 EP4356052 A1 EP 4356052A1
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EP
European Patent Office
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pressure
range
temperature
air
pressure range
Prior art date
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Pending
Application number
EP22729038.4A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dimitri GOLUBEV
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F25J2240/46—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being oxygen

Definitions

  • the invention relates to a method for providing a pressurized, oxygen-rich, gaseous air product and a corresponding system according to the preambles of the independent patent claims.
  • air product is intended to refer to a fluid provided at least in part by the cryogenic decomposition of atmospheric air.
  • An air product according to the understanding on which this is based has one or more air gases contained in the atmospheric air in a different composition than in the atmospheric air.
  • an air product can exist or be provided in a gaseous, liquid or supercritical state and can be converted from one of these states of aggregation to another.
  • a liquid air product can be vaporized ("vaporized”) or supercritical (“pseudo-vaporized”) by heating to a certain pressure, depending on whether the pressure at the time of heating is below or above the critical pressure . If “vaporization” is mentioned below, this should also include a corresponding pseudo-vaporization.
  • Air separation plants have rectification column systems which are conventionally designed as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but can also be designed as three- or multi-column systems.
  • rectification columns for the production of nitrogen and/or oxygen in liquid and/or gaseous form
  • rectification columns can be provided to obtain other air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon.
  • the terms “rectification” and “distillation” and “column” and “column” or terms composed of these are used synonymously.
  • the rectification columns of the rectification column systems mentioned are operated at different pressures.
  • 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 of 4 to 7 bar, in particular about 5.3 bar.
  • the low-pressure column is operated at a pressure of typically 1 to 2 bar, in particular about 1.4 bar. In certain cases, higher pressures can also be used in both rectification columns.
  • the pressures given here in each case are absolute pressures at the top of the columns given in each case.
  • So-called main (air) compressor/boost compressor main air compressor/booster air compressor, MAC-BAC) method or so-called high air pressure (HAP) method can be used for air separation.
  • main compressor/boost processes are the more conventional processes
  • high air pressure processes have been increasingly used in recent times as alternatives to the main compressor/boost processes.
  • the present invention is used in connection with high-air pressure processes, so that the following explanations in this regard apply generally and also to the present invention. Due to the significantly lower costs - the main and booster compressors are, to a certain extent, integrated in one machine - and basically comparable efficiency, high-air pressure processes can represent an advantageous alternative to the main compressor/boost process.
  • Main compressor/post-compressor processes are characterized in that only part of the total amount of feed air fed to the rectification column system is compressed to a pressure which is significantly, ie by at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar above of the pressure at which the high-pressure column is operated. Another part of the amount of air used is only on this pressure or one Pressure, which differs from this by no more than 1 to 2 bar, is compressed and fed into the high-pressure column at this lower pressure, in particular without additional relaxation.
  • a main compressor/post-compressor process is shown, for example, by Häring (see above) in FIG. 2.3A.
  • a high-air pressure process on the other hand, the entire amount of feed air fed to the rectification column system is compressed to a pressure that is significantly, i.e. by at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar, and for example up to 14, 16 , 18 or 20 bar, is above the pressure at which the high-pressure column is operated.
  • High-air pressure processes are known, for example, from EP 2 980514 A1 and EP 2 963367 A1.
  • High-air pressure processes are typically used with so-called internal compression (IV, Internal Compression, IC).
  • internal compression at least one gaseous, pressurized air product, which is provided by the air separation plant, is formed by taking a cryogenic, liquid air product from the rectification column system, subjecting it to a pressure increase to a product pressure, and subjecting it to the product pressure by heating it to the gaseous or supercritical state is transferred.
  • gaseous pressurized nitrogen (GAN IV, GAN IC) and/or gaseous pressurized argon (GAR IV, GAR IC) can be produced by internal compression.
  • Internal compression offers a number of advantages over external compression, which is also possible as an alternative, and is explained, for example, by Häring (see above) in Section 2.2.5.2, "Internal Compression".
  • High-air pressure methods can be used in different configurations. These are often classified and differentiated according to the liquid performance of the plant, ie according to the quantity of air products provided in liquid form and removed from the plant in liquid form, or according to the ratio of internally compressed air products to liquid products. If the liquid output is not too high, a cold booster or cold compressor of the type explained below is used in high-air pressure processes, for example, in order to increase the efficiency of the process by converting the then excess refrigeration output into higher air pressure. Also known are high-air pressure processes with a so-called Lachmann or Einblaseturbine (English also Upper Column Expander) of the type also explained below. The expanded air in the Lachmann turbine is fed into the low-pressure column.
  • the Lachmann turbine can be provided as a further turbine unit in addition to a turbine unit, by means of which gaseous compressed air is expanded into the high-pressure column, ie a so-called Claude turbine.
  • the object of the invention is to increase the efficiency and competitiveness of high-air pressure processes, in particular for such typical gas systems.
  • the present invention proposes a method for providing one or more oxygen-rich, gaseous air products and a corresponding system with the respective features of the independent patent claims.
  • Refinements of the invention are the subject of the respective dependent patent claims and the following description.
  • an “amount of feed air” or “feed air” for short is understood here to mean the entire air fed (“used”) to the rectification column system of an air separation plant.
  • a main compressor/post-compressor process only part of this amount of feed air is compressed to a pressure in a range that is significantly above a pressure range in which the high-pressure column is operated.
  • a high-air pressure process as is the subject of the present invention, the entire amount of feed air is compressed to a pressure in such a high pressure range.
  • cryogenic liquid is understood here to mean a liquid medium whose boiling point is well below ambient temperature, for example at -50° C. or less, in particular at -100° C. or less.
  • cryogenic liquids are liquid air, liquid oxygen, liquid nitrogen, liquid argon or liquids that are rich in the compounds mentioned.
  • turbo compressors In air separation plants, multi-stage turbo compressors are used to compress the input air, which are referred to here as "main air compressors".
  • the mechanical structure of turbo compressors is known in principle to those skilled in the art.
  • the medium to be compressed is compressed by means of turbine blades, which are arranged on a turbine wheel or directly on a shaft.
  • a turbo compressor forms a structural unit which, however, can have several compressor stages in the case of a multi-stage turbo compressor.
  • a compressor stage generally includes a turbine wheel or a corresponding arrangement of turbine blades. All of these airends can be driven by a common shaft. However, it can also be provided that the compressor stages are driven in groups with different shafts, in which case the shafts can also be connected to one another via gears.
  • the main air compressor is also characterized in that it compresses the entire amount of air fed into the distillation column system and used for the production of air products, ie the entire amount of feed air.
  • a "post-compressor" can also be provided, in which, however, only part of the input air quantity compressed in the main air compressor is brought to an even higher pressure.
  • This can also be designed as a turbo compressor. Additional turbo compressors are typically provided for compressing partial amounts of air, which are also referred to as boosters, but compared to the main air compressor or the secondary compressor, typically only compression to a relatively small extent, in particular in relation to the compressed one air volume.
  • a booster can also be present in a high-air pressure process, but this then compresses a subset of the input air quantity, starting from a higher pressure.
  • a “cold compressor” or “cold booster” is to be understood here as a compressor or booster, the fluid at a temperature in a temperature range well below the ambient temperature of the air separation plant, in particular at a temperature of less than 0 °C, -50 °C or -100°C and in particular more than -150°C or -200°C.
  • Air can also be expanded at several points in air separation plants, for which purpose, among other things, expansion machines in the form of turboexpanders, also referred to here as “expansion turbines”, can be used.
  • Turboexpanders can also be coupled to and drive turbocompressors. If one or more turbo compressors are driven without externally supplied energy, i.e. only via one or more turbo expanders, the term “turbine booster” is also used for such an arrangement.
  • the turboexpander (the expansion turbine) and the turbocompressor (the booster) are mechanically coupled, with the coupling being able to take place at the same speed (e.g. via a common shaft) or at different speeds (e.g. via an intermediate gearbox).
  • a “turbine unit” is mentioned here, this should be understood to mean in particular an arrangement with at least one expansion turbine.
  • a "throttle flow” or “Joule-Thomson flow” is understood to mean an amount of air which, at least for the most part, is liquefied under pressure in the main heat exchanger of an air separation plant and is then fed, in particular via a throttle valve, in particular into the high-pressure column.
  • a Joule-Thomson turbine can also be used instead of a throttle valve.
  • Liquid, gaseous or fluids in the supercritical state can be rich or poor in one or more components in the language used here, with “rich” for a content of at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5% , 99.9% or 99.99% and “poor” can stand for a content of at most 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis .
  • the term “predominantly” may correspond to the definition of "rich” just given, but in particular denotes a content of more than 90%. If, for example, “nitrogen” or “oxygen” is mentioned here, it can be a pure gas, but it can also be a gas rich in nitrogen or oxygen.
  • pressures and temperatures in specific pressure and temperature ranges are discussed for the characterization of pressures and temperatures. This is intended to express the fact that pressures and temperatures do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values in order to implement an inventive concept. However, such pressures and temperatures typically range within respective ranges, for example, ⁇ 1%, 5%, or 10% about an average. Different pressure or temperature ranges can represent disjunctive ranges or ranges that overlap one another. In particular, for example, the specification of pressure ranges includes unavoidable or expected pressure losses, for example due to line resistances and the like. The same applies to pressure areas. Unless otherwise stated, the pressures or pressure range limits given here in bar are absolute pressures.
  • liquid performance denotes the quantity of air products that are discharged from the plant or a corresponding process in liquid form, i.e. in which there is no evaporation or pseudo-evaporation.
  • Such products cannot therefore be used to cool feed streams into the plant or the process by means of a corresponding evaporation. Therefore, if smaller amounts of air products are carried out in liquid form from the plant or a corresponding process, but these are evaporated or pseudo-evaporated, there is, so to speak, an excess of cold.
  • a so-called cold booster can therefore be used, for example, in order to increase the process efficiency by converting such excess cold into higher air pressure.
  • the heat input from the cold booster "destroys" some of the excess cold, but in return the cold booster compresses part of the input air, so that, for example, the power of the main air compressor can be reduced accordingly.
  • the intake temperature of a cold booster is below the ambient temperature, so that the power consumption is reduced if the gas behavior is assumed to be ideal for the sake of simplicity.
  • the invention is used in a high-air pressure process in which, as mentioned, gaseous oxygen is to be produced without (significant) liquid production, and in which an injection turbine (Lachmann turbine) is used as a second turbine unit in addition to a first turbine unit, which, according to Art a Claude turbine air relaxed in the high-pressure column, is provided.
  • an injection turbine Loachmann turbine
  • the present invention solves the above problem in particular in that air is supplied to the Lachmann turbine at a significantly lower air inlet temperature than in known methods. This results in strong pre-liquefaction at the turbine outlet of the Lachmann turbine. Accordingly, there is a significant reduction in the air quantities to be liquefied in the main heat exchanger as throttle flow or throttle flows and, as a consequence, there is a noticeable increase in efficiency. The amount of heat to be transferred in the lower area of the main heat exchanger, i.e. at the point where the condensation of air flows takes place, is therefore lower and the performance of the cold compressor is reduced.
  • the present invention proposes a method for producing a pressurized, oxygen-rich, gaseous air product using an air separation plant which has a rectification column system with a high-pressure column and a low-pressure column and a main heat exchanger, a first turbine unit and a second turbine unit.
  • the high-pressure column is operated in a first pressure range of 4 to 7 bar, in particular approx. 5.3 bar, the low-pressure column is operated in a second pressure range of 1 to 2 bar, in particular approx. 1.4 bar, and at least one predominant A proportion of the total amount of feed air fed to the rectification column system, in particular the total amount of feed air as is customary in a high-air pressure process, is compressed to a pressure in a third pressure range which is more than 3 bar above the first pressure range.
  • a third pressure range which is more than 3 bar above the first pressure range.
  • a first portion of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is supplied at the pressure in the third pressure range or at a pressure in a fourth pressure range above the third pressure range and at a temperature in a first temperature range to the first turbine unit using the first Turbine unit relaxed to a pressure in the first pressure range, and fed into the high-pressure column.
  • the main heat exchanger of the air separation plant in particular is used in the manner explained below to provide the first subset at the temperature in the first temperature range, and the pressure in the fourth pressure range is optionally achieved using a corresponding booster unit in the manner explained below .
  • the first turbine unit is in particular a typical Claude turbine as explained above, or the first turbine unit includes one.
  • a second partial amount of the feed air amount compressed to the pressure in the third pressure range is at the pressure in the third pressure range or at a pressure in a fifth pressure range above the third pressure range and at a Temperature in a second temperature range of the second turbine unit fed, expanded using the second turbine unit to a pressure in the second pressure range, and fed into the low pressure column.
  • the main heat exchanger of the air separation plant in particular is used in the manner explained below to provide the second subset at the temperature in the second temperature range, and the pressure in the fifth pressure range is optionally achieved using a corresponding booster unit in the manner explained below .
  • the second turbine unit is, in particular, a typical Lachmann turbine as explained above, or the second turbine unit includes one.
  • the invention comprises removing oxygen-rich liquid from the rectification column system to provide the gaseous, pressurized, oxygen-rich air product, in the liquid state with heating to a temperature in a third temperature range in the liquid state to a pressure in a sixth pressure range of 16 to 50 bar or 25 to 50 bar, in particular 40 to 50 bar, for example approx. 43 bar, is fed to the main heat exchanger, evaporated in this at the temperature in the third temperature range and discharged from the air separation plant.
  • the pressurized, oxygen-rich air product is thus provided as an internal compression product.
  • the third temperature range i.e. the temperature range in which the temperature lies at which the oxygen-rich liquid is vaporized in the main heat exchanger after pressurization in the liquid state, is according to the invention both above the first temperature range and above the second temperature range.
  • the second temperature range is selected in such a way that a two-phase mixture with a liquid fraction of 5 to 15%, in particular 8 to 13%, forms at the outlet of the second turbine unit, with these percentages in particular representing a mole fraction of the liquid fraction, based on an amount of substance of the entire two-phase mixture.
  • the temperature in the first temperature range and the temperature in the second temperature range do not differ from one another by more than 10 K.
  • the air separation plant is operated in such a way that a proportion of less than 5%, in particular less than 2%, of all air products removed from the air separation plant are removed from the air separation plant in non-evaporated and liquid state.
  • air product which not only includes essentially pure products such as oxygen or nitrogen, but also impure streams (so-called waste gas), reference is made to the above explanations.
  • the proportion is less than 10%, in particular less than 5% or less than 2%.
  • the "substantially pure" products include in particular nitrogen, oxygen and argon, or fluids each rich in the respective component mentioned.
  • the first and the second temperature range are each 110 to 140 K, in particular 120 to 135 K.
  • the third temperature range is in particular more than 10 K and up to 40 K above the first temperature range and the second temperature range.
  • the first subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is advantageously provided at the pressure in the fourth pressure range and brought to the pressure in the fourth pressure range using a booster unit.
  • the booster unit used here can be used in particular to drive the first turbine unit.
  • the first partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be in a first Cooling step in the main heat exchanger before it is brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit, and the first subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be cooled in a second cooling step in the main heat exchanger after it was brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit, wherein the second cooling step comprises cooling to the already mentioned temperature in the first temperature range.
  • a third partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be subjected to the first cooling step, in particular together with the first partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range, and brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit, wherein the third subset of the feed air quantity further compressed to the pressure in the third pressure range and then to the pressure in the fourth pressure range is liquefied at the pressure in the fourth pressure range in the main heat exchanger, then expanded, and fed into the high-pressure column.
  • the first subset is taken from the main heat exchanger in particular at an extraction point corresponding to the temperature in the first temperature range, whereas the third subset is routed through the main heat exchanger to the cold end. In this way, the third subset forms a choke flow.
  • the second subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be provided in particular at the pressure in the fifth pressure range and brought to the pressure in the fourth pressure range using a further booster unit.
  • the further booster unit can in particular drive the second turbine unit, which is therefore designed to be “self-boosted”.
  • the second turbine unit can in particular be designed with oil or generator braking, as is known per se.
  • a fourth partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be cooled in the main heat exchanger together with the second partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range, the second partial quantity being at one of the temperatures in the second temperature range corresponding point can be carried out from the main heat exchanger, but the fourth subset can be further cooled and liquefied.
  • the fourth subset can be taken from the cold side of the main heat exchanger and fed into the high-pressure column as a further throttle flow.
  • the two-phase mixture which forms at the outlet of the second turbine unit is advantageously fed to a phase separation in a suitable phase separator and then fed into the low-pressure column in separate phases, i.e. in the form of a gas stream and a liquid stream.
  • the two-phase mixture forming at the outlet of the second turbine unit is fed into the low-pressure column in two phases.
  • a pump can be dispensed with, as liquid droplets are entrained due to the relatively high flow rate.
  • the present invention further relates to an air separation plant for providing a pressurized oxygen-rich gaseous air product.
  • an air separation plant for providing a pressurized oxygen-rich gaseous air product.
  • FIGS 1 to 5 illustrate air separation plants according to preferred embodiments of the invention.
  • FIGS 6 and 7 show temperature-enthalpy diagrams.
  • FIG. 1 shows an air separation plant, designated 100, according to a preferred embodiment of the invention.
  • the air separation plant 100 has a rectification column system 10 with a high-pressure column 11 and a low-pressure column 12, which are connected in a known manner.
  • Air separation plants of the type shown are often described elsewhere, for example by Häring (see above) and there in particular in Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification".
  • An air separation plant for the use of the present invention can be designed in the most varied of ways.
  • the high-pressure column 11 is operated in a first pressure range
  • the low-pressure column 12 is operated in a second pressure range
  • at least a predominant proportion of a total amount of feed air fed to the rectification column system 10, here in the form of a compressed air stream a is pressurized to a pressure in a third pressure range compressed, which is significantly above the first pressure range.
  • feed air is sucked in by means of a main air compressor 1, compressed to the pressure in the third pressure range, cooled in a direct contact cooler, also not designated separately, and freed of water and carbon dioxide in particular in a pre-cleaning unit 2.
  • the feed air provided in this way as the mentioned compressed air stream a at the pressure in the third pressure region is then divided into two partial streams b and c divided, both of which are fed to a main heat exchanger 3 on the hot side and cooled therein. It will be by picking up
  • Intermediate temperature levels and the cold side of the main heat exchanger 3 each formed further substreams, which represent subsets of the feed air of the compressed air flow a, referred to here as “first" to “fourth” subsets, and are indicated with a1 to a4.
  • the first partial quantity of the total input air quantity of compressed air flow a compressed to the pressure in the third pressure range is at a pressure in a fourth pressure range above the third pressure range and at a temperature in a first temperature range in the form of partial flow a1 of a first Supplied to turbine unit 5, expanded to a pressure in the first pressure range using the first turbine unit 5, and fed into the high-pressure column 11.
  • the first partial quantity i.e. the partial flow a1 is brought to the pressure in the fourth pressure range as part of the partial flow b using a booster unit 4, the booster unit 4 being driven by that of the first turbine unit 5.
  • the first partial quantity, i.e. the partial flow a1 is cooled in the main heat exchanger 3 in a first cooling step before it is brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit 4, and the first partial quantity, i.e. the material flow a1 is cooled in a second cooling step in the main heat exchanger 3 after being pressurized in the fourth pressure range using the booster unit 4 .
  • the second cooling step includes cooling to the temperature in the mentioned first temperature range.
  • the second partial quantity of the feed air quantity of compressed air flow a compressed to the pressure in the third pressure range is, on the other hand, part of partial flow c at the pressure in the third pressure range and at a temperature in a second temperature range in the form of partial flow a2 of a second Supplied to the turbine unit 6, which is coupled to a generator G in the embodiment illustrated here, expanded to a pressure in the second pressure range using the second turbine unit 6, and then fed into the low-pressure column 12.
  • the second temperature range is selected in such a way that a two-phase mixture forms at the outlet of the second turbine unit 6 with the liquid fraction specified several times above.
  • the two-phase mixture forming at the outlet of the second turbine unit 6 is fed to a phase separation in a phase separator 7 and then fed into the low-pressure column 12 in separate phases in the form of a liquid stream a2l and a gas stream a2g.
  • the third partial quantity of the feed air quantity of the compressed air flow a compressed to the pressure in the third pressure range is subjected to the first cooling step in the form of the mentioned partial flow a3 together with the first partial quantity, i.e. the partial flow a1 and thus as part of the partial flow b, and is also used the booster unit 4 to the pressure in the fourth pressure range, with the third subset, i.e. the partial flow a3, but liquefied at the pressure in the fourth pressure range in the main heat exchanger 3, expanded, and fed into the high-pressure column 11.
  • the fourth partial quantity of the feed air quantity of the compressed air flow a compressed to the pressure in the third pressure range is fed in the form of the mentioned partial flow a4 together with the second partial quantity, i.e. the partial flow a2, and thus as part of the partial flow c, to the main heat exchanger 3, but not on taken from the temperature in the second temperature range, but also liquefied in the main heat exchanger, then expanded and fed into the high-pressure column 11 .
  • the partial streams a3 and a4 used as throttle streams are combined to form a total stream k before they are fed into the high-pressure column 11 .
  • oxygen-rich liquid is removed from the rectification column system 10, more precisely a bottom of the low-pressure column 11, in the form of a stream I, in the liquid state with heating to a temperature in a third temperature range by means of an internal compression pump 8 to a pressure in brought to a sixth pressure range, at the temperature in the third temperature range evaporated in the main heat exchanger 3 and discharged from the air separation unit 100.
  • the air separation plant 200 according to FIG. 2 differs from the air separation plant 100 according to FIG.
  • the air separation plant 300 according to Figure 3 differs from the air separation plants 100 and 200 according to Figures 1 and 2 essentially by the provision of the pressurized, oxygen-rich air product in the form of two fractions or partial flows 11 and I2, which are formed from the partial flow I and in the main heat exchanger 3 are vaporized at different pressures.
  • the air separation plant 400 according to FIG. 4 differs from the air separation plants 100 to 300 according to FIGS fifth pressure range is provided and is brought to the pressure in the fifth pressure range using a further booster unit 41, which is driven in particular by the turbine 6 (that is to say is “self-boosted”).
  • the further booster unit 41 is formed by a warm booster for air, i.e. by a booster with an inlet temperature above 273 K.
  • the air separation plant 500 according to FIG. 5 differs from the air separation plants 100 to 400 according to FIGS. 1 to 4 essentially in that an argon discharge column 51 of a known type is used, as described for example in EP 3067649 A1. From the argon discharge column 51, an argon-enriched, gaseous stream s withdrawn and heated in the main heat exchanger 3. The argon discharge column 51 is fed from the low-pressure column 12 and bottom liquid (in each case without a separate designation) is returned to the low-pressure column 12 after it has been depleted of argon. To cool a top condenser of the argon discharge column 51, bottom liquid from the high-pressure column 11 is used, which is fed into the low-pressure column 12 after partial evaporation
  • argon discharge column is used here to refer to a separating column for argon-oxygen separation which is not used to obtain a pure argon product but to discharge argon from the air to be separated in the pressure column and low-pressure column. Its circuit differs only slightly from that of a classic crude argon column, although it contains significantly fewer theoretical plates, namely less than 40, in particular between 35 and 15. Like a crude argon column, the bottom area of an argon discharge column is connected to an intermediate point of the low-pressure column and the argon discharge column is a top condenser is cooled, on the evaporation side of which expanded bottom liquid from the high-pressure column is introduced; an argon discharge column does not have a bottom evaporator.
  • FIGs 6 and 7 are temperature-enthalpy diagrams of the main heat exchanger 3 of an air separation plant according to an embodiment of the invention, for example an air separation plant 100 to 500 according to Figures 1 to 5, with a temperature on the vertical axis in K compared to an enthalpy sum in kW are plotted on the horizontal axis and the diagram according to FIG. 7 corresponds to an enlarged representation of the diagram according to FIG.
  • the temperature points Ta1 and Ta2 each correspond to the extraction temperature levels of the partial flows a1 and a2.
  • the air separation plants according to FIGS. 1 to 5 can, of course, also be adapted to obtain low-pressure nitrogen product (LPGAN) as a by-product of air separation. This can be done by using a corresponding separating section in the low-pressure column 12 .
  • LPGAN low-pressure nitrogen product

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Abstract

The invention relates to a high-atmospheric-pressure method for producing a pressurized, oxygen-rich, gaseous air product. A first partial quantity of the feed air quantity is supplied at a temperature in a first temperature range to a first turbine unit (5), decompressed using same, and fed into a high-pressure column (111). A second partial quantity of the feed air quantity is supplied at a temperature in a second temperature range to a second turbine unit (6), decompressed using same, and fed into a low-pressure column (12). The pressurized, oxygen-rich air product is provided as an internal compression product at 16 to 50 bar, wherein evaporation is effected proceeding from a temperature in a third temperature range. The third temperature range lies above the first and second temperature range, the second temperature range is selected such that a two-phase mixture with a liquid proportion of 5 to15% forms at the outlet of the second turbine unit (6), the temperature in the first temperature range and the temperature in the second differ from each other by not more than 10 K, and a portion of less than 5% of all air products removed from the air separation plant (100) is removed from the air separation plant in an unevaporated and liquid state. The first turbine unit is braked by a cold compressor (4), the second by a generator (G) or a warm booster. The invention also relates to an air separation plant (100).

Description

Beschreibung description
Verfahren und Anlage zur Bereitstellung eines druckbeaufschlaqten sauerstoffreichen. gasförmigen Luftprodukts Method and system for providing a pressurized oxygen-rich. gaseous air product
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts und eine entsprechende Anlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. The invention relates to a method for providing a pressurized, oxygen-rich, gaseous air product and a corresponding system according to the preambles of the independent patent claims.
Stand der Technik State of the art
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,The production of air products in a liquid or gaseous state by low-temperature separation of air in air separation plants is known and is described, for example, by H.-W. Häring (ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH,
2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben. 2006, in particular Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification".
Der Begriff "Luftprodukt" soll sich hier auf ein Fluid beziehen, das zumindest teilweise durch Tieftemperaturzerlegung von atmosphärischer Luft bereitgestellt wird. Ein Luftprodukt gemäß dem hier zugrundeliegenden Verständnis weist ein oder mehrere in der atmosphärischen Luft enthaltene Luftgase in einer abweichenden Zusammensetzung als in der atmosphärischen Luft auf. Ein Luftprodukt kann grundsätzlich in gasförmigem, flüssigem oder überkritischem Zustand vorliegen oder bereitgestellt werden und von einem dieser Aggregatzustände in einen anderen überführt werden. Insbesondere kann ein flüssiges Luftprodukt durch Erwärmen auf einem bestimmten Druck in den gasförmigen Zustand überführt ("verdampft") oder in den überkritischen Zustand überführt ("pseudoverdampft") werden, je nachdem, ob der Druck bei der Erwärmung unterhalb oder oberhalb des kritischen Drucks liegt. Ist nachfolgend von einem "Verdampfen" die Rede, soll dies auch eine entsprechende Pseudoverdampfung einschließen. As used herein, the term "air product" is intended to refer to a fluid provided at least in part by the cryogenic decomposition of atmospheric air. An air product according to the understanding on which this is based has one or more air gases contained in the atmospheric air in a different composition than in the atmospheric air. In principle, an air product can exist or be provided in a gaseous, liquid or supercritical state and can be converted from one of these states of aggregation to another. In particular, a liquid air product can be vaporized ("vaporized") or supercritical ("pseudo-vaporized") by heating to a certain pressure, depending on whether the pressure at the time of heating is below or above the critical pressure . If “vaporization” is mentioned below, this should also include a corresponding pseudo-vaporization.
Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die herkömmlicherweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als klassische Linde- Doppelkolonnensysteme, ausgebildet sind, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben den Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Häufig, und auch hier, werden dabei die Begriffe "Rektifikation" und "Destillation" sowie "Kolonne" und "Säule" bzw. hieraus zusammengesetzte Begriffe synonym verwendet. Air separation plants have rectification column systems which are conventionally designed as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but can also be designed as three- or multi-column systems. In addition to the rectification columns for the production of nitrogen and/or oxygen in liquid and/or gaseous form State, ie the rectification columns for nitrogen-oxygen separation, rectification columns can be provided to obtain other air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon. Frequently, and here too, the terms “rectification” and “distillation” and “column” and “column” or terms composed of these are used synonymously.
Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Drücken 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 Druck von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die Niederdruckkolonne wird auf einem Druck von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Drücke eingesetzt werden. Bei den hier jeweils angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen. The rectification columns of the rectification column systems mentioned are operated at different pressures. 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 of 4 to 7 bar, in particular about 5.3 bar. The low-pressure column is operated at a pressure of typically 1 to 2 bar, in particular about 1.4 bar. In certain cases, higher pressures can also be used in both rectification columns. The pressures given here in each case are absolute pressures at the top of the columns given in each case.
Zur Luftzerlegung können sogenannte Haupt(luft)verdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren oder sogenannte Hochluftdruck-(High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zu Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren zum Einsatz. Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit Hochluftdruck-Verfahren eingesetzt, so dass die nachfolgenden diesbezüglichen Erläuterungen allgemein und auch für die vorliegende Erfindung gelten. Aufgrund von deutlich geringeren Kosten - Haupt- und Nachverdichter sind gewissermaßen in einer Maschine integriert - und grundsätzlich vergleichbarer Effizienz können Hochluftdruck-Verfahren eine vorteilhafte Alternative zu Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren darstellen. So-called main (air) compressor/boost compressor (main air compressor/booster air compressor, MAC-BAC) method or so-called high air pressure (HAP) method can be used for air separation. While the main compressor/boost processes are the more conventional processes, high air pressure processes have been increasingly used in recent times as alternatives to the main compressor/boost processes. The present invention is used in connection with high-air pressure processes, so that the following explanations in this regard apply generally and also to the present invention. Due to the significantly lower costs - the main and booster compressors are, to a certain extent, integrated in one machine - and basically comparable efficiency, high-air pressure processes can represent an advantageous alternative to the main compressor/boost process.
Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Rektifikationskolonnensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf einen Druck verdichtet wird, der wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, oberhalb des Drucks liegt, auf dem die Hochdruckkolonne betrieben wird. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf diesen Druck oder einen Druck, der sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar hiervon unterscheidet, verdichtet, und auf diesem niedrigeren Druck insbesondere ohne zusätzliche Entspannung in die Hochdruckkolonne eingespeist. Ein Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren ist beispielsweise bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt. Main compressor/post-compressor processes are characterized in that only part of the total amount of feed air fed to the rectification column system is compressed to a pressure which is significantly, ie by at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar above of the pressure at which the high-pressure column is operated. Another part of the amount of air used is only on this pressure or one Pressure, which differs from this by no more than 1 to 2 bar, is compressed and fed into the high-pressure column at this lower pressure, in particular without additional relaxation. A main compressor/post-compressor process is shown, for example, by Häring (see above) in FIG. 2.3A.
Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die gesamte, dem Rektifikationskolonnensystem insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf einen Druck verdichtet, der wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, und beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar, oberhalb des Drucks liegt, auf dem die Hochdruckkolonne betrieben wird. Hochluftdruck-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 980514 A1 und der EP 2 963367 A1 bekannt. In a high-air pressure process, on the other hand, the entire amount of feed air fed to the rectification column system is compressed to a pressure that is significantly, i.e. by at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar, and for example up to 14, 16 , 18 or 20 bar, is above the pressure at which the high-pressure column is operated. High-air pressure processes are known, for example, from EP 2 980514 A1 and EP 2 963367 A1.
Hochluftdruck-Verfahren kommen typischerweise mit der sogenannten Innenverdichtung (IV, Internal Compression, IC) zum Einsatz. Bei der Innenverdichtung wird wenigstens ein gasförmiges, druckbeaufschlagtes Luftprodukt, das mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, dadurch gebildet, dass dem Rektifikationskolonnensystem ein tiefkaltes, flüssiges Luftprodukt entnommen, einer Druckerhöhung auf einen Produktdruck unterworfen, und auf dem Produktdruck durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt wird. Beispielsweise können mittels Innenverdichtung gasförmiger, druckbeaufschlagter Sauerstoff (GOX IV, GOX IC) gasförmiger, druckbeaufschlagter Stickstoff (GAN IV, GAN IC) und/oder gasförmiges, druckbeaufschlagtes Argon (GAR IV, GAR IC) erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer alternativ ebenfalls möglichen externen Verdichtung und ist z.B. bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert. High-air pressure processes are typically used with so-called internal compression (IV, Internal Compression, IC). During internal compression, at least one gaseous, pressurized air product, which is provided by the air separation plant, is formed by taking a cryogenic, liquid air product from the rectification column system, subjecting it to a pressure increase to a product pressure, and subjecting it to the product pressure by heating it to the gaseous or supercritical state is transferred. For example, gaseous pressurized oxygen (GOX IV, GOX IC), gaseous pressurized nitrogen (GAN IV, GAN IC) and/or gaseous pressurized argon (GAR IV, GAR IC) can be produced by internal compression. Internal compression offers a number of advantages over external compression, which is also possible as an alternative, and is explained, for example, by Häring (see above) in Section 2.2.5.2, "Internal Compression".
Hochluftdruck-Verfahren können in unterschiedlichen Ausgestaltungen eingesetzt werden. Diese werden oft nach Flüssigleistung der Anlage, d.h. nach der Menge an flüssig bereitgestellten und flüssig der Anlage entnommenen Luftprodukten, bzw. nach dem Verhältnis von innenverdichteten Luftprodukten zu Flüssigprodukten klassifiziert und unterschieden. Bei einer nicht zu hohen Flüssigleistung wird in Hochluftdruck- Verfahren z.B. ein Kaltbooster bzw. Kaltverdichter der unten erläuterten Art eingesetzt, um auf diese Weise die Effizienz des Verfahrens durch Umwandlung der dann überschüssigen Kälteleistung in höheren Luftdruck zu steigern. Bekannt sind auch Hochluftdruck-Verfahren mit einer sogenannten Lachmann- oder Einblaseturbine (engl auch Upper Column Expander) der ebenfalls unten erläuterten Art. Die in der Lachmannturbine entspannte Luft wird in die Niederdruckkolonne eingespeist. Die Lachmannturbine kann dabei als weitere Turbineneinheit neben einer Turbineneinheit, mittels derer gasförmige Druckluft in die Hochdruckkolonne entspannt wird, also einer sogenannten Claude-Turbine, bereitgestellt sein. High-air pressure methods can be used in different configurations. These are often classified and differentiated according to the liquid performance of the plant, ie according to the quantity of air products provided in liquid form and removed from the plant in liquid form, or according to the ratio of internally compressed air products to liquid products. If the liquid output is not too high, a cold booster or cold compressor of the type explained below is used in high-air pressure processes, for example, in order to increase the efficiency of the process by converting the then excess refrigeration output into higher air pressure. Also known are high-air pressure processes with a so-called Lachmann or Einblaseturbine (English also Upper Column Expander) of the type also explained below. The expanded air in the Lachmann turbine is fed into the low-pressure column. The Lachmann turbine can be provided as a further turbine unit in addition to a turbine unit, by means of which gaseous compressed air is expanded into the high-pressure column, ie a so-called Claude turbine.
Insbesondere in Fällen, in denen mittels eines Hochluftdruck-Verfahrens überwiegend oder ausschließlich innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff auf einem Druck in einem Bereich von 16 bis 50 bar (abs.) bereitgestellt werden soll, besteht Verbesserungsbedarf hinsichtlich der Verfahrensführung. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit von Hochluftdruck-Verfahren insbesondere für derartige typische Gasanlagen zu erhöhen. In particular, in cases where a high-air pressure process is to be used predominantly or exclusively to provide internally compressed gaseous oxygen at a pressure in the range from 16 to 50 bar (absolute), there is a need for improvement with regard to the process control. The object of the invention is to increase the efficiency and competitiveness of high-air pressure processes, in particular for such typical gas systems.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines oder mehrerer sauerstoffreicher, gasförmiger Luftprodukte und eine entsprechende Anlage mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung. Against this background, the present invention proposes a method for providing one or more oxygen-rich, gaseous air products and a corresponding system with the respective features of the independent patent claims. Refinements of the invention are the subject of the respective dependent patent claims and the following description.
Es werden zunächst weitere Grundlagen der Erfindung näher erläutert und zur Beschreibung der Erfindung verwendete Begriffe definiert. First of all, further principles of the invention are explained in more detail and terms used to describe the invention are defined.
Unter einer "Einsatzluftmenge" oder kurz "Einsatzluft" wird hier die gesamte, dem Rektifikationskolonnensystem einer Luftzerlegungsanlage zugeführte ("eingesetzte") Luft verstanden. Wie bereits zuvor erläutert, wird diese Einsatzluftmenge in einem Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren nur zu einem Teil auf einen Druck in einem Bereich verdichtet, der deutlich oberhalb eines Druckbereichs liegt, in dem die Hochdruckkolonne betrieben wird. Hingegen wird in einem Hochluftdruck-Verfahren, wie es Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, die gesamte Einsatzluftmenge auf einen Druck in einem derartig hohen Druckbereich verdichtet. Zur Bedeutung des Begriffs "deutlich" im Zusammenhang mit Hauptverdichter/Nachverdichter- und Hochluftdruck-Verfahren sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Unter einer "tiefkalten" Flüssigkeit wird hier ein flüssiges Medium verstanden, dessen Siedepunkt deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, z.B. bei -50 °C oder weniger, insbesondere bei -100 °C oder weniger. Beispiele für tiefkalte Flüssigkeiten sind flüssige Luft, flüssiger Sauerstoff, flüssiger Stickstoff, flüssiges Argon oder Flüssigkeiten, die reich an den genannten Verbindungen sind. An “amount of feed air” or “feed air” for short is understood here to mean the entire air fed (“used”) to the rectification column system of an air separation plant. As already explained above, in a main compressor/post-compressor process, only part of this amount of feed air is compressed to a pressure in a range that is significantly above a pressure range in which the high-pressure column is operated. In contrast, in a high-air pressure process, as is the subject of the present invention, the entire amount of feed air is compressed to a pressure in such a high pressure range. For the meaning of the term "clearly" in connection with the main compressor/post-compressor and high-air pressure process, reference is made to the above explanations. A "cryogenic" liquid is understood here to mean a liquid medium whose boiling point is well below ambient temperature, for example at -50° C. or less, in particular at -100° C. or less. Examples of cryogenic liquids are liquid air, liquid oxygen, liquid nitrogen, liquid argon or liquids that are rich in the compounds mentioned.
Zu den in Luftzerlegungsanlagen eingesetzten Vorrichtungen bzw. Apparaten sei auf Fachliteratur wie Häring (s.o.), insbesondere Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" verwiesen. Nachfolgend werden zur Verdeutlichung und klareren Abgrenzung einige Aspekte entsprechender Vorrichtungen näher erläutert. For the devices and apparatuses used in air separation plants, reference is made to specialist literature such as Häring (see above), in particular Section 2.2.5.6, "Apparatus". Some aspects of corresponding devices are explained in more detail below for clarification and clearer delimitation.
In Luftzerlegungsanlagen kommen zur Verdichtung der Einsatzluftmenge mehrstufige Turboverdichter zum Einsatz, die hier als "Hauptluftverdichter" bezeichnet werden. Der mechanische Aufbau von Turboverdichtern ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. In einem Turboverdichter erfolgt die Verdichtung des zu verdichtenden Mediums mittels Turbinenschaufeln, die auf einem Turbinenrad oder direkt auf einer Welle angeordnet sind. Ein Turboverdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch bei einem mehrstufigen Turboverdichter mehrere Verdichterstufen aufweisen kann. Eine Verdichterstufe umfasst dabei in der Regel ein Turbinenrad oder eine entsprechende Anordnung von Turbinenschaufeln. Alle dieser Verdichterstufen können von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Verdichterstufen gruppenweise mit unterschiedlichen Wellen anzutreiben, wobei die Wellen auch über Getriebe miteinander verbunden sein können. In air separation plants, multi-stage turbo compressors are used to compress the input air, which are referred to here as "main air compressors". The mechanical structure of turbo compressors is known in principle to those skilled in the art. In a turbo compressor, the medium to be compressed is compressed by means of turbine blades, which are arranged on a turbine wheel or directly on a shaft. A turbo compressor forms a structural unit which, however, can have several compressor stages in the case of a multi-stage turbo compressor. A compressor stage generally includes a turbine wheel or a corresponding arrangement of turbine blades. All of these airends can be driven by a common shaft. However, it can also be provided that the compressor stages are driven in groups with different shafts, in which case the shafts can also be connected to one another via gears.
Der Hauptluftverdichter zeichnet sich ferner dadurch aus, dass durch diesen die gesamte in das Destillationskolonnensystem eingespeiste und zur Herstellung von Luftprodukten verwendete Luftmenge, also die gesamte Einsatzluftmenge, verdichtet wird. Entsprechend kann auch ein "Nachverdichter" vorgesehen sein, in dem aber nur ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Einsatzluftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird. Auch dieser kann Turboverdichter ausgebildet sein. Zur Verdichtung von Teilluftmengen sind typischerweise weitere Turboverdichter vorgesehen, die auch als Booster bezeichnet werden, im Vergleich zu dem Hauptluftverdichter oder dem Nachverdichter jedoch typischerweise nur eine Verdichtung in relativ geringem Umfang, insbesondere bezogen auf die verdichtete Luftmenge, vornehmen. Auch in einem Hochluftdruck-Verfahren kann ein Nachverdichter vorhanden sein, dieser verdichtet jedoch eine Teilmenge der Einsatzluftmenge dann ausgehend von einem höheren Druck. The main air compressor is also characterized in that it compresses the entire amount of air fed into the distillation column system and used for the production of air products, ie the entire amount of feed air. Correspondingly, a "post-compressor" can also be provided, in which, however, only part of the input air quantity compressed in the main air compressor is brought to an even higher pressure. This can also be designed as a turbo compressor. Additional turbo compressors are typically provided for compressing partial amounts of air, which are also referred to as boosters, but compared to the main air compressor or the secondary compressor, typically only compression to a relatively small extent, in particular in relation to the compressed one air volume. A booster can also be present in a high-air pressure process, but this then compresses a subset of the input air quantity, starting from a higher pressure.
Unter einem "Kaltverdichter" bzw. "Kaltbooster" soll hier ein Verdichter bzw. Booster verstanden werden, dem Fluid auf einer Temperatur in einem Temperaturbereich deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur der Luftzerlegungsanlage, insbesondere bei einer Temperatur von weniger als 0 °C, -50 °C oder -100 °C und insbesondere mehr als -150 °C oder -200 °C zugeführt wird. A "cold compressor" or "cold booster" is to be understood here as a compressor or booster, the fluid at a temperature in a temperature range well below the ambient temperature of the air separation plant, in particular at a temperature of less than 0 °C, -50 °C or -100°C and in particular more than -150°C or -200°C.
An mehreren Stellen in Luftzerlegungsanlagen kann ferner Luft entspannt werden, wozu unter anderem Entspannungsmaschinen in Form von Turboexpandern, hier auch als "Entspannungsturbinen" bezeichnet, zum Einsatz kommen können. Turboexpander können auch mit Turboverdichtern 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. In einem Turbinenbooster sind der Turboexpander (die Entspannungsturbine) und der Turboverdichter (der Booster) mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein zwischengeschaltetes Getriebe) erfolgen kann. Ist hier von einer "Turbineneinheit" die Rede, soll hierunter insbesondere eine Anordnung mit wenigstens einer Entspannungsturbine verstanden werden. Air can also be expanded at several points in air separation plants, for which purpose, among other things, expansion machines in the form of turboexpanders, also referred to here as “expansion turbines”, can be used. Turboexpanders can also be coupled to and drive turbocompressors. If one or more turbo compressors are driven without externally supplied energy, i.e. only via one or more turbo expanders, the term "turbine booster" is also used for such an arrangement. In a turbine booster, the turboexpander (the expansion turbine) and the turbocompressor (the booster) are mechanically coupled, with the coupling being able to take place at the same speed (e.g. via a common shaft) or at different speeds (e.g. via an intermediate gearbox). If a “turbine unit” is mentioned here, this should be understood to mean in particular an arrangement with at least one expansion turbine.
In typischen Luftzerlegungsanlagen sind zur Kälteerzeugung und Verflüssigung von Stoffströmen an unterschiedlichen Stellen entsprechende Entspannungsturbinen vorhanden. Hierbei handelt es sich insbesondere um die erwähnten Claude-Turbinen und die ebenfalls erwähnten Lachmann-Turbinen, sowie ggf. um sogenannte Joule- Thomson-Turbinen. Zur Funktion und zum Zweck entsprechender Turbinen wird auf die Fachliteratur, beispielsweise F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, insbesondere die Abschnitte 2.4, "Contemporary Liquefaction Cycles", 2.6, "Theoretical Analysis of the Claude Cycle" und 3.8.1, "The Lachmann Principle", verwiesen. Unter einem "Drosselstrom" oder "Joule-Thomson-Strom" wird eine Luftmenge verstanden, die im Hauptwärmetauscher einer Luftzerlegungsanlage zumindest zum überwiegenden Anteil unter Druck verflüssigt und danach, insbesondere über ein Drosselventil, insbesondere in die Hochdruckkolonne eingespeist wird. Anstelle eines Drosselventils kann auch eine Joule-Thomson-Turbine eingesetzt werden. In typical air separation plants, corresponding expansion turbines are present at different points for the generation of cold and the liquefaction of material flows. These are, in particular, the Claude turbines mentioned and the Lachmann turbines also mentioned, and possibly so-called Joule-Thomson turbines. For the function and purpose of corresponding turbines, reference is made to the specialist literature, for example FG Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, in particular sections 2.4, "Contemporary Liquefaction Cycles", 2.6, "Theoretical Analysis of the Claude Cycle " and 3.8.1, "The Lachmann Principle". A "throttle flow" or "Joule-Thomson flow" is understood to mean an amount of air which, at least for the most part, is liquefied under pressure in the main heat exchanger of an air separation plant and is then fed, in particular via a throttle valve, in particular into the high-pressure column. A Joule-Thomson turbine can also be used instead of a throttle valve.
Flüssige, gasförmige oder auch im überkritischen Zustand vorliegende Fluide können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder 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 soeben getroffenen Definition von "reich" entsprechen, bezeichnet jedoch insbesondere einen Gehalt von mehr als 90%. Ist hier beispielsweise von "Stickstoff" oder "Sauerstoff" die Rede, kann es sich um ein Reingas, aber auch ein an Stickstoff oder Sauerstoff reiches Gas handeln. Liquid, gaseous or fluids in the supercritical state can be rich or poor in one or more components in the language used here, with "rich" for a content of at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5% , 99.9% or 99.99% and "poor" can stand for a content of at most 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis . The term "predominantly" may correspond to the definition of "rich" just given, but in particular denotes a content of more than 90%. If, for example, "nitrogen" or "oxygen" is mentioned here, it can be a pure gas, but it can also be a gas rich in nitrogen or oxygen.
Nachfolgend ist zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen von Drücken bzw. Temperaturen in bestimmten Druck- bzw. Temperaturbereichen die Rede. Hierdurch soll zum Ausdruck gebracht werden, dass Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um ein erfinderisches Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in entsprechenden Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5% oder 10% um einen Mittelwert liegen. Unterschiedliche Druck- bzw. Temperaturbereiche können dabei disjunkte Bereiche darstellen oder Bereiche, die einander überlappen. Insbesondere schließt beispielsweise die Angabe von Druckbereichen unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Leitungswiderständen und dergleichen, ein. Entsprechendes gilt für Druckbereiche. Bei hier in bar angegebenen Drücken bzw. Druckbereichsgrenzen handelt es sich, falls nicht anders angegeben, um Absolutdrücke. In the following, pressures and temperatures in specific pressure and temperature ranges are discussed for the characterization of pressures and temperatures. This is intended to express the fact that pressures and temperatures do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values in order to implement an inventive concept. However, such pressures and temperatures typically range within respective ranges, for example, ±1%, 5%, or 10% about an average. Different pressure or temperature ranges can represent disjunctive ranges or ranges that overlap one another. In particular, for example, the specification of pressure ranges includes unavoidable or expected pressure losses, for example due to line resistances and the like. The same applies to pressure areas. Unless otherwise stated, the pressures or pressure range limits given here in bar are absolute pressures.
Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention
Bekannte Hochluftdruck-Verfahren werden, wie erwähnt, häufig nach der sogenannten Flüssigleistung bzw. nach dem Verhältnis von innenverdichteten Produkten zu Flüssigprodukten klassifiziert und unterschieden. Die Flüssigleistung bezeichnet dabei die Menge an Luftprodukten, die flüssig aus der Anlage bzw. einem entsprechenden Verfahren ausgeführt werden, bei denen also keine Verdampfung oder Pseudoverdampfung erfolgt. Mittels derartiger Produkte können also keine Einsatzströme in die Anlage bzw. das Verfahren durch eine entsprechende Verdampfung gekühlt werden. Daher ist dann, wenn geringere Mengen an Luftprodukten flüssig aus der aus der Anlage bzw. einem entsprechenden Verfahren ausgeführt, sondern diese verdampft bzw. pseudoverdampft werden, gewissermaßen Kälte im Überschuss vorhanden. As mentioned, known high-air pressure processes are often classified and differentiated according to the so-called liquid performance or according to the ratio of internally compressed products to liquid products. The liquid performance denotes the quantity of air products that are discharged from the plant or a corresponding process in liquid form, i.e. in which there is no evaporation or pseudo-evaporation. Such products cannot therefore be used to cool feed streams into the plant or the process by means of a corresponding evaporation. Therefore, if smaller amounts of air products are carried out in liquid form from the plant or a corresponding process, but these are evaporated or pseudo-evaporated, there is, so to speak, an excess of cold.
Bei einer geringen Flüssigleistung kann daher beispielsweise ein sogenannter Kaltbooster eingesetzt werden, um die Prozesseffizienz durch die Umwandlung solcher überschüssiger Kälte in höheren Luftdruck zu steigern. Der Wärmeeintrag durch den Kaltbooster "vernichtet" die im Überschuss vorhandene Kälte zum Teil, der Kaltbooster verdichtet aber im Gegenzug dazu einen Teil der Einsatzluft, so dass beispielsweise die Leistung des Hauptluftverdichters entsprechend reduziert werden kann. Die Ansaugtemperatur eines Kaltboosters liegt, wie oben bereits angesprochen, unterhalb der Umgebungstemperatur, so dass sich die Leistungsaufnahme bei einem zur Vereinfachung angenommenen idealen Gasverhalten reduziert. In the case of a low liquid output, a so-called cold booster can therefore be used, for example, in order to increase the process efficiency by converting such excess cold into higher air pressure. The heat input from the cold booster "destroys" some of the excess cold, but in return the cold booster compresses part of the input air, so that, for example, the power of the main air compressor can be reduced accordingly. As mentioned above, the intake temperature of a cold booster is below the ambient temperature, so that the power consumption is reduced if the gas behavior is assumed to be ideal for the sake of simplicity.
Die Erfindung kommt dabei bei einem Hochluftdruck-Verfahren zum Einsatz, bei dem, wie erwähnt, gasförmiger Sauerstoff ohne (nennenswerte) Flüssigproduktion hergestellt werden soll, und bei der eine Einblaseturbine (Lachmann-Turbine) als zweite Turbineneinheit neben einer ersten Turbineneinheit, die nach Art einer Claude- Turbine Luft in die Hochdruckkolonne entspannt, vorgesehen ist. The invention is used in a high-air pressure process in which, as mentioned, gaseous oxygen is to be produced without (significant) liquid production, and in which an injection turbine (Lachmann turbine) is used as a second turbine unit in addition to a first turbine unit, which, according to Art a Claude turbine air relaxed in the high-pressure column, is provided.
Die vorliegende Erfindung löst die oben genannte Aufgabe insbesondere dadurch, dass Luft der Lachmann-Turbine mit einer deutlich niedrigeren Lufteintrittstemperatur als in bekannten Verfahren zugeführt wird. Hierdurch ergibt sich eine starke Vorverflüssigung am Turbinenaustritt der Lachmann-Turbine. Entsprechend ergibt sich eine deutliche Reduzierung der im Hauptwärmetauscher als Drosselstrom oder Drosselströme zu verflüssigenden Luftmengen und als Konsequenz hieraus eine spürbare Erhöhung der Effizienz. Die zu übertragende Wärmemenge im unteren Bereich des Hauptwärmetauschers, also an dem Ort, an dem die Kondensation von Luftströmen erfolgt, fällt dadurch geringer aus und die Leistung des Kaltverdichters wird reduziert.. Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung vor diesem Hintergrund ein Verfahren zur Herstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage vor, welche ein Rektifikationskolonnensystem mit einer Hochdruckkolonne und einer Niederdruckkolonne sowie einen Hauptwärmetauscher, eine erste Turbineneinheit und eine zweite Turbineneinheit aufweist. The present invention solves the above problem in particular in that air is supplied to the Lachmann turbine at a significantly lower air inlet temperature than in known methods. This results in strong pre-liquefaction at the turbine outlet of the Lachmann turbine. Accordingly, there is a significant reduction in the air quantities to be liquefied in the main heat exchanger as throttle flow or throttle flows and, as a consequence, there is a noticeable increase in efficiency. The amount of heat to be transferred in the lower area of the main heat exchanger, i.e. at the point where the condensation of air flows takes place, is therefore lower and the performance of the cold compressor is reduced. Overall, against this background, the present invention proposes a method for producing a pressurized, oxygen-rich, gaseous air product using an air separation plant which has a rectification column system with a high-pressure column and a low-pressure column and a main heat exchanger, a first turbine unit and a second turbine unit.
Die Hochdruckkolonne wird in einem ersten Druckbereich von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben, die Niederdruckkolonne wird in einem zweiten Druckbereich von 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar, betrieben, und zumindest ein überwiegender Anteil einer dem Rektifikationskolonnensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge, insbesondere die gesamte Einsatzluftmenge wie in einem Hochluftdruck-Verfahren üblich, wird auf einen Druck in einem dritten Druckbereich verdichtet, der mehr als 3 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt. Zu weiteren möglichen Druckdifferenzen wird auf die obigen Erläuterungen bezüglich Hochluftdruck-Verfahren nochmals ausdrücklich verwiesen. The high-pressure column is operated in a first pressure range of 4 to 7 bar, in particular approx. 5.3 bar, the low-pressure column is operated in a second pressure range of 1 to 2 bar, in particular approx. 1.4 bar, and at least one predominant A proportion of the total amount of feed air fed to the rectification column system, in particular the total amount of feed air as is customary in a high-air pressure process, is compressed to a pressure in a third pressure range which is more than 3 bar above the first pressure range. For other possible pressure differences, reference is once again expressly made to the above explanations regarding high-air pressure processes.
Eine erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge wird auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem vierten Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich der ersten Turbineneinheit zugeführt, unter Verwendung der ersten Turbineneinheit auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt, und in die Hochdruckkolonne eingespeist. Wie weiter unten erläutert, wird zur Bereitstellung der ersten Teilmenge auf der Temperatur in dem ersten Temperaturbereich insbesondere der Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage in der unten erläuterten Weise verwendet und der Druck auf dem vierten Druckbereich wird ggf. unter Verwendung einer entsprechenden Boostereinheit in der unten erläuterten Weise erzielt. Bei der ersten Turbineneinheit handelt es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um eine typische Claude-Turbine wie oben erläutert, oder die erste Turbineneinheit umfasst eine solche. A first portion of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is supplied at the pressure in the third pressure range or at a pressure in a fourth pressure range above the third pressure range and at a temperature in a first temperature range to the first turbine unit using the first Turbine unit relaxed to a pressure in the first pressure range, and fed into the high-pressure column. As explained below, the main heat exchanger of the air separation plant in particular is used in the manner explained below to provide the first subset at the temperature in the first temperature range, and the pressure in the fourth pressure range is optionally achieved using a corresponding booster unit in the manner explained below . In the context of the invention, the first turbine unit is in particular a typical Claude turbine as explained above, or the first turbine unit includes one.
Eine zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge wird auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem fünften Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich der zweiten Turbineneinheit zugeführt, unter Verwendung der zweiten Turbineneinheit auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich entspannt, und in die Niederdruckkolonne eingespeist. Wie weiter unten erläutert, wird zur Bereitstellung der zweiten Teilmenge auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich insbesondere der Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage in der unten erläuterten Weise verwendet und der Druck auf dem fünften Druckbereich wird ggf. unter Verwendung einer entsprechenden Boostereinheit in der unten erläuterten Weise erzielt. Bei der zweiten Turbineneinheit handelt es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um eine typische Lachmann- Turbine wie oben erläutert, oder die zweite Turbineneinheit umfasst eine solche. A second partial amount of the feed air amount compressed to the pressure in the third pressure range is at the pressure in the third pressure range or at a pressure in a fifth pressure range above the third pressure range and at a Temperature in a second temperature range of the second turbine unit fed, expanded using the second turbine unit to a pressure in the second pressure range, and fed into the low pressure column. As explained below, the main heat exchanger of the air separation plant in particular is used in the manner explained below to provide the second subset at the temperature in the second temperature range, and the pressure in the fifth pressure range is optionally achieved using a corresponding booster unit in the manner explained below . In the context of the invention, the second turbine unit is, in particular, a typical Lachmann turbine as explained above, or the second turbine unit includes one.
Die Erfindung umfasst, dass dem Rektifikationskolonnensystem zur Bereitstellung des gasförmigen, druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts sauerstoffreiche Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand unter Erwärmung auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich in flüssigem Zustand auf einen Druck in einem sechsten Druckbereich von 16 bis 50 bar oder 25 bis 50 bar, insbesondere 40 bis 50 bar, beispielsweise ca. 43 bar, gebracht, dem Hauptwärmetauscher zugeführt, in diesem auf der Temperatur in dem dritten Temperaturbereich verdampft und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird. Das druckbeaufschlagte, sauerstoffreiche Luftprodukt wird also als Innenverdichtungsprodukt bereitgestellt. The invention comprises removing oxygen-rich liquid from the rectification column system to provide the gaseous, pressurized, oxygen-rich air product, in the liquid state with heating to a temperature in a third temperature range in the liquid state to a pressure in a sixth pressure range of 16 to 50 bar or 25 to 50 bar, in particular 40 to 50 bar, for example approx. 43 bar, is fed to the main heat exchanger, evaporated in this at the temperature in the third temperature range and discharged from the air separation plant. The pressurized, oxygen-rich air product is thus provided as an internal compression product.
Der dritte Temperaturbereich, also der Temperaturbereich, in dem die Temperatur liegt, auf der die sauerstoffreiche Flüssigkeit nach der Druckbeaufschlagung in flüssigem Zustand in dem Hauptwärmetauscher verdampft wird , liegt erfindungsgemäß sowohl oberhalb des ersten Temperaturbereichs als auch oberhalb des zweiten Temperaturbereichs. The third temperature range, i.e. the temperature range in which the temperature lies at which the oxygen-rich liquid is vaporized in the main heat exchanger after pressurization in the liquid state, is according to the invention both above the first temperature range and above the second temperature range.
Der zweite Temperaturbereich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart gewählt, dass sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit ein Zweiphasengemisch mit einem Flüssigkeitsanteil von 5 bis 15%, insbesondere von 8 bis 13%, bildet, wobei diese Prozentangaben insbesondere einen Stoffmengenanteil des Flüssiganteils, bezogen auf eine Stoffmenge des gesamten Zweiphasengemischs, ausdrücken. Die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich und die Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich unterscheiden sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung ferner um nicht mehr als 10 K voneinander. In the context of the present invention, the second temperature range is selected in such a way that a two-phase mixture with a liquid fraction of 5 to 15%, in particular 8 to 13%, forms at the outlet of the second turbine unit, with these percentages in particular representing a mole fraction of the liquid fraction, based on an amount of substance of the entire two-phase mixture. Furthermore, within the scope of the present invention, the temperature in the first temperature range and the temperature in the second temperature range do not differ from one another by more than 10 K.
Die Luftzerlegungsanlage wird erfindungsgemäß derart betrieben, dass ein Anteil von weniger als 5%, insbesondere weniger als 2%, aller aus der Luftzerlegungsanlage entnommener Luftprodukte der Luftzerlegungsanlage unverdampft und in flüssigem Zustand entnommen werden. Zum Begriff "Luftprodukt", unter den nicht nur im Wesentlichen reine Produkte wie Sauerstoff oder Stickstoff fallen, sondern auch Unreinströme (sog. Waste Gas), sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Bezogen auf im Wesentlichen reine Produkte beträgt der Anteil weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% oder weniger als 2%. Die "im Wesentlichen reinen" Produkte umfassen insbesondere Stickstoff, Sauerstoff und Argon, oder Fluide, die jeweils reich an der jeweils erwähnten Komponente sind. According to the invention, the air separation plant is operated in such a way that a proportion of less than 5%, in particular less than 2%, of all air products removed from the air separation plant are removed from the air separation plant in non-evaporated and liquid state. Regarding the term "air product", which not only includes essentially pure products such as oxygen or nitrogen, but also impure streams (so-called waste gas), reference is made to the above explanations. Based on essentially pure products, the proportion is less than 10%, in particular less than 5% or less than 2%. The "substantially pure" products include in particular nitrogen, oxygen and argon, or fluids each rich in the respective component mentioned.
Durch die Kombination der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen werden insbesondere die bereits zuvor erwähnten Vorteile erzielt. Auf die obigen Erläuterungen wird verwiesen. In particular, the advantages already mentioned above are achieved by combining the measures proposed according to the invention. Reference is made to the above explanations.
Insbesondere liegen der erste und der zweite Temperaturbereich jeweils bei 110 bis 140 K, insbesondere bei 120 bis 135 K. In particular, the first and the second temperature range are each 110 to 140 K, in particular 120 to 135 K.
Der dritte Temperaturbereich liegt insbesondere um mehr als 10 K und bis zu 40 K oberhalb des ersten Temperaturbereichs und des zweiten Temperaturbereichs. The third temperature range is in particular more than 10 K and up to 40 K above the first temperature range and the second temperature range.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge vorteilhafterweise auf dem Druck in dem vierten Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht. In the method according to the invention, the first subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is advantageously provided at the pressure in the fourth pressure range and brought to the pressure in the fourth pressure range using a booster unit.
Die hierbei verwendete Boostereinheit kann dabei insbesondere zum Antreiben der ersten T urbineneinheit verwendet werden. The booster unit used here can be used in particular to drive the first turbine unit.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann dabei die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge in einem ersten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt werden, bevor sie unter Verwendung der Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, und die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge kann in einem zweiten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt werden, nachdem sie unter Verwendung der Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wurde, wobei der zweite Abkühlschritt ein Abkühlen auf die bereits erwähnte Temperatur in dem ersten Temperaturbereich umfasst. In one embodiment of the invention, the first partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be in a first Cooling step in the main heat exchanger before it is brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit, and the first subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be cooled in a second cooling step in the main heat exchanger after it was brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit, wherein the second cooling step comprises cooling to the already mentioned temperature in the first temperature range.
Eine dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge kann insbesondere zusammen mit der ersten Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge dem ersten Abkühlschritt unterworfen und unter Verwendung der Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht werden, wobei die dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich und dann auf den Druck in dem vierten Druckbereich weiter verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem vierten Druckbereich in dem Hauptwärmetauscher verflüssigt, anschließend entspannt, und in die Hochdruckkolonne eingespeist wird. Die erste Teilmenge wird dabei insbesondere an einer der Temperatur in dem ersten Temperaturbereich entsprechenden Entnahmestelle aus dem Hauptwärmetauscher entnommen, wohingegen die dritte Teilmenge bis zum kalten Ende durch den Hauptwärmetauscher geführt wird. Die dritte Teilmenge bildet auf diese Weise einen Drosselstrom. A third partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be subjected to the first cooling step, in particular together with the first partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range, and brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit, wherein the third subset of the feed air quantity further compressed to the pressure in the third pressure range and then to the pressure in the fourth pressure range is liquefied at the pressure in the fourth pressure range in the main heat exchanger, then expanded, and fed into the high-pressure column. The first subset is taken from the main heat exchanger in particular at an extraction point corresponding to the temperature in the first temperature range, whereas the third subset is routed through the main heat exchanger to the cold end. In this way, the third subset forms a choke flow.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge insbesondere auf dem Druck in dem fünften Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer weiteren Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht werden. Hierbei kann die weitere Boostereinheit insbesondere die zweite Turbineneinheit antreiben, diese ist also "selbstgeboostert" ausgeführt. In the method according to the invention, the second subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be provided in particular at the pressure in the fifth pressure range and brought to the pressure in the fourth pressure range using a further booster unit. In this case, the further booster unit can in particular drive the second turbine unit, which is therefore designed to be “self-boosted”.
Falls die zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge nicht auf den Druck in dem fünften Druckbereich gebracht werden soll, kann die zweite Turbineneinheit insbesondere öl- oder generatorgebremst ausgeführt werden, wie an sich bekannt. In allen Fällen kann eine vierte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge gemeinsam mit der zweiten Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt werden, wobei die zweite Teilmenge auf einer der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich entsprechenden Stelle aus dem Hauptwärmetauscher ausgeführt werden kann, die vierte Teilmenge jedoch weiter abgekühlt und verflüssigt werden kann. Die vierte Teilmenge kann dabei dem Hauptwärmetauscher kaltseitig entnommen und als weiterer Drosselstrom in die Hochdruckkolonne eingespeist werden. If the second subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is not to be brought to the pressure in the fifth pressure range, the second turbine unit can in particular be designed with oil or generator braking, as is known per se. In all cases, a fourth partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be cooled in the main heat exchanger together with the second partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range, the second partial quantity being at one of the temperatures in the second temperature range corresponding point can be carried out from the main heat exchanger, but the fourth subset can be further cooled and liquefied. The fourth subset can be taken from the cold side of the main heat exchanger and fed into the high-pressure column as a further throttle flow.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit bildende Zweiphasengemisch vorteilhafterweise einer Phasentrennung in einem geeigneten Phasentrenner zugeführt und danach getrenntphasig, d.h. in Form eines Gasstroms und eines Flüssigstroms, in die Niederdruckkolonne eingespeist. In the process according to the invention, the two-phase mixture which forms at the outlet of the second turbine unit is advantageously fed to a phase separation in a suitable phase separator and then fed into the low-pressure column in separate phases, i.e. in the form of a gas stream and a liquid stream.
In einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit bildende Zweiphasengemisch dagegen zweiphasig in die Niederdruckkolonne eingespeist. Durch die Wahl einer geeigneten Zweiphasenleitung kann auf eine Pumpe verzichtet werden, da Flüssigkeitstropfen aufgrund der relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit mitgerissen werden. In another embodiment of the present invention, the two-phase mixture forming at the outlet of the second turbine unit is fed into the low-pressure column in two phases. By choosing a suitable two-phase line, a pump can be dispensed with, as liquid droplets are entrained due to the relatively high flow rate.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Luftzerlegungsanlage zur Bereitstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts. Zu den Merkmalen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Luftzerlegungsanlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch ausdrücklich verwiesen. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage profitiert von den zuvor bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltungen erläuterten Vorteilen, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird. Insbesondere ist eine derartige Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet, ein Verfahren gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen, und weist hierzu eingerichtete Mittel auf. The present invention further relates to an air separation plant for providing a pressurized oxygen-rich gaseous air product. With regard to the features of the air separation plant proposed according to the invention, reference is expressly made to the corresponding independent patent claim. A corresponding air separation plant benefits from the advantages explained above with regard to the method according to the invention and its preferred configurations, to which express reference is therefore made. In particular, such an air separation plant is set up to carry out a method according to one of the configurations explained above, and has means set up for this purpose.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, which illustrate preferred embodiments of the present invention. Brief description of the drawings
Die Figuren 1 bis 5 veranschaulichen Luftzerlegungsanlagen gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung. Figures 1 to 5 illustrate air separation plants according to preferred embodiments of the invention.
Die Figuren 6 und 7 zeigen Temperatur-Enthalpie-Diagramme. Figures 6 and 7 show temperature-enthalpy diagrams.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
In Figur 1 ist eine mit 100 bezeichnete Luftzerlegungsanlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Die Luftzerlegungsanlage 100 weist ein Rektifikationskolonnensystem 10 mit einer Hochdruckkolonne 11 und einer Niederdruckkolonne 12 auf, die in bekannter Weise verschaltet sind. FIG. 1 shows an air separation plant, designated 100, according to a preferred embodiment of the invention. The air separation plant 100 has a rectification column system 10 with a high-pressure column 11 and a low-pressure column 12, which are connected in a known manner.
Luftzerlegungsanlagen der gezeigten Art sind vielfach an anderer Stelle beschrieben, beispielsweise bei Häring (s.o.) und dort insbesondere in Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification". Für detaillierte Erläuterungen zu Aufbau und Funktionsweise sei daher auf entsprechende Fachliteratur verwiesen. Eine Luftzerlegungsanlage zum Einsatz der vorliegenden Erfindung kann auf unterschiedlichste Weise ausgebildet sein. Air separation plants of the type shown are often described elsewhere, for example by Häring (see above) and there in particular in Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification". For detailed explanations of the structure and function, please refer to the relevant specialist literature. An air separation plant for the use of the present invention can be designed in the most varied of ways.
Die Hochdruckkolonne 11 wird in der hier veranschaulichten Ausgestaltung in einem ersten Druckbereich betrieben, die Niederdruckkolonne 12 wird in einem zweiten Druckbereich betrieben, und zumindest ein überwiegender Anteil einer dem Rektifikationskolonnensystem 10 insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge, hier in Form eines Druckluftstroms a, wird auf einen Druck in einem dritten Druckbereich verdichtet, der deutlich oberhalb des ersten Druckbereichs liegt. In the embodiment illustrated here, the high-pressure column 11 is operated in a first pressure range, the low-pressure column 12 is operated in a second pressure range, and at least a predominant proportion of a total amount of feed air fed to the rectification column system 10, here in the form of a compressed air stream a, is pressurized to a pressure in a third pressure range compressed, which is significantly above the first pressure range.
In der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100 wird dabei Einsatzluft mittels eines Hauptluftverdichters 1 angesaugt, auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichtet, in einem ebenfalls nicht gesondert bezeichneten Direktkontaktkühler abgekühlt und in einer Vorreinigungseinheit 2 insbesondere von Wasser und Kohlendioxid befreit. In the air separation plant 100 illustrated in Figure 1, feed air is sucked in by means of a main air compressor 1, compressed to the pressure in the third pressure range, cooled in a direct contact cooler, also not designated separately, and freed of water and carbon dioxide in particular in a pre-cleaning unit 2.
Die auf diese Weise als der erwähnte Druckluftstrom a bereitgestellte Einsatzluft auf dem Druck in dem dritten Druckbereich wird sodann in zwei Teilströme b und c aufgeteilt, welche beide warmseitig einem Hauptwärmetauscher 3 zugeführt und in diesem abgekühlt werden. Es werden durch Entnahme aufThe feed air provided in this way as the mentioned compressed air stream a at the pressure in the third pressure region is then divided into two partial streams b and c divided, both of which are fed to a main heat exchanger 3 on the hot side and cooled therein. It will be by picking up
Zwischentemperaturniveaus und kaltseitig des Hauptwärmetauschers 3 jeweils weitere Teilströme gebildet, die hier als "erste" bis "vierte" Teilmengen bezeichnete Teilmengen der Einsatzluft des Druckluftstroms a darstellen und mit a1 bis a4 angegeben sind. Intermediate temperature levels and the cold side of the main heat exchanger 3 each formed further substreams, which represent subsets of the feed air of the compressed air flow a, referred to here as "first" to "fourth" subsets, and are indicated with a1 to a4.
Die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten gesamten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird dabei in der hier veranschaulichten Ausgestaltung auf einem Druck in einem vierten Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich in Form des Teilstroms a1 einer ersten Turbineneinheit 5 zugeführt, unter Verwendung der ersten Turbineneinheit 5 auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt, und in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist. In the embodiment illustrated here, the first partial quantity of the total input air quantity of compressed air flow a compressed to the pressure in the third pressure range is at a pressure in a fourth pressure range above the third pressure range and at a temperature in a first temperature range in the form of partial flow a1 of a first Supplied to turbine unit 5, expanded to a pressure in the first pressure range using the first turbine unit 5, and fed into the high-pressure column 11.
Die erste Teilmenge, d.h. der Teilstrom a1, wird dabei als Teil des Teilstroms b unter Verwendung einer Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht, wobei die Boostereinheit 4 von der der ersten Turbineneinheit 5 angetrieben wird. Die erste Teilmenge, d.h. der Teilstrom a1, wird in einem ersten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher 3 abgekühlt, bevor sie unter Verwendung der Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, und die erste Teilmenge, d.h. der Stoffstrom a1 wird in einem zweiten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher 3 abgekühlt, nachdem sie unter Verwendung der Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wurde. Der zweite Abkühlschritt umfasst ein Abkühlen auf die Temperatur in dem erwähnten ersten Temperaturbereich. The first partial quantity, i.e. the partial flow a1, is brought to the pressure in the fourth pressure range as part of the partial flow b using a booster unit 4, the booster unit 4 being driven by that of the first turbine unit 5. The first partial quantity, i.e. the partial flow a1, is cooled in the main heat exchanger 3 in a first cooling step before it is brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit 4, and the first partial quantity, i.e. the material flow a1 is cooled in a second cooling step in the main heat exchanger 3 after being pressurized in the fourth pressure range using the booster unit 4 . The second cooling step includes cooling to the temperature in the mentioned first temperature range.
Die zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird in der hier veranschaulichten Ausgestaltung dagegen als Teil des Teilstroms c auf dem Druck in dem dritten Druckbereich und auf einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich in Form des Teilstroms a2 einer zweiten Turbineneinheit 6 zugeführt, die in der hier veranschaulichten Ausgestaltung mit einem Generator G gekoppelt ist, unter Verwendung der zweiten Turbineneinheit 6 auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich entspannt, und anschließend in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist. Der zweite Temperaturbereich ist dabei derart gewählt, dass sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit 6 ein Zweiphasengemisch mit dem zuvor mehrfach angegebenen Flüssigkeitsanteil bildet. Das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit 6 bildende Zweiphasengemisch wird dabei in der hier veranschaulichten Ausgestaltung einer Phasentrennung in einem Phasentrenner 7 zugeführt und danach getrenntphasig in Form eines Flüssigkeitsstroms a2l und eines Gasstroms a2g in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist. In the embodiment illustrated here, the second partial quantity of the feed air quantity of compressed air flow a compressed to the pressure in the third pressure range is, on the other hand, part of partial flow c at the pressure in the third pressure range and at a temperature in a second temperature range in the form of partial flow a2 of a second Supplied to the turbine unit 6, which is coupled to a generator G in the embodiment illustrated here, expanded to a pressure in the second pressure range using the second turbine unit 6, and then fed into the low-pressure column 12. The second temperature range is selected in such a way that a two-phase mixture forms at the outlet of the second turbine unit 6 with the liquid fraction specified several times above. In the embodiment illustrated here, the two-phase mixture forming at the outlet of the second turbine unit 6 is fed to a phase separation in a phase separator 7 and then fed into the low-pressure column 12 in separate phases in the form of a liquid stream a2l and a gas stream a2g.
Die dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird in Form des erwähnten Teilstroms a3 zusammen mit der ersten Teilmenge, also dem Teilstrom a1 , und damit als Teil des Teilstroms b, dem ersten Abkühlschritt unterworfen und ebenfalls unter Verwendung der Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht, wobei die dritte Teilmenge, d.h. der Teilstrom a3, aber auf dem Druck in dem vierten Druckbereich in dem Hauptwärmetauscher 3 verflüssigt, entspannt, und in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist wird. The third partial quantity of the feed air quantity of the compressed air flow a compressed to the pressure in the third pressure range is subjected to the first cooling step in the form of the mentioned partial flow a3 together with the first partial quantity, i.e. the partial flow a1 and thus as part of the partial flow b, and is also used the booster unit 4 to the pressure in the fourth pressure range, with the third subset, i.e. the partial flow a3, but liquefied at the pressure in the fourth pressure range in the main heat exchanger 3, expanded, and fed into the high-pressure column 11.
Die vierte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird in Form des erwähnten Teilstroms a4 zusammen mit der zweiten Teilmenge, also dem Teilstrom a2, und damit als Teil des Teilstroms c, dem Hauptwärmetauscher 3 zugeführt, aber nicht auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich diesem entnommen, sondern ebenfalls in dem Hauptwärmetauscher verflüssigt, anschließend entspannt, und in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist. The fourth partial quantity of the feed air quantity of the compressed air flow a compressed to the pressure in the third pressure range is fed in the form of the mentioned partial flow a4 together with the second partial quantity, i.e. the partial flow a2, and thus as part of the partial flow c, to the main heat exchanger 3, but not on taken from the temperature in the second temperature range, but also liquefied in the main heat exchanger, then expanded and fed into the high-pressure column 11 .
Die als Drosselströme verwendeten Teilströme a3 und a4 werden dabei in der hier veranschaulichten Ausgestaltung zu einem Gesamtstrom k vereinigt, bevor sie in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist werden. In the embodiment illustrated here, the partial streams a3 and a4 used as throttle streams are combined to form a total stream k before they are fed into the high-pressure column 11 .
Dem Rektifikationskolonnensystem 10, genauer einem Sumpf der Niederdruckkolonne 11, wird zur Bereitstellung des gasförmigen, druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts sauerstoffreiche Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms I entnommen, in flüssigem Zustand unter Erwärmung auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich mittels einer Innenverdichtungspumpe 8 auf einen Druck in einem sechsten Druckbereich gebracht, auf der Temperatur in dem dritten Temperaturbereich in dem Hauptwärmetauscher 3 verdampft und aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet. To provide the gaseous, pressurized, oxygen-rich air product, oxygen-rich liquid is removed from the rectification column system 10, more precisely a bottom of the low-pressure column 11, in the form of a stream I, in the liquid state with heating to a temperature in a third temperature range by means of an internal compression pump 8 to a pressure in brought to a sixth pressure range, at the temperature in the third temperature range evaporated in the main heat exchanger 3 and discharged from the air separation unit 100.
Zur weiteren Verschaltung der Komponenten der Luftzerlegungsanlage 100, die insbesondere auch einen Unterkühlungsgegenströmer 9 umfassen kann, sei auf die zitierte Fachliteratur verwiesen. Insbesondere wird der Luftzerlegungsanlage 100 nur ein geringer Teil an Luftprodukten unverdampft und in flüssigem Zustand entnommen, beispielsweise in Form eines Flüssigsauerstoffstroms m. For further interconnection of the components of the air separation plant 100, which in particular can also include a supercooling counterflow 9, reference is made to the technical literature cited. In particular, only a small part of the air products is removed from the air separation plant 100 in non-evaporated form and in the liquid state, for example in the form of a liquid oxygen stream m.
Die Luftzerlegungsanlage 200 gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 im Wesentlichen durch das Fehlen des Phasentrenners 7, wobei der Zweiphasenstrom a2 zweiphasig in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist wird. The air separation plant 200 according to FIG. 2 differs from the air separation plant 100 according to FIG.
Die Luftzerlegungsanlage 300 gemäß Figur 3 unterscheidet sich von den Luftzerlegungsanlagen 100 und 200 gemäß Figuren 1 und 2 im Wesentlichen durch die Bereitstellung des druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts in Form zweier Fraktionen bzw. Teilströme 11 und I2, die aus dem Teilstrom I gebildet und in dem Hauptwärmetauscher 3 auf unterschiedlichen Drücken verdampft werden. The air separation plant 300 according to Figure 3 differs from the air separation plants 100 and 200 according to Figures 1 and 2 essentially by the provision of the pressurized, oxygen-rich air product in the form of two fractions or partial flows 11 and I2, which are formed from the partial flow I and in the main heat exchanger 3 are vaporized at different pressures.
Die Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 unterscheidet sich von den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 gemäß Figuren 1 bis 4 im Wesentlichen dadurch, dass die zweite Teilmenge a2 (und die vierte Teilmenge a4) der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf einem Druck in einem fünften Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer weiteren Boostereinheit 41, die insbesondere von der Turbine 6 angetrieben wird (also "selbstgeboostert" ist) auf den Druck in dem fünften Druckbereich gebracht wird. Die weitere Boostereinheit 41 wird durch einen warmen Nachverdichter für Luft gebildet, das heißt durch einen Nachverdichter mit einer Eintrittstemperatur oberhalb von 273 K. The air separation plant 400 according to FIG. 4 differs from the air separation plants 100 to 300 according to FIGS fifth pressure range is provided and is brought to the pressure in the fifth pressure range using a further booster unit 41, which is driven in particular by the turbine 6 (that is to say is “self-boosted”). The further booster unit 41 is formed by a warm booster for air, i.e. by a booster with an inlet temperature above 273 K.
Die Luftzerlegungsanlage 500 gemäß Figur 5 unterscheidet sich von den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 400 gemäß Figuren 1 bis 4 im Wesentlichen dadurch, dass eine Argonausschleuskolonne 51 an sich bekannter Art verwendet wird, wie sie beispielsweise in der EP 3067649 A1 beschrieben ist. Aus der Argonausschleuskolonne 51 wird ein an Argon angereicherter, gasförmiger Strom s abgezogen und im Hauptwärmetauscher 3 erwärmt. Die Argonausschleuskolonne 51 wird aus der Niederdruckkolonne 12 gespeist und Sumpfflüssigkeit (jeweils ohne gesonderte Bezeichnung) wird nach Abreicherung an Argon in die Niederdruckkolonne 12 zurückgeführt. Zur Kühlung eines Kopfkondensators der Argonausschleuskolonne 51 wird Sumpfflüssigkeit aus der Hochdruckkolonne 11 verwendet, die nach teilweiser Verdampfung in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist wird The air separation plant 500 according to FIG. 5 differs from the air separation plants 100 to 400 according to FIGS. 1 to 4 essentially in that an argon discharge column 51 of a known type is used, as described for example in EP 3067649 A1. From the argon discharge column 51, an argon-enriched, gaseous stream s withdrawn and heated in the main heat exchanger 3. The argon discharge column 51 is fed from the low-pressure column 12 and bottom liquid (in each case without a separate designation) is returned to the low-pressure column 12 after it has been depleted of argon. To cool a top condenser of the argon discharge column 51, bottom liquid from the high-pressure column 11 is used, which is fed into the low-pressure column 12 after partial evaporation
Unter einer "Argonausschleuskolonne" wird hier eine Trennkolonne zur Argon- Sauerstoff-Trennung bezeichnet, die nicht zur Gewinnung eines reinen Argonprodukts, sondern zur Ausschleusung von Argon aus der in Druckkolonne und Niederdruckkolonne zu zerlegenden Luft dient. Ihre Schaltung unterscheidet sich nur wenig von der einer klassischen Rohargonkolonne, allerdings enthält sie deutlich weniger theoretische Böden, nämlich weniger als 40, insbesondere zwischen 35 und 15. Wie eine Rohargonkolonne ist der Sumpfbereich einer Argonausschleuskolonne mit einer Zwischenstelle der Niederdruckkolonne verbunden und die Argonausschleuskolonne wird durch einen Kopfkondensator gekühlt, auf dessen Verdampfungsseite entspannte Sumpfflüssigkeit aus der Hochdruckkolonne eingeleitet wird; eine Argonausschleuskolonne weist keinen Sumpfverdampfer auf. An "argon discharge column" is used here to refer to a separating column for argon-oxygen separation which is not used to obtain a pure argon product but to discharge argon from the air to be separated in the pressure column and low-pressure column. Its circuit differs only slightly from that of a classic crude argon column, although it contains significantly fewer theoretical plates, namely less than 40, in particular between 35 and 15. Like a crude argon column, the bottom area of an argon discharge column is connected to an intermediate point of the low-pressure column and the argon discharge column is a top condenser is cooled, on the evaporation side of which expanded bottom liquid from the high-pressure column is introduced; an argon discharge column does not have a bottom evaporator.
In den Figuren 6 und 7 sind Temperatur-Enthalpie-Diagramme des Hauptwärmetauschers 3 einer Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, beispielsweise einer Luftzerlegungsanlage 100 bis 500 gemäß den Figuren 1 bis 5, wobei jeweils eine Temperatur auf der Vertikalachse in K gegenüber einer Enthalpiesumme in kW auf der Horizontalachse aufgetragen sind und das Diagramm gemäß Figur 7 einer vergrößerten Darstellung des Diagramms gemäß Figur 6 entspricht. Die Temperaturpunkte Ta1 und Ta2 entsprechen dabei jeweils den Entnahmetemperaturniveaus der Teilströme a1 und a2. In Figures 6 and 7 are temperature-enthalpy diagrams of the main heat exchanger 3 of an air separation plant according to an embodiment of the invention, for example an air separation plant 100 to 500 according to Figures 1 to 5, with a temperature on the vertical axis in K compared to an enthalpy sum in kW are plotted on the horizontal axis and the diagram according to FIG. 7 corresponds to an enlarged representation of the diagram according to FIG. The temperature points Ta1 and Ta2 each correspond to the extraction temperature levels of the partial flows a1 and a2.
Die Luftzerlegungsanlagen gemäß Figuren 1 bis 5 können selbstverständlich auch zur Gewinnung vom Niederdruck-Stickstoffprodukt (LPGAN) als Nebenproduckt der Luftzerlegung angepasst werden. Dies kann sinngemäß durch den Einsatz einer entsprechenden Trennsektion in der Niederdruckkolonne 12 erfolgen. The air separation plants according to FIGS. 1 to 5 can, of course, also be adapted to obtain low-pressure nitrogen product (LPGAN) as a by-product of air separation. This can be done by using a corresponding separating section in the low-pressure column 12 .

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zur Herstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100), die ein Rektifikationskolonnensystem (10) mit einer Hochdruckkolonne (11) und einer Niederdruckkolonne (12) sowie einen Hauptwärmetauscher (3), eine erste Turbineneinheit (4) und eine zweite Turbineneinheit (4) aufweist, wobei 1. A process for producing a pressurized, oxygen-rich, gaseous air product using an air separation plant (100) which has a rectification column system (10) with a high-pressure column (11) and a low-pressure column (12) and a main heat exchanger (3), a first turbine unit (4) and a second turbine unit (4), wherein
- die Hochdruckkolonne (11) in einem ersten Druckbereich von 4 bis 7 bar betrieben wird, die Niederdruckkolonne (12) in einem zweiten Druckbereich von 1 bis 2 bar betrieben wird und zumindest ein überwiegender Anteil einer dem Rektifikationskolonnensystem (10) insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf einen Druck in einem dritten Druckbereich verdichtet wird, der mehr als 3 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt, - the high-pressure column (11) is operated in a first pressure range of 4 to 7 bar, the low-pressure column (12) is operated in a second pressure range of 1 to 2 bar and at least a predominant proportion of a total amount of feed air fed to the rectification column system (10) on one Pressure is compressed in a third pressure range that is more than 3 bar above the first pressure range,
- eine erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem vierten Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich der ersten Turbineneinheit (5) zugeführt, unter Verwendung der ersten Turbineneinheit (5) auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt, und in die Hochdruckkolonne (11) eingespeist wird, - a first partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is fed to the pressure in the third pressure range or at a pressure in a fourth pressure range above the third pressure range and at a temperature in a first temperature range of the first turbine unit (5), under using the first turbine unit (5) is expanded to a pressure in the first pressure range and is fed into the high-pressure column (11),
- eine zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem fünften Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich der zweiten T urbineneinheit (6) zugeführt, unter Verwendung der zweiten Turbineneinheit (6) auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich entspannt, und in die Niederdruckkolonne (12) eingespeist wird, - A second partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is fed to the pressure in the third pressure range or at a pressure in a fifth pressure range above the third pressure range and at a temperature in a second temperature range of the second turbine unit (6), is expanded to a pressure in the second pressure range using the second turbine unit (6) and is fed into the low-pressure column (12),
- dem Rektifikationskolonnensystem (10) zur Bereitstellung des gasförmigen, druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts sauerstoffreiche Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand auf einen Druck in einem sechsten Druckbereich von 16 bis 50 bar gebracht, dem Hauptwärmetauscher (3) zugeführt, in diesem auf der Temperatur in dem dritten Temperaturbereich verdampft und aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird, wobei - oxygen-rich liquid taken from the rectification column system (10) to provide the gaseous, pressurized, oxygen-rich air product, brought in liquid state to a pressure in a sixth pressure range of 16 to 50 bar, the main heat exchanger (3) supplied, vaporized in this at the temperature in the third temperature range and discharged from the air separation plant (100), wherein
- der zweite Temperaturbereich derart gewählt wird, dass sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit (6) ein Zweiphasengemisch mit einem Flüssigkeitsanteil von 5 bis 15% bildet und - the second temperature range is selected in such a way that a two-phase mixture with a liquid content of 5 to 15% is formed at the outlet of the second turbine unit (6) and
- ein Anteil von weniger als 5% aller aus der Luftzerlegungsanlage (100) entnommener Luftprodukte der Luftzerlegungsanlage (100) unverdampft und in flüssigem Zustand entnommen werden. dadurch gekennzeichnet, dass - A proportion of less than 5% of all air products taken from the air separation plant (100) is removed from the air separation plant (100) in non-evaporated and liquid state. characterized in that
- der dritte Temperaturbereich oberhalb des ersten Temperaturbereichs und des zweiten Temperaturbereichs liegt, - the third temperature range is above the first temperature range and the second temperature range,
- sich die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich und die Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich um nicht mehr als 10 K voneinander unterscheiden, die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem vierten Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer Boostereinheit (4) auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, die erste Turbineneinheit (5) zum Antreiben der Boostereinheit (4) verwendet wird und die zweite Turbineneinheit (6) mit einem Generator (G) oder mit einem warmen Nachverdichter (41) für Luft gekoppelt ist. - if the temperature in the first temperature range and the temperature in the second temperature range do not differ from one another by more than 10 K, the first subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is provided at the pressure in the fourth pressure range, using a booster unit (4) is brought to the pressure in the fourth pressure range, the first turbine unit (5) is used to drive the booster unit (4) and the second turbine unit (6) with a generator (G) or with a warm booster (41) coupled for air.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der der erste und der zweite Temperaturbereich bei 110 bis 140 K liegen. 2. The method as claimed in claim 1, in which the first and second temperature ranges are from 110 to 140 K.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der dritte Temperaturbereich um mehr als 10 K oberhalb des zweiten Temperaturbereichs liegt. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the third temperature range is more than 10 K above the second temperature range.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Boostereinheit (4) durch einen Kaltverdichter gebildet wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the booster unit (4) is formed by a cold compressor.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge in einem ersten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher (3) abgekühlt wird, bevor sie unter Verwendung der Boostereinheit (4) auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, und bei dem die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge in einem zweiten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher (3) abgekühlt wird, nachdem sie unter Verwendung der Boostereinheit (4) auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wurde, wobei der zweite Abkühlschritt ein Abkühlen auf die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich umfasst. 5. The method according to any one of the preceding claims, in which the first partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is cooled in a first cooling step in the main heat exchanger (3) before it is brought to the pressure in using the booster unit (4). is brought to the fourth pressure range, and in which the first subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is cooled in a second cooling step in the main heat exchanger (3), after using the booster unit (4) to the pressure in the fourth Pressure range was brought, wherein the second cooling step comprises cooling to the temperature in the first temperature range.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge zusammen mit der ersten Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge dem ersten Abkühlschritt, unterworfen und unter Verwendung der Boostereinheit (4) auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, wobei die dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem vierten Druckbereich in dem Hauptwärmetauscher verflüssigt, anschließend entspannt, und in die Hochdruckkolonne (11) eingespeist wird. 6. The method according to claim 5, in which a third partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range together with the first partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range are subjected to the first cooling step and using the booster unit (4) is brought to the pressure in the fourth pressure range, the third subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range being liquefied at the pressure in the fourth pressure range in the main heat exchanger, then expanded, and being fed into the high-pressure column (11).
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem fünften Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer weiteren Boostereinheit (41) auf den Druck in dem fünften Druckbereich gebracht wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, in which the second subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is provided at the pressure in the fifth pressure range and brought to the pressure in the fifth pressure range using a further booster unit (41). will.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit (6) bildende Zweiphasengemisch einer Phasentrennung zugeführt wird und danach getrenntphasig in die Niederdruckkolonne (12) eingespeist wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the at the outlet of the second turbine unit (6) forming a two-phase mixture Phase separation is fed and is then fed into the low-pressure column (12) in separate phases.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit (6) bildende Zweiphasengemisch zweiphasig in die Niederdruckkolonne (12) eingespeist wird. 9. Process according to one of Claims 1 to 7, in which the two-phase mixture which forms at the outlet of the second turbine unit (6) is fed into the low-pressure column (12) in two phases.
10. Luftzerlegungsanlage (100), die zur Herstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts eingerichtet ist und ein Rektifikationskolonnensystem (10) mit einer Hochdruckkolonne (11) und einer Niederdruckkolonne (12) sowie einen Hauptwärmetauscher (3), eine erste Turbineneinheit (4) und eine zweite Turbineneinheit (4) aufweist, wobei die Luftzerlegungsanlage (100) dafür eingerichtet ist, 10. Air separation plant (100), which is set up for the production of a pressurized, oxygen-rich, gaseous air product and a rectification column system (10) with a high-pressure column (11) and a low-pressure column (12) and a main heat exchanger (3), a first turbine unit (4) and has a second turbine unit (4), the air separation plant (100) being set up for this,
- die Hochdruckkolonne (11) in einem ersten Druckbereich von 4 bis 7 bar zu betreiben, die Niederdruckkolonne (12) in einem zweiten Druckbereich von 1 bis 2 bar zu betreiben und zumindest einen überwiegenden Anteil einer dem Rektifikationskolonnensystem (10) insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf einen Druck in einem dritten Druckbereich zu verdichten, der mehr als 3 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt, - to operate the high-pressure column (11) in a first pressure range of 4 to 7 bar, to operate the low-pressure column (12) in a second pressure range of 1 to 2 bar and at least a major proportion of a total amount of feed air fed to the rectification column system (10) in one to compress pressure in a third pressure range that is more than 3 bar above the first pressure range,
- eine erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem vierten Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich der ersten Turbineneinheit (5) zuzuführen, unter Verwendung der ersten Turbineneinheit (5) auf einen Druck in dem ersten Druckbereich zu entspannen, und in die Hochdruckkolonne (111) einzuspeisen, - to supply a first subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range at the pressure in the third pressure range or at a pressure in a fourth pressure range above the third pressure range and at a temperature in a first temperature range of the first turbine unit (5), below using the first turbine unit (5) to expand to a pressure in the first pressure range and to feed it into the high-pressure column (111),
- eine zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem fünften Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich der zweiten Turbineneinheit (6) zuzuführen, unter Verwendung der zweiten Turbineneinheit (6) auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich zu entspannen, und in die Niederdruckkolonne (12) einzuspeisen, - to supply a second subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range at the pressure in the third pressure range or at a pressure in a fifth pressure range above the third pressure range and at a temperature in a second temperature range of the second turbine unit (6), below use of the second to expand the turbine unit (6) to a pressure in the second pressure range and to feed it into the low-pressure column (12),
- dem Rektifikationskolonnensystem (10) zur Bereitstellung des gasförmigen, druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts sauerstoffreiche Flüssigkeit zu entnehmen, in flüssigem Zustand unter Erwärmung auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich auf einen Druck in einem sechsten Druckbereich von 16 bis 50 bar zu bringen, auf der Temperatur in dem dritten Temperaturbereich in dem Hauptwärmetauscher (3) zu verdampfen und aus der Luftzerlegungsanlage (100) auszuleiten und - to remove oxygen-rich liquid from the rectification column system (10) to provide the gaseous, pressurized, oxygen-rich air product, to bring it to a pressure in a sixth pressure range of 16 to 50 bar in the liquid state with heating to a temperature in a third temperature range, to the temperature to evaporate in the third temperature range in the main heat exchanger (3) and to discharge it from the air separation plant (100) and
- einen Anteil von weniger als 5% aller aus der Luftzerlegungsanlage (100) entnommener Luftprodukte der Luftzerlegungsanlage (100) unverdampft und in flüssigem Zustand zu entnehmen, wobei der zweite Temperaturbereich derart gewählt ist, dass sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit (6) ein Zweiphasengemisch mit einem Flüssigkeitsanteil von 5 bis 15% bildet, dadurch gekennzeichnet, dass - to remove a proportion of less than 5% of all air products taken from the air separation plant (100) from the air separation plant (100) unevaporated and in the liquid state, the second temperature range being selected in such a way that a two-phase mixture forms at the outlet of the second turbine unit (6). with a liquid content of 5 to 15%, characterized in that
- die Luftzerlegungsanlage (100) durch eine Entnahme aus dem Hauptwärmetauscher (3) an geeigneten Positionen dafür eingerichtet ist, dass der dritte Temperaturbereich oberhalb des ersten Temperaturbereichs und des zweiten Temperaturbereichs liegt, - the air separation plant (100) is set up by extraction from the main heat exchanger (3) at suitable positions so that the third temperature range is above the first temperature range and the second temperature range,
- sich die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich und die Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich um nicht mehr als 10 K voneinander unterscheiden, und die Luftzerlegungsanlage (100) dafür eingerichtet ist, dass - die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem vierten Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer Boostereinheit (4) auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, - the temperature in the first temperature range and the temperature in the second temperature range do not differ from one another by more than 10 K, and the air separation plant (100) is set up so that - the first partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range provided the pressure in the fourth pressure range while using a booster unit (4) is brought to the pressure in the fourth pressure range,
- die erste Turbineneinheit (5) zum Antreiben der Boostereinheit (4) verwendet wird und - die zweite Turbineneinheit (6) mit einem Generator (G) oder mit einem warmen Nachverdichter (41) für Luft gekoppelt ist. - the first turbine unit (5) is used to drive the booster unit (4) and - the second turbine unit (6) is coupled to a generator (G) or to a warm booster (41) for air.
11. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 10, bei der die Boostereinheit (4) durch einen Kaltverdichter gebildet wird. 11. Air separation plant (100) according to claim 10, wherein the booster unit (4) is formed by a cold compressor.
12. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 10 oder 11, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingerichtet ist. 12. Air separation plant (100) according to claim 10 or 11, which is set up for carrying out a method according to any one of claims 1 to 10.
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