WO2014154339A2 - Verfahren zur luftzerlegung und luftzerlegungsanlage - Google Patents

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    • F25J2215/40—Air or oxygen enriched air, i.e. generally less than 30mol% of O2
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    • F25J2245/50—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen

Definitions

  • the invention relates to a process for the cryogenic separation of air and an air separation plant adapted to carry out such a process.
  • the distillation column systems are operated at different operating pressures in their respective separation columns.
  • the double column systems in this case have a so-called high-pressure column and a so-called low-pressure column.
  • Operating pressure of the high-pressure column is, for example, 4.3 to 6.9 bar, preferably about 5.0 bar.
  • the low-pressure column is operated at an operating pressure of for example 1, 3 to 1, 7 bar, preferably about 1, 5 bar.
  • the pressures given here and below are absolute pressures.
  • Corresponding air separation plants can be operated for example with so-called internal compression.
  • the internal compression is the internal compression
  • Distillation column system taken a liquid stream and at least partially brought to liquid pressure.
  • the liquid brought to pressure is heated in a main heat exchanger of the air separation plant against a heat transfer medium and evaporated.
  • the liquid stream may in particular be liquid oxygen, but also nitrogen or argon.
  • the internal compression is thus used to obtain appropriate gaseous printed products.
  • the internal compression is described, for example, in the following documents:
  • EP 1 308 680 A1 (US Pat. No. 6 612 129 B2), DE 102 13 212 A1, DE 102 13 211 A1,
  • a heat transfer medium is liquefied (or pseudo-liquefied if it is under supercritical pressure) against a corresponding (pseudo) vaporising stream.
  • the heat carrier is usually formed by a part of the air separation plant supplied air.
  • HAP high-air pressure
  • the total, the air separation plant supplied or used in a corresponding method total air (referred to here as total amount of air) is compressed in a main compressor to a pressure well above the operating pressure of the High pressure column is located.
  • the pressure difference is at least 4 bar and
  • Process air quantity are decoupled.
  • process air so used for the actual rectification and fed into the high-pressure column.
  • decoupling is not provided in all HAP methods.
  • HAP processes are described, for example, in EP 2 466 236 A1, EP 2 458 31 1 A1, US 2006/0277944 A1, US 201 1/001 1 130 A1, US Pat
  • EP 1 284 403 A1 and US Pat. No. 5,329,776 A a proportion of the total amount of air that is fed into the high-pressure column (referred to herein as the "first" portion of the total amount of air), initially as a so-called turbine stream optionally in at least one booster to a further higher pressure (referred to here as Nachverêtrdruck) post-compressed and then successively in Cooled the main heat exchanger of the air separation plant, relaxed in a relaxation machine and fed mainly, in particular less a precipitating condensate in the high pressure column.
  • the relaxation in the expansion machine is carried out on the operating pressure of the high pressure column or a slightly higher pressure.
  • Another portion of the total amount of air (referred to herein as the "second" portion of the total amount of air) is also optionally recompressed as so-called throttle flow and cooled in the main heat exchanger.
  • This second portion is then, for example, via an expansion valve, expanded to the first or a comparable pressure and fed into the distillation column system.
  • the feed is for example also in the high pressure column or in the low pressure column.
  • An even further proportion of the total air volume here as a "third" share of
  • Total amount of air referred can be subjected to the same steps up to the feed into the high pressure column as the first portion of the total amount of air or already branched off directly downstream of the main compressor and optional recompressed separately. Also the third share can be found in the
  • Main heat exchanger cooled and thus used as a heat carrier for evaporating the liquid brought to pressure current.
  • the third portion of the total amount of air is not fed into the high-pressure column, but ultimately relieved to a pressure which is lower than the operating pressure of the high-pressure column, for example atmospheric pressure or the operating pressure of the low-pressure column.
  • the relaxation can also be done first in that relaxation machine, the relaxation of the first share of
  • Total amount of air is used.
  • the third portion of the total amount of air is then further relaxed, for example in another expansion machine.
  • the third portion of the total amount of air can also in a single
  • Relaxation machine to be relaxed The used (n) expansion machine (s) is or are coupled with the or the additional compressors, which are optionally used for densification.
  • the recompression of the first to third portions of the total amount of air can be done separately or together. At least one of the shares of the total amount of air can also be used without recompression.
  • Total amount of air can be relaxed in one or more relaxation machines. Over this one or more boosters can be driven. The increase in the amount of air in the feed air thus enables more moderate pressures at the main compressor in a HAP process and thus a cost saving.
  • gas products In addition to the gaseous printing products obtained by internal compression (hereinafter referred to as "gas products"), however, often the removal of liquid products from an air separation plant is desired. For this purpose, a part of the liquid stream is used, which is not evaporated. HAP procedures are However, relative to a shift of the respective gas or liquid product quantities relatively inflexible, ie in particular the liquid product quantity can be varied only to a relatively small extent for the reasons explained in more detail below. There is therefore a need for improved possibilities for obtaining air products, in particular an adjustment of the respective gas or
  • the present application proposes a method for the cryogenic separation of air and one for carrying out such
  • gas product quantity refers to the amount of a gaseous print product provided by internal compression (and subsequent evaporation)
  • liquid product quantity means the amount of one of the
  • Air separation plant liquid withdrawn air product
  • Cooling capacity is needed. At the transition from product constellation 2 to product constellation 1, the required amount of air also decreases due to the reduction in the amount of gas product. However, as a result of the still high liquid product quantity, a high cooling capacity is still required, the pressure at the main compressor must increase.
  • Distillation column system of an air separation plant which has a high pressure column and a low pressure column before.
  • the total amount of air used in the process will also be in one
  • Main compressor is compressed to a main compressor pressure that is at least 4 bar higher than an operating pressure at which the high-pressure column is operated.
  • the "total amount of air” is the total air compressed in a respective process or plant. This includes both the in the
  • Process air as well as other, not fed into the distillation column system air.
  • the total amount of air is thus the total feed air.
  • a first portion of the compressed to the main compressor pressure total amount of air is supplied to a main heat exchanger warm side, cooled in the main heat exchanger, expanded in a flattening machine to a first pressure and fed into the high pressure column. These are the so-called Turbine.
  • a second portion of the compressed to the main compressor pressure total amount of air is cooled in the main heat exchanger, for example, relaxed via a pressure relief valve and in the distillation column system, ie the
  • This second component is the so-called inductor current.
  • a first and a second operating mode are provided as a function of a liquid product quantity of at least one air separation unit to be removed in the liquid state, for the realization of which
  • Generator turbine is used.
  • a third portion of the total amount of air in the second mode of operation is released in a larger amount than in the first mode of operation, and then blown off into the atmosphere.
  • the at least one liquid air product is taken from the air separation plant in the second operating mode in a larger amount of liquid product than in the first operating mode.
  • Operating mode is "relaxed in a larger amount than in the first operating mode” and then blown off into the atmosphere, and that the at least one liquid air product is taken from the air separation plant in the second operating mode "in a larger amount of liquid product than in the first operating mode” explicitly also cases in which only in the second operating mode, the third portion of the total amount of air in the generator turbine is expanded and blown off into the atmosphere, and / or in which only in the second operating mode, the at least one liquid air product of the air separation plant is removed.
  • Words can also be provided that relaxed in the first mode of operation no share of the total amount of air in the generator turbine and into the atmosphere
  • each HAP process has a sweetspot defined by the ratio of liquid product amount to gas product amount (see below) and by the internal compression pressure.
  • corresponding methods become inflexible, since the design limits of the used devices can be achieved.
  • the additional generator turbine extends the scope of a corresponding HAP method, so that said ratio can be shifted more. In this way, a corresponding system can be operated more flexibly.
  • a generator turbine is particularly advantageous because it is not coupled to a compressor like conventional turbines in air separation plants.
  • the generator turbine can therefore be operated completely independently of compressed in corresponding compressors air fractions.
  • the inventive method thus proves to be particularly flexible for obtaining different
  • the generator power of the generator turbine generator is adjustable, so that the conditions under which the relaxation of the air in the generator turbine, the respective
  • the relaxed by the generator turbine third portion of the total amount of air is then blown off into the atmosphere, its amount is particularly flexible adjustable.
  • so-called injection turbines are known which relax an air portion, which is then blown into the low-pressure column.
  • Such a turbine can but only to a small extent in their
  • the first portion of the total amount of air can be recompressed before feeding into the main heat exchanger in at least one booster on a Nachverêtrdruck and the expansion machine so that at most supplied to the Nachverêtrdruck.
  • the optionally correspondingly redensified first portion of the total quantity of air after cooling in the main heat exchanger and before expansion in the expansion machine is no longer subjected to pressure-increasing measures.
  • This can be dispensed with a cold compressor, which is a particularly cost-effective creation of a corresponding air separation plant and a low-maintenance operation allows.
  • the pressure to which the third portion of the total amount of air is expanded for example, corresponds to atmospheric pressure or the pressure of the low pressure column or is in
  • the pressure with which the total amount of air is provided is substantially higher than the operating pressure of the high-pressure column.
  • substantially higher is understood to mean a pressure difference of at least 4 bar and preferably between 6 and 16 bar.
  • a "main compressor” is in the context of the present invention, the compressor or the compressor assembly, by the or the total used
  • Air separation plant is compressed.
  • every other compressor boost, booster only compresses part of this feed air downstream of the main compressor.
  • Characteristic of a main compressor is that it is located upstream of cleaning devices for removing water and / or carbon dioxide. In the present case, it is mentioned that the
  • the main compressor may in particular also be the compressor or the compressor arrangement which is the only one, in particular the only one driven by external energy, for compressing air in the compressor
  • single machine is understood here to mean a single-stage or multi-stage compressor whose stages are all connected to the same drive, wherein all stages can be accommodated in a housing or connected to a transmission.
  • exital energy is a
  • Compressor for example, then driven when it does not have a shaft with a Relaxation machine is coupled and thus operated with energy that comes from a work-relaxing of previously compressed by means of the main compressor air.
  • the re-compressors are not among the driven by external energy machines, as they are, as mentioned, driven by their respective associated relaxation machines (turboexpander).
  • the "main heat exchanger" can be formed from one or more parallel and / or serially connected heat exchanger sections, for example from one or more plate heat exchanger blocks.
  • a main heat exchanger is used for
  • expansion machine includes any machine for work-related relaxation of a process stream, for example, one of the shares of
  • turboexpander Cryogenics known turboexpander or expansion turbines formed.
  • the "generator turbine” is a corresponding expansion machine, which is mechanically coupled to an electric generator and thus in the
  • Work-performing relaxation can translate work done into electrical power.
  • the expansion machine of a generator turbine is designed as a turboexpander or expansion turbine.
  • Heat exchangers provided temperature gradients carried out, corresponding proportions can also be only partially cooled or heated.
  • Relaxation machines or other relaxation facilities such Relaxation valves not necessarily completely (ie at ambient pressure) relaxed but possibly only to a certain extent (partially relaxed).
  • the first and second operating modes differ in the first and second operating modes
  • the first portion and the second portion may together comprise, for example, 95%, 96%, 97%, 98% or 99% of the total amount of air, but the total amount of air may also be completely fed into the high-pressure column in the first operating mode.
  • the total amount of air is expanded to a third portion of at least 5% in the generator turbine.
  • the third portion may in this case, for example, 5% to 10%, 10% to 20% or 20% to 30% of
  • the ratio of the first portion to the second portion of the total amount of air may be adjusted according to the requirements present.
  • the first portion of the total amount of air ie, the turbine stream
  • the first portion of the total amount of air may include three to five times the amount of air of the second portion (ie the throttle current).
  • the measures proposed according to the invention bring about a significant increase in the flexibility of the HAP method explained.
  • the used Generators turbine with a mean third portion of the total amount of air acted upon. The proportion can be adjusted according to the amount of gas and liquid product.
  • the generator turbine is advantageously designed so that, starting from this "middle" third portion, a load increase and a
  • this lower liquid product quantity and the resulting lower refrigeration requirement can be compensated by a reduction of the third portion of the total amount of air (possibly to zero) supplied to the generator turbine.
  • the generator turbine can be switched off in this case if necessary.
  • the pressure provided by the main compressor may remain substantially constant. In the transition from the product constellation 2 to the product constellation 1, in which the liquid product quantity remains substantially the same
  • second operating mode Relatively high third portion of the feed air stream is relaxed in the generator turbine, referred to as "second operating mode".
  • a “second operating mode” corresponds to operating states in which the previously explained
  • Liquid product quantity is comparatively high.
  • the "first mode of operation” is performed when the amount of liquid product is comparatively small. In the “first operating mode”, therefore, the third portion of the total quantity of air that has been relaxed in the generator turbine is also comparatively small.
  • the inventive method advantageously comprises, from
  • Distillation column system deduct a liquid stream, at least in the second operating mode, at least a part of the air separation plant is discharged as the liquid air product.
  • the air separation plant in the second operating mode a higher amount of liquid product taken as in the first operating mode (in which the liquid product quantity can be zero).
  • the withdrawn from the distillation column system liquid stream, which is then taken as a liquid air product of the air separation plant in total, has a significant impact on the refrigeration demand of the air separation plant.
  • the setting of the first or second operating mode depends on this cooling requirement.
  • the liquid stream withdrawn from the distillation column system may be, for example, oxygen from a low-pressure column, nitrogen from a high-pressure column or argon from a pure argon column.
  • the withdrawn from the distillation column system liquid stream is the
  • Air separation plant in the first and second operating modes at least partially removed as a gaseous air product in a variable amount of gas product. If no liquid product is withdrawn (in the first mode of operation), the liquid withdrawn is completely as a gaseous product of air
  • the third portion of the total amount of air is also in the second mode of operation depending on a ratio of the liquid product amount to the
  • Gas product quantity or vice versa corresponds to an adjustment of the third fraction of the total quantity of air, which has been decompressed via the generator turbine, to the quantity of air fed into the high-pressure column in the form of the first and second portions.
  • the inventive method enables flexible removal of gas and liquid products, wherein the liquid product quantity in the second operating mode is in any case higher than in the first operating mode. Exact values are based on the specific design of the air separation plant. For example, in the illustrated first operating mode, a proportion of 3% of the total amount of air can be taken as a liquid product quantity, which in the second operating mode is taken off to 5%. is increased. Without generator turbine, possibly only a liquid product quantity of 4% would be possible. For example, in the second operating mode, a
  • Liquid product amount of at least 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4% or 5% of
  • Total amount of air are taken as a liquid product amount and in the first mode of operation correspondingly less.
  • the maximum amount of air are taken as a liquid product amount and in the first mode of operation correspondingly less.
  • Liquid product quantity in the second mode of operation at least equal to 1, 2, 1, 3, 1, 4, 1, 5 times or twice the maximum amount of liquid product in the first mode of operation. It goes without saying that these values can also represent upper limits.
  • the at least one secondary compressor can be driven at least partially by means of the expansion machine, in which the first portion of the feed air is expanded.
  • Compressor pressure to be recompressed.
  • the third portion of the total amount of air is advantageously also cooled in the main heat exchanger and relaxed in the expansion machine prior to its relaxation in the generator turbine. Corresponding devices therefore need not be provided multiple times.
  • a method according to the invention may also comprise the recovery of noble gas products from the feed air, for example of argon and / or neon.
  • noble gas products for example of argon and / or neon.
  • the air separation plant according to the invention is set up to carry out the method explained above and has appropriately designed means.
  • For the features and advantages of the air separation plant according to the invention is expressly made to the above explanations.
  • a corresponding air separation plant is at least in the second
  • Liquid product quantity and a gaseous air product in a gas product amount equipped wherein means are provided which are adapted to adjust the third portion of the total amount of air in dependence on a ratio of the liquid product amount to the gas product amount.
  • a control and / or regulating device which carries out an automatic adjustment in a user specification with respect to the amount of liquid product or the amount of gas product.
  • control and / or regulating device can also be provided in particular from the first operating mode, if necessary, in the second
  • Switch operating mode and, for example, to start the generator turbine.
  • FIG. 1 shows a non-inventive air separation plant in the form of a schematic plant diagram.
  • FIG. 2 shows in subfigures 2A to 2E embodiments of non-inventive air separation plants in schematic detail views.
  • FIG. 3 shows in subfigures 3A to 3E embodiments of air separation plants according to the invention in schematic detail views.
  • FIG. 4 shows in the subfigures 4A and 4B embodiments of FIG.
  • Air separation plants in schematic detail views.
  • FIG. 1 shows schematically an air separation plant not according to the invention in the form of an installation diagram. The set up for internal compression
  • Air separation plant is designated 100 in total.
  • FIG. 1 thus serves primarily to explain the integration of the schematic detail views shown in FIGS. 2 and 3 into one
  • a total amount of air atmospheric air (AIR) is sucked through a filter 1 from a main compressor 2 and there compressed to a main compressor pressure, which is at least 4 bar higher than the operating pressure of a high-pressure column in a HAP process, as used here (see below).
  • a cleaning device 5 which has a pair of containers filled with adsorption material, preferably molecular sieve. The appropriately cleaned air leaves the
  • the stream a is recompressed in the air separation plant 110 in a conventional manner, first in a first after-compressor 11 and then in a second after-compressor 21.
  • the first after-compressor 11 and the second after-compressor 21 are each provided with a first expansion machine 12 and a second one
  • Relaxation machine 22 mechanically coupled, for example, in each case via a common shaft. Downstream of the first after-compressor 11 and the second
  • each aftercooler 13 and 23 are arranged. Downstream of the second after-compressor 21 and the aftercooler 23, the flow a, ie the total amount of air, is divided into a first partial flow b and a second partial flow c. However, the division can also take place elsewhere.
  • the partial flow b and the partial flow c are cooled in a main heat exchanger 6.
  • the cooling is preferably carried out at different temperatures, so that the partial flow b is removed from the main heat exchanger 6 at an intermediate temperature and thus "partially cooled" and the partial flow c the
  • Main heat exchanger 6 passes through to its cold end. After removal of the partial flow b from the main heat exchanger 6 of the first expansion machine 12 is supplied and relaxed there to an intermediate pressure.
  • the intermediate pressure is slightly above an operating pressure of a high-pressure column 71 of a distillation column system 7, which is explained in more detail below.
  • the designated further with b and relaxed to the intermediate pressure partial flow is fed to a separator 8, from the bottom of a liquid fraction can be withdrawn as a stream d.
  • the current d can (see junction point A,
  • Distillation column system 7 are fed.
  • a gaseous fraction from the head of the separator 8 can be withdrawn as stream e and divided again into a first partial stream f and a second partial stream g.
  • the partial flows f and g correspond to the "first portion" and the "third portion" of the total amount of air, which have already been explained several times above.
  • the first partial stream f is fed into the high-pressure column 71 of the distillation column system 7, as explained in more detail below.
  • the second partial flow g is heated in the main heat exchanger 6 and expanded in the second expansion machine 22 to a final pressure, for example atmospheric pressure.
  • the relaxed second partial stream g can then be further heated in the main heat exchanger 6 and combined with further streams, at least partially blown off into the atmosphere (ATM) and / or a
  • Evaporative coolers are supplied.
  • the partial flow c which is the "second portion" of the total amount of air, which has been explained in detail above, is after passing through the
  • the distillation column system 7 is a distillation column system 7 with a classical Linde double column, which comprises the
  • High pressure column 71 and the low pressure column 72 comprises as a structural unit.
  • distillation column systems 7 in which a high pressure column and a low pressure column are arranged separately.
  • the high pressure column 71 and the low pressure column 72nd are connected to each other via a main capacitor 73 heat exchanging.
  • the operating or separation pressures - in each case at the top - are for example 4.5 to 6.5 bar, preferably about 5.0 bar in the high-pressure column and 1, 2 to 1, 7 bar,
  • a divided crude argon column 74, 75 and a pure argon column 76 are also provided, but the invention can also be used in plants without corresponding argon recovery.
  • Liquid raw oxygen is withdrawn as stream h from the bottom of the high-pressure column 71, subcooled in a subcooling countercurrent 77 and further cooled to a part in a bottom evaporator 78 of the pure argon column 76. Another part can be routed past the bottom evaporator 78. If no Argon pointedung provided, the current h can also directly at an intermediate point in the
  • Argon extraction is provided, the raw oxygen of the stream h are fed directly to these or corresponding intermediate points.
  • Gaseous nitrogen from the head of the high-pressure column 71 is passed to a first part as a current k to the cold end of the main heat exchanger 6, there to about
  • the remaining gaseous nitrogen from the top of the high-pressure column 71 is fed as stream I to the main condenser 73 where it is at least partially condensed.
  • the generated liquid nitrogen can be partly as reflux to the
  • High pressure column 71 are abandoned. Another part is supplied as stream m to the subcooling countercurrent 77 where it is subcooled and to the top of the
  • Low pressure column 72 passed. There can be a part as stream n to provide a Liquid nitrogen product (LIN) are deducted.
  • the liquid nitrogen product may for example be stored in a tank.
  • a stream p impurity nitrogen
  • a liquid oxygen stream q from the bottom of the low-pressure column 72 can be increased in pressure by means of a pump 79 and as a flow r at least partially in the
  • Subcooling countercurrent 77 supercooled, discharged in a liquid product amount from the air separation plant 1 10 and a liquid tank (LOX) are fed.
  • Another part of the pressure-increased oxygen flow q from the sump of the low-pressure column 72 can be evaporated as stream s in a gas product quantity in the main heat exchanger 6 (or pseudo-vaporized at supercritical pressure), warmed to ambient temperature and converted to gaseous pressure product (GOX-IC). subtracted from.
  • the corresponding amounts in a conventional system 110 are variable only within narrow limits.
  • Gaseous nitrogen can be withdrawn as stream t from the top of the low pressure column 72 and subcooled in the subcooler 77.
  • the stream t can be externally compressed after heating in the main heat exchanger 6 in a compressor (without designation) and provided as gaseous pressure nitrogen (GAN-EC).
  • an argon-containing stream u can be removed from the low-pressure column 72 and fed to the lower part 74 of the crude argon column 74, 75 directly above the sump. Bottom liquid of the lower part 74 of the crude argon column 74, 75 can be returned as stream v to the low-pressure column 72.
  • the lower part 74 and the upper part 75 of the two-part crude argon column 74, 75 can via lines w and x and corresponding pumps and valves (without Name) be coupled together.
  • the two-part crude argon column 74, 75 can also be realized as a column.
  • the top condensers of the upper part 75 of the crude argon column 74, 75 and the pure argon column 76 may be formed, for example, as reflux condensers or as bath condensers.
  • the crude argon column 75 can in the example shown at the upper end of the return passages of the top condenser, which is shown here as a reflux condenser, taken over a side header a Rohargonstrom y gaseous and the pure argon column 76 are fed at a suitable intermediate point.
  • the bottom liquid of the pure argon column 76 may be part of the
  • Bottom evaporator 78 are evaporated, wherein the steam generated thereby can be used as ascending gas in the pure argon column 76.
  • the remainder can be taken from the pure argon column 76 as a liquid pure argon product stream z.
  • the liquid pure argon (LAR) can be transferred to a tank. At least part of the pure argon can be brought to liquid pressure, evaporated in the main heat exchanger 6 and discharged as gaseous pressure product (LAR IC) (see the right chamber of the main heat exchanger 6, so-called argon internal compression).
  • FIG. 2 shows in subfigures 2A to 2E embodiments of non-inventive air separation plants in schematic detail views.
  • the subfigures 2A to 2E each show only a part of the components of an air separation plant, which, however, are provided with identical reference numerals as in FIG. A
  • Air separation plant with the specific interconnections shown in the subfigures 2A to 2E can in its other components according to the
  • Air separation plant 100 may be formed from Figure 1 or deviating thereto. In all cases, however, it is an air separation plant, which is set up for a HAP process in which a stream a is compressed in a main compressor 2 to a correspondingly high pressure.
  • the main heat exchanger 6 is shown here very schematically. A region of the main heat exchanger 6, which is flowed through, for example, to be evaporated, internally compressed streams is summarily denoted by 61, the corresponding currents carry no reference numerals.
  • the total air is corresponding to all subfigures 2A to 2E by means of
  • Compressor 2 compacts and is present as stream a.
  • the subfigures 2A to 2E further show the flows b and c, which are used according to the air separation plant 100 of Figure 1, namely as a turbine stream b and as a choke current c.
  • the booster 1 1 is in the illustrated embodiments of the sub-figures 2A to 2C, the amount of air flow b and c together (ie, the current a, part 2A), only the current b (turbine power, part 2B) or only the current c (inductor current Part 2C) supplied.
  • Subfigures 2D and 2E show further examples in which a further portion of the total amount of air is used as additional inductor flow c '. This remains in the examples shown without densification.
  • the current b and c are recompressed together and in the partial figure 2E only the partial current c is recompressed.
  • the secondary compressor 11 is coupled in all subfigures 2A to 2E with the first expansion machine 12, as already explained above.
  • the Verschaitaires shown in the sub-figures 2A to 2E are different well, since they require more or less power to the main compressor 2 for the same task.
  • the ratio of the amount of liquid product to the gas product amount and the internal compression pressure significantly determine which of the Verschaitmaschine is most suitable.
  • a generator turbine is designated overall by 30 and has a relaxation machine, which is equipped with a generator is coupled.
  • the generator turbine 30 is supplied with a dashed line and designated g 'current.
  • the current g ' (the "third portion" of the total amount of air) can be diverted at different points, namely before the division into the currents b and c of current a (part 3A), after the division into the currents b and c of electricity c (part 3B) or after the division into the streams b and c of stream b (part 3C).
  • Sub-figures 3D and 3E show a branch from the "second throttle currents", namely the currents c '.
  • the subfigure 3E further differs from the corresponding subfigure 2E in that here a cooling of the stream g 'before the expansion in the generator turbine 30 is carried out in a region 62 of the main heat exchanger 6. Such pre-cooling may also be shown in the other in FIG.
  • the sub-figures 4A and 4B of Figure 4 show configurations in which a cold compressor unit 200 is additionally used.
  • a compressor (without designation) of the cold compressor unit 200 can be supplied with the current c, ie the inductor current.
  • the stream c may be previously cooled in a region 64 of the main heat exchanger 6.
  • the stream b is subjected downstream of the main heat exchanger 6 no pressure-increasing measures.
  • a relaxation machine (without designation) of the cold compressor unit 200 may be supplied with a "further turbine stream", here designated b '. This can be previously cooled in a region 63 of the main heat exchanger 6.
  • the advantage of using a cold compressor unit 200 is that the compressor of the cold compressor unit 200 creates a very large pressure ratio due to the low suction temperature. This gives a higher pressure on the
  • a cold compressor unit 200 is suitable in particular for processes in which a small amount of liquid product is needed or the ratio of liquid product quantity to gas product quantity is small.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Luftprodukten durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulensystem (7) einer Luftzerlegungsanlage. Dieses weist eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) auf, wobei die in dem Verfahren insgesamt eingesetzte Gesamtluftmenge in einem Hauptverdichter (2) auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet wird, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, bei dem die Hochdrucksäule (71) betrieben wird, wobei ein erster Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge einem Hauptwärmetauscher (6) warmseitig zugeführt und in diesem abgekühlt, in einer Entspannungsmaschine (12) entspannt und in die Hochdrucksäule (71) eingespeist wird, und ein zweiter Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge in dem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt, entspannt und in das Destillationssäulensystem (7) eingespeist wird. Es ist vorgesehen, dass das Verfahren in Abhängigkeit von einer Flüssigproduktmenge zumindest eines der Luftzerlegungsanlage in flüssigem Zustand zu entnehmenden Luftprodukts in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus durchgeführt wird, wobei eine Generatorturbine (30) verwendet wird, in der ein dritter Anteil der Gesamtluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus in einer größeren Menge als in dem ersten Betriebsmodus entspannt und in die Atmosphäre abgeblasen wird, und wobei zumindest ein flüssiges Luftprodukt der Luftzerlegungsanlage in dem zweiten Betriebsmodus in einer größeren Flüssigproduktmenge als in dem ersten Betriebsmodus entnommen wird, und dass der erste Anteil der Gesamtluftmenge der Entspannungsmaschine (12) höchstens mit einem Druck zugeführt wird, bei dem dieser dem Hauptwärmetauscher (6) warmseitig zugeführt wird. Eine Luftzerlegungsanlage, die zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtet ist, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Luftzerlegung und Luftzerlegungsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage.
Stand der Technik
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt. Derartige Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Ferner können Vorrichtungen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Die Destillationssäulensysteme werden bei unterschiedlichen Betriebsdrücken in ihren jeweiligen Trennsäulen betrieben. Die Doppelsäulensysteme weisen dabei eine sogenannte Hochdrucksäule und eine sogenannte Niederdrucksäule auf. Der
Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Betriebsdruck von beispielsweise 1 ,3 bis 1 ,7 bar, vorzugsweise etwa 1 ,5 bar betrieben. Bei den hier und im Folgenden angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke.
Entsprechende Luftzerlegungsanlagen können beispielsweise mit sogenannter Innenverdichtung betrieben werden. Bei der Innenverdichtung wird dem
Destillationssäulensystem ein flüssiger Strom entnommen und zumindest zum Teil flüssig auf Druck gebracht. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird in einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage gegen einen Wärmeträger erwärmt und verdampft. Bei dem flüssigen Strom kann es sich insbesondere um flüssigen Sauerstoff, jedoch auch um Stickstoff oder Argon handeln. Die Innenverdichtung wird damit zur Gewinnung entsprechender gasförmiger Druckprodukte eingesetzt. Die Innenverdichtung ist beispielsweise in folgenden Druckschriften beschrieben:
DE 830 805 B, DE 901 542 B (entspricht US 2 712 738 A bzw. US 2 784 572 A), DE 952 908 B, DE 1 103 363 B (US 3 083 544 A), DE 1 112 997 B (US 3 214 925 A), DE 1 124 529 B, DE 1 117 616 B (US 3 280 574 A), DE 1 226 616 A (US 3 216 206 A), DE 1 229 561 B (US 3 222 878 A), DE 1 199 293 B, DE 1 187 248 B (US 3 371 496 A), DE 1 235 347 B, DE 1 258 882 A (US 3 426 543 A), DE 1 263 037 A (US 3 401 531 A), DE 1 501 722 A (US 3 416 323 A), DE 1 501 723 A (US 3 500 651 A),
DE 25 351 32 B2 (US 4 279 631 A), DE 26 46 690 A1 , EP 0 093 448 B1
(US 4 555 256 A), EP 0 384 483 B1 (US 5 036 672 A), EP 0 505 812 B1
(US 5 263 328 A), EP 0 716 280 B1 (US 5 644 934 A), EP 0 842 385 B1
(US 5 953 937 A), EP 0 758 733 B1 (US 5 845 517 A), EP 0 895 045 B1
(US 6 038 885 A), DE 198 03 437 A1 , EP 0 949 471 B1 (US 6 185 960 B1),
EP 0 955 509 A1 (US 6 196 022 B1), EP 1 031 804 A1 (US 6 314 755 B1),
DE 199 09 744 A1 , EP 1 067 345 A1 (US 6 336 345 B1 ), EP 1 074 805 A1
(US 6 332 337 B1), DE 199 54 593 A1 , EP 1 134 525 A1 (US 6 477 860 B2),
DE 100 13 073 A1 , EP 1 139 046 A1 , EP 1 146 301 A1 , EP 1 150 082 A1 ,
EP 1 213 552 A1 , DE 101 15 258 A1 , EP 1 284 404 A1 (US 2003/051504 A1),
EP 1 308 680 A1 (US 6 612 129 B2), DE 102 13 212 A1 , DE 102 13 211 A1 ,
EP 1 357 342 A1 , DE 102 38 282 A1 , DE 103 02 389 A1 , DE 103 34 559 A1 ,
DE 103 34 560 A1 , DE 103 32 863 A1 , EP 1 544 559 A1 , EP 1 585 926 A1 ,
DE 102005 029 274 A1 , EP 1 666 824 A1 , EP 1 672 301 A1 , DE 10 2005 028 012 A1 , WO 2007/033838 A1 , WO 2007/104449 A1 , EP 1 845 324 A1 ,
DE 10 2006 032 731 A1 , EP 1 892 490 A1 , DE 10 2007 014 643 A1 , EP 2 015 012 A2, EP 2 015 013 A2, EP 2 026 024 A1 , WO 2009/095188 A2, DE 10 2008 016 355 A1.
Der Begriff "Verdampfen" schließt bei der Innenverdichtung Fälle ein, bei denen ein überkritischer Druck herrscht und daher kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne stattfindet. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird dann "pseudoverdampft".
Gegen einen entsprechenden (pseudo-)verdampfenden Strom wird ein Wärmeträger verflüssigt (bzw. pseudoverflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht). Der Wärmeträger wird dabei üblicherweise durch einen Teil der der Luftzerlegungsanlage zugeführten Luft gebildet.
Um den flüssig auf Druck gebrachten Strom erwärmen und verdampfen zu können, muss der Wärmeträger aufgrund thermodynamischer Gegebenheiten einen höheren Druck als der flüssig auf Druck gebrachte Strom haben. Hierbei können sogenannte High-Air-Pressure-Verfahren (HAP) eingesetzt werden.
Bei einem HAP-Verfahren, das bei einem Doppelsäulensystem verwendet wird, wird die gesamte, der Luftzerlegungsanlage zugeführte bzw. die in einem entsprechenden Verfahren insgesamt eingesetzte Luft (hier als Gesamtluftmenge bezeichnet) in einem Hauptverdichter auf einen Druck verdichtet, der deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied beträgt mindestens 4 bar und
vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar.
In HAP-Verfahren kann die im Hauptverdichter verdichtete Luftmenge von der
Prozessluftmenge entkoppelt werden. In einem derartigen Fall wird nur ein Teil der auf den genannten Druck verdichteten Gesamtluftmenge als sogenannte Prozessluft genutzt, also für die eigentliche Rektifikation verwendet und in die Hochdrucksäule eingespeist. Eine derartige Entkopplung ist jedoch nicht in allen HAP-Verfahren vorgesehen. HAP-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 466 236 A1 , der EP 2 458 31 1 A1 , der US 2006/0277944 A1 , der US 201 1 /001 1 130 A1 , der
EP 1 284 403 A1 und der US 5 329 776 A bekannt. Üblicherweise wird ein Anteil der Gesamtluftmenge, der in die Hochdrucksäule eingespeist wird (hier als "erster" Anteil der Gesamtluftmenge bezeichnet), zunächst als sogenannter Turbinenstrom optional in wenigstens einem Nachverdichter auf einen nochmals höheren Druck (hier als Nachverdichterdruck bezeichnet) nachverdichtet und anschließend nacheinander in dem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage abgekühlt, in einer Entspannungsmaschine entspannt und überwiegend, insbesondere abzüglich eines sich abscheidenden Kondensats, in die Hochdrucksäule eingespeist. Die Entspannung in der Entspannungsmaschine erfolgt dabei auf den Betriebsdruck der Hochdrucksäule oder einen geringfügig darüber liegenden Druck. Ein weiterer Anteil der Gesamtluftmenge (hier als "zweiter" Anteil der Gesamtluftmenge bezeichnet), wird als sogenannter Drosselstrom ebenfalls optional nachverdichtet und in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt. Dieser zweite Anteil wird anschließend, beispielsweise über ein Entspannungsventil, auf den ersten oder einen vergleichbaren Druck entspannt und in das Destillationssäulensystem eingespeist. Die Einspeisung erfolgt beispielsweise ebenfalls in die Hochdrucksäule oder in die Niederdrucksäule. Ein noch weiterer Anteil der Gesamtluftmenge (hier als "dritter" Anteil der
Gesamtluftmenge bezeichnet) kann bis auf die Einspeisung in die Hochdrucksäule den gleichen Schritten unterworfen werden wie der erste Anteil der Gesamtluftmenge oder aber bereits direkt stromab des Hauptverdichters abgezweigt und optional auch separat nachverdichtet werden. Auch der dritte Anteil kann in dem
Hauptwärmetauscher abgekühlt und damit als Wärmeträger zum Verdampfen des flüssig auf Druck gebrachten Stroms verwendet werden. Der dritte Anteil der Gesamtluftmenge wird jedoch nicht in die Hochdrucksäule eingespeist, sondern letztlich auf einen Druck entspannt, der niedriger ist als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule, beispielsweise Atmosphärendruck oder den Betriebsdruck der Niederdrucksäule. Die Entspannung kann auch zunächst in jener Entspannungsmaschine erfolgen, die zur Entspannung des ersten Anteils der
Gesamtluftmenge verwendet wird. Der dritte Anteil der Gesamtluftmenge wird danach weiter entspannt, beispielsweise in einer weiteren Entspannungsmaschine. Der dritte Anteil der Gesamtluftmenge kann jedoch auch in nur einer einzigen
Entspannungsmaschine entspannt werden. Die verwendete(n) Entspannungsmaschine(n) ist bzw. sind dabei mit dem oder den Nachverdichtern gekoppelt, die gegebenenfalls zur Nachverdichtung eingesetzt werden. Die Nachverdichtung der ersten bis dritten Anteile der Gesamtluftmenge kann separat oder gemeinsam erfolgen. Zumindest einer der Anteile der Gesamtluftmenge kann auch ohne Nachverdichtung eingesetzt werden.
Bei einem HAP-Verfahren wird also die Gesamtluftmenge erhöht. Ein Teil der
Gesamtluftmenge kann in einer oder mehreren Entspannungsmaschinen entspannt werden. Hierüber können einer oder mehrere Nachverdichter angetrieben werden. Die Erhöhung der Luftmenge der Einsatzluft ermöglicht damit bei einem HAP-Verfahren moderatere Drücke am Hauptverdichter und damit eine Kostenersparnis.
Neben den gasförmigen Druckprodukten, die durch Innenverdichtung erhalten werden (nachfolgend kurz als "Gasprodukte" bezeichnet), ist jedoch häufig auch die Entnahme von Flüssigprodukten aus einer Luftzerlegungsanlage erwünscht. Hierzu wird ein Teil des flüssigen Stroms verwendet, der jedoch nicht verdampft wird. HAP-Verfahren sind bezüglich einer Verschiebung der jeweiligen Gas- bzw. Flüssigproduktmengen jedoch relativ unflexibel, d.h. insbesondere die Flüssigproduktmenge kann aus den unten näher erläuterten Gründen nur in relativ geringem Umfang variiert werden. Es besteht daher der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur Gewinnung von Luftprodukten, die insbesondere eine Einstellung der jeweiligen Gas- bzw.
Flüssigproduktmengen ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Anmeldung ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine zur Durchführung eines derartigen
Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die mangelnde Flexibilität herkömmlicher HAP-Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft kann anhand folgender Produktkonstellationen qualitativ veranschaulicht werden. Der Begriff "Gasproduktmenge" bezeichnet dabei die Menge eines durch Innenverdichtung (und nachfolgende Verdampfung) bereitgestellten gasförmigen Druckprodukts, der Begriff "Flüssigproduktmenge" die Menge eines der
Luftzerlegungsanlage flüssig entnommenen Luftprodukts:
1. Gasproduktmenge niedrig, Flüssigproduktmenge hoch
2. Gasproduktmenge hoch, Flüssigproduktmenge hoch
3. Gasproduktmenge hoch, Flüssigproduktmenge niedrig Bei einem Übergang von Produktkonstellation 2 zu Produktkonstellation 3 geht die insgesamt erforderliche Luftmenge am Hauptverdichter zurück. Aufgrund der
Verringerung der Flüssigproduktmenge sinkt der erforderliche Druck am
Hauptverdichter, da aufgrund der geringeren Flüssigproduktmenge weniger
Kälteleistung benötigt wird. Beim Übergang von Produktkonstellation 2 zu Produktkonstellation 1 geht die erforderliche Luftmenge aufgrund der Verringerung der Gasproduktmenge ebenfalls zurück. Da aber aufgrund der weiterhin hohen Flüssigproduktmenge weiterhin eine hohe Kälteleistung benötigt wird, muss der Druck am Hauptverdichter steigen.
Bei schwankenden Produktanforderungen werden die Auslegungsgrenzen des verwendeten Hauptverdichters rasch erreicht. Auch die verwendeten Nachverdichter und Entspannungsmaschinen erreichen ihre Auslegungsgrenzen, da der durch diese bereitzustellende Druck bzw. die zu verarbeitende Luftmenge direkt mit den
entsprechenden Kenngrößen des Hauptverdichters gekoppelt sind.
Herkömmliche Luftzerlegungsanlagen können daher die schwankenden
Produktanforderungen häufig nicht erfüllen. In Anlagen, in denen zeitweise erhöhte Mengen verdichteter Luft durch zusätzliche Einrichtungen bereitgestellt werden, beispielsweise in Anlagen mit Gasturbinen, wie sie in der EP 0 793 070 A2 offenbart sind, kann auch nur in entsprechenden Zeiten eine erhöhte Flüssigproduktmenge erzeugt werden. Auch dies schränkt die Flexibilität deutlich ein.
Die vorliegende Erfindung schlägt zur Überwindung dieser Nachteile ein Verfahren zur Gewinnung von Luftprodukten durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem
Destillationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage, das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, vor. Wie in herkömmlichen HAP-Verfahren auch wird dabei die in dem Verfahren insgesamt eingesetzte Gesamtluftmenge in einem
Hauptverdichter auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, bei dem die Hochdrucksäule betrieben wird. Wie erläutert, ist die "Gesamtluftmenge" die gesamte in einem entsprechenden Verfahren bzw. einer entsprechenden Anlage verdichtete Luft. Diese umfasst sowohl die in das
Destillationssäulensystem eingespeiste und dort zerlegte Luft (sogenannte
Prozessluft), als auch weitere, nicht in das Destillationssäulensystem eingespeiste Luft. Bei der Gesamtluftmenge handelt es sich damit um die gesamte Einsatzluft.
Ein erster Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge wird einem Hauptwärmetauscher warmseitig zugeführt, in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt, in einer Entspannungsmaschine auf einen ersten Druck entspannt und in die Hochdrucksäule eingespeist. Es handelt sich hierbei um den sogenannten Turbinenstrom. Ein zweiter Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge wird in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt, beispielsweise über ein Entspannungsventil entspannt und in das Destillationssäulensystem, also die
Hochdrucksäule und/oder die Niederdrucksäule, eingespeist. Bei diesem zweiten Anteil handelt es sich um den sogenannten Drosselstrom.
Erfindungsgemäß ist in Abhängigkeit von einer Flüssigproduktmenge zumindest eines der Luftzerlegungsanlage in flüssigem Zustand zu entnehmenden Luftprodukts ein erster und ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen, zu deren Realisierung eine
Generatorturbine verwendet wird. In der Generatorturbine wird ein dritter Anteil der Gesamtluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus in einer größeren Menge als in dem ersten Betriebsmodus entspannt und anschließend in die Atmosphäre abgeblasen. Gleichzeitig wird das zumindest eine flüssige Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage in dem zweiten Betriebsmodus in einer größeren Flüssigproduktmenge als in dem ersten Betriebsmodus entnommen.
Die Angabe, dass der dritte Anteil der Gesamtluftmenge in dem zweiten
Betriebsmodus "in einer größeren Menge als in dem ersten Betriebsmodus" entspannt und anschließend in die Atmosphäre abgeblasen wird, und dass das zumindest eine flüssige Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage in dem zweiten Betriebsmodus "in einer größeren Flüssigproduktmenge als in dem ersten Betriebsmodus" entnommen wird, umfasst explizit auch Fälle, in denen nur in dem zweiten Betriebsmodus der dritte Anteil der Gesamtluftmenge in der Generatorturbine entspannt und in die Atmosphäre abgeblasen wird, und/oder in denen nur in dem zweiten Betriebsmodus das zumindest eine flüssige Luftprodukt der Luftzerlegungsanlage entnommen wird. Mit anderen
Worten kann auch vorgesehen sein, dass in dem ersten Betriebsmodus kein Anteil der Gesamtluftmenge in der Generatorturbine entspannt und in die Atmosphäre
abgeblasen wird und/oder kein flüssiges Luftprodukt der Luftzerlegungsanlage entnommen wird.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich grundsätzlich bei allen HAP- Verfahren einsetzen. Grundsätzlich weist jedes HAP-Verfahren einen Sweetspot auf, der durch das Verhältnis von Flüssigproduktmenge zu Gasproduktmenge (siehe unten) und durch den Innenverdichtungsdruck definiert ist. Bei einer Abweichung von diesem Sweetspot werden entsprechende Verfahren unflexibel, da die Auslegungsgrenzen der verwendeten Vorrichtungen erreicht werden. Wie unten im Detail erläutert, erweitert die zusätzliche Generatorturbine den Anwendungsbereich eines entsprechenden HAP- Verfahrens, so dass das genannte Verhältnis stärker verschoben werden kann. Auf diese Weise kann eine entsprechende Anlage flexibler betrieben werden.
Eine Generatorturbine ist hier insbesondere deshalb vorteilhaft, weil diese nicht, wie übliche Turbinen in Luftzerlegungsanlagen, mit einem Verdichter gekoppelt ist. Die Generatorturbine kann daher völlig unabhängig von in entsprechenden Verdichtern zu verdichtenden Luftanteilen betrieben werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich damit als besonders flexibel zur Gewinnung unterschiedlicher
Flüssigproduktmengen in einer Luftzerlegungsanlage. Die Generatorleistung des Generators der Generatorturbine ist einstellbar, so dass auch die Bedingungen, unter denen die Entspannung der Luft in der Generatorturbine erfolgt, den jeweiligen
Erfordernissen angepasst werden können.
Auch weil der durch die Generatorturbine entspannte dritte Anteil der Gesamtluftmenge anschließend in die Atmosphäre abgeblasen wird, ist dessen Menge besonders flexibel einstellbar. Beispielsweise sind sogenannte Einblaseturbinen bekannt, die einen Luftanteil entspannen, der anschließend in die Niederdrucksäule eingeblasen wird. Eine derartige Einblaseturbine kann aber nur in geringem Umfang in ihren
Betriebsbedingungen und ihrem Durchsatz variiert werden, da sich die Menge der in ihr entspannten Luft aufgrund der Einspeisung in die Niederdrucksäule nur in bestimmten Grenzen bewegen kann. Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der erste Anteil der auf den
Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge der Entspannungsmaschine höchstens mit einem Druck zugeführt, bei dem dieser auch dem Hauptwärmetauscher warmseitig zugeführt wird. Der erste Anteil der Gesamtluftmenge kann dabei vor dem Einspeisen in den Hauptwärmetauscher auch in wenigstens einem Nachverdichter auf einen Nachverdichterdruck nachverdichtet und der Entspannungsmaschine damit höchstens mit dem Nachverdichterdruck zugeführt werden. Mit anderen Worten wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der ggf. entsprechend nachverdichtete erste Anteil der Gesamtluftmenge nach der Abkühlung in dem Hauptwärmetauscher und vor der Entspannung in der Entspannungsmaschine keinen druckerhöhenden Maßnahmen mehr unterworfen. Hierdurch kann auf einen Kaltverdichter verzichtet werden, was eine besonders kostengünstige Erstellung einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage und einen wartungsarmen Betrieb ermöglicht.
Wie erwähnt, erfolgt die Entspannung des ersten Anteils der Gesamtluftmenge auf einen Druck, der dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspricht oder geringfügig höher ist als dieser (mit dem "geringfügigen" Druckunterschied von z.B. höchstens 0,05 oder 0,1 bar werden beispielsweise Leitungsverluste ausgeglichen). Der Druck, auf den der dritte Anteil der Gesamtluftmenge entspannt wird, entspricht beispielsweise Atmosphärendruck oder dem Druck der Niederdrucksäule oder liegt in
entsprechendem Sinn "geringfügig" höher.
Wie erwähnt, ist bei den eingangs erläuterten und im Rahmen der Erfindung eingesetzten HAP-Verfahren der Druck, mit dem die Gesamtluftmenge bereitgestellt wird, wesentlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule. Unter "wesentlich höher" wird dabei im Rahmen dieser Anmeldung ein Druckunterschied von mindestens 4 bar und vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar verstanden.
Ein "Hauptverdichter" ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Verdichter oder die Verdichteranordnung, durch den bzw. die die insgesamt eingesetzte
Gesamtluftmenge, also die gesamte Einsatzluft des Verfahrens bzw. der
Luftzerlegungsanlage, verdichtet wird. Jeder andere Verdichter (Nachverdichter, Booster) verdichtet im Rahmen der vorliegenden Erfindung nur einen Teil dieser Einsatzluft stromab des Hauptverdichters. Charakteristisch für einen Hauptverdichter ist, dass dieser sich stromauf von Reinigungseinrichtungen zur Entfernung von Wasser und/oder Kohlendioxid befindet. Ist im vorliegenden Fall davon die Rede, dass der
Hauptverdichter die Gesamtluftmenge verdichtet, schließt dies damit aus, dass weitere Luft in die Luftzerlegungsanlage eingespeist wird, die nicht durch den Hauptverdichter geführt wird. Der Hauptverdichter kann insbesondere auch der Verdichter oder die Verdichteranordnung sein, der bzw. die die einzige, insbesondere die einzige mit externer Energie angetriebene, Maschine zur Verdichtung von Luft in der
Luftzerlegungsanlage darstellt. Unter dem Begriff "einzige Maschine" wird hier ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter verstanden, dessen Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind, wobei alle Stufen in einem Gehäuse untergebracht oder mit einem Getriebe verbunden sein können. Mit "externer Energie" ist ein
Verdichter beispielsweise dann angetrieben, wenn er nicht über eine Welle mit einer Entspannungsmaschine gekoppelt ist und damit mit Energie betrieben wird, die aus einer arbeitsleistenden Entspannung von zuvor mittels des Hauptverdichters verdichteter Luft stammt. Die Nachverdichter zählen nicht zu den mit externer Energie angetriebenen Maschinen, da sie, wie erwähnt, durch die ihnen jeweils zugeordneten Entspannungsmaschinen (Turboexpander) angetrieben werden.
Der "Hauptwärmetauscher" kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, beispielsweise aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Ein Hauptwärmetauscher dient zur
Abkühlung der Anteile der Gesamtluftmenge im indirekten Wärmetausch mit
Rückströmen aus dem Destillationssäulensystem bzw. zur Verdampfung bei der Innenverdichtung.
Der Begriff "Entspannungsmaschine" umfasst jede Maschine zur arbeitsleistenden Entspannung eines Prozessstroms, beispielsweise eines der Anteile der
Gesamtluftmenge. Bevorzugt werden die Entspannungsmaschinen bei der
vorliegenden Erfindung jedoch durch die grundsätzlich aus dem Bereich der
Kryotechnik bekannten Turboexpander bzw. Expansionsturbinen gebildet. Die "Generatorturbine" ist eine entsprechende Entspannungsmaschine, die mit einem elektrischen Generator mechanisch gekoppelt ist und damit die bei der
arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit in elektrische Leistung umsetzen kann. Bevorzugt ist auch die Entspannungsmaschine einer Generatorturbine als Turboexpander bzw. Expansionsturbine ausgebildet.
Ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung davon die Rede, dass Anteile der
Gesamtluftmenge in einem Hauptwärmetauscher "abgekühlt" und/oder "erwärmt" werden, bedeutet dies, dass entsprechende Anteile der Gesamtluftmenge den
Wärmetauscher zumindest über eine gewisse Fließstrecke durchlaufen. Die Abkühlung bzw. Erwärmung muss dabei nicht im gesamten Umfang des durch den
Wärmetauscher bereitgestellten Temperaturgradienten erfolgen, entsprechende Anteile können vielmehr auch nur teilweise abgekühlt bzw. erwärmt werden.
In entsprechender Weise werden die Anteile in den verwendeten
Entspannungsmaschinen bzw. weiteren Entspannungseinrichtungen wie Entspannungsventilen nicht notwendigerweise vollständig (d.h. auf Umgebungsdruck) entspannt sondern ggf. nur in einem gewissen Umfang (teilentspannt).
Wie erwähnt, unterscheiden sich der erste und der zweite Betriebsmodus im
Wesentlichen durch die Menge des dritten Anteils der Einsatzluft, der in der
Generatorturbine entspannt wird (wobei der Generatorturbine in dem ersten
Betriebsmodus ggf. gar keine Luft zugeführt wird) und die Flüssigproduktmenge (wobei der Luftzerlegungsanlage in dem ersten Betriebsmodus ggf. gar kein Flüssigprodukt entnommen wird). Der Rest der Gesamtluftmenge, der nicht als dritter Anteil in der Generatorturbine entspannt wird, beträgt in dem ersten Betriebsmodus beispielsweise mindestens 95% der Gesamtluftmenge. Prozentangaben bezeichnen hier und im Folgenden beispielsweise Masse- oder Molprozent. Die Gesamtluftmenge wird dabei, abzüglich eines nach der Entspannungsmaschine aus dem ersten Anteil
abgeschiedenen Kondensats, zu mindestens 95% in die Hochdrucksäule eingespeist. Hierbei handelt es sich um den sogenannten Turbinenstrom, wie eingangs erläutert, oder um einen Teil eines entsprechenden Turbinenstroms, und um den sogenannten Drosselstrom. Der erste Anteil und der zweite Anteil können dabei gemeinsam beispielsweise 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% der Gesamtluftmenge umfassen, die Gesamtluftmenge kann in dem ersten Betriebsmodus aber auch vollständig in die Hochdrucksäule eingespeist werden.
In dem zweiten Betriebsmodus wird die Gesamtluftmenge beispielsweise zu einem dritten Anteil von mindestens 5% in der Generatorturbine entspannt. Der dritte Anteil kann hierbei beispielsweise 5% bis 10%, 10% bis 20% oder 20% bis 30% der
Gesamtluftmenge umfassen. Der erste und der zweite Anteil zusammen reduzieren sich damit anteilsmäßig entsprechend.
Das Verhältnis des ersten Anteils zu dem zweiten Anteil der Gesamtluftmenge kann je nach den vorliegenden Erfordernissen eingestellt werden. Beispielsweise kann der erste Anteil der Gesamtluftmenge (also der Turbinenstrom) die drei- bis fünffache Luftmenge des zweiten Anteils (also des Drosselstroms) umfassen.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen bewirken eine signifikante Erhöhung der Flexibilität des erläuterten HAP-Verfahrens. In der eingangs erwähnten Produktkonstellation 2 (Gas- und Flüssigproduktmenge hoch) wird die verwendete Generatorturbine mit einem mittleren dritten Anteil der Gesamtluftmenge beaufschlagt. Der Anteil kann dabei entsprechend der Gas- und Flüssigproduktmenge eingestellt werden. Die Generatorturbine ist vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass sie, ausgehend von diesem "mittleren" dritten Anteil, eine Lasterhöhung und eine
Lastverringerung in geeignetem Umfang ermöglicht.
Bei einem Übergang von der Produktkonstellation 2 zur Produktkonstellation 3 (d. h. bei einer Verringerung der Flüssigproduktmenge bei gleichbleibend hoher
Gasproduktmenge) kann diese geringere Flüssigproduktmenge und der dadurch geringere Kältebedarf durch eine Reduktion des dritten Anteils der Gesamtluftmenge (ggf. auf Null), der der Generatorturbine zugeführt wird, kompensiert werden. Die Generatorturbine kann in diesem Fall ggf. ausgeschaltet werden. Der durch den Hauptverdichter bereitgestellte Druck kann jedoch im Wesentlichen konstant bleiben. Beim Übergang von der Produktkonstellation 2 zu der Produktkonstellation 1 , bei welchem die Flüssigproduktmenge im Wesentlichen gleichbleibt, die
Gasproduktmenge hingegen reduziert wird, kann ein Ausgleich durch eine
Lasterhöhung an der Generatorturbine erfolgen. Der in der Generatorturbine entspannte dritte Anteil der Gesamtluftmenge wird also erhöht. Der Druck der durch den Hauptverdichter geförderten Luft kann auch hier im Wesentlichen gleichbleiben.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden die Fälle, in denen ein
vergleichsweise hoher dritter Anteil des Einsatzluftstroms in der Generatorturbine entspannt wird, als "zweiter Betriebsmodus" bezeichnet. Ein "zweiter Betriebsmodus" entspricht dabei Betriebszuständen, in denen die zuvor erläuterte
Flüssigproduktmenge vergleichsweise hoch ist. Der "erste Betriebsmodus" wird hingegen dann durchgeführt, wenn die Flüssigproduktmenge vergleichsweise gering ist. In dem "ersten Betriebsmodus" ist damit auch der in der Generatorturbine entspannte dritte Anteil der Gesamtluftmenge vergleichsweise gering.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst vorteilhafterweise, aus dem
Destillationssäulensystem einen flüssigen Strom abzuziehen, von dem zumindest in dem zweiten Betriebsmoduszumindest ein Teil aus der Luftzerlegungsanlage als das flüssige Luftprodukt ausgeleitet wird. Jedenfalls wird der Luftzerlegungsanlage in dem zweiten Betriebsmodus eine höhere Flüssigproduktmenge entnommen als in dem ersten Betriebsmodus (in welchem die Flüssigproduktmenge Null betragen kann). Der aus dem Destillationssäulensystem abgezogene flüssige Strom, der dann als flüssiges Luftprodukt der Luftzerlegungsanlage insgesamt entnommen wird, hat wesentlichen Einfluss auf den Kältebedarf der Luftzerlegungsanlage. Wie zuvor angesprochen, richtet sich die Einstellung des ersten bzw. zweiten Betriebsmodus nach diesem Kältebedarf.
Bei dem aus dem Destillationssäulensystem abgezogenen flüssigen Strom kann es sich dabei beispielsweise um Sauerstoff aus einer Niederdrucksäule, Stickstoff aus einer Hochdrucksäule oder Argon aus einer Reinargonsäule handeln.
Der aus dem Destillationssäulensystem flüssig abgezogene Strom wird der
Luftzerlegungsanlage in dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus zumindest zu einem Teil als gasförmiges Luftprodukt in einer variablen Gasproduktmenge entnommen. Wird kein Flüssigprodukt entnommen (in dem ersten Betriebsmodus), wird der flüssig abgezogene Strom vollständig als gasförmiges Luftprodukt
entnommen. Wie erläutert, kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hier besonders flexibel auf schwankende Entnahmemengen reagiert werden. Zur Gewinnung dieses gasförmigen Luftprodukts wird der aus dem
Destillationssäulensystem flüssig abgezogene Strom zumindest teilweise flüssig druckerhöht. Es handelt sich also um ein Innenverdichtungsverfahren.
Der dritte Anteil der Gesamtluftmenge wird dabei in dem zweiten Betriebsmodus auch in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Flüssigproduktmenge zu der
Gasproduktmenge oder umgekehrt eingestellt. Dies entspricht einer Einstellung des über die Generatorturbine entspannten dritten Anteils der Gesamtluftmenge zu der in die Hochdrucksäule in Form des ersten und zweiten Anteils eingespeisten Luftmenge. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine flexible Entnahme von Gas- und Flüssigprodukten, wobei die Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus jedenfalls höher als in dem ersten Betriebsmodus ist. Exakte Werte richten sich hier nach der spezifischen Auslegung der Luftzerlegungsanlage. Beispielsweise kann in dem erläuterten ersten Betriebsmodus ein Anteil von 3% der Gesamtluftmenge als Flüssigproduktmenge entnommen werden, die im zweiten Betriebsmodus auf 5% erhöht wird. Ohne Generatorturbine wäre evtl. nur eine Flüssigproduktmenge von maximal 4% möglich. Beispielsweise kann in dem zweiten Betriebsmodus eine
Flüssigproduktmenge von wenigstens 0,5%, 1%, 2%, 3%, 4% oder 5% der
Gesamtluftmenge als Flüssigproduktmenge entnommen werden und in dem ersten Betriebsmodus entsprechend weniger. Beispielsweise kann die maximale
Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus zumindest dem 1 ,2-fachen, 1 ,3- fachen, 1 ,4-fachen, 1 ,5-fachen oder Doppelten der maximalen Flüssigproduktmenge in dem ersten Betriebsmodus entsprechen. Es versteht sich, dass diese Werte auch Obergrenzen darstellen können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorteilhafterweise der erste und/oder der zweite Anteil der Gesamtluftmenge nach dem Verdichten in dem Hauptverdichter, jedoch vor der erstmaligen Abkühlung in dem Hauptwärmetauscher, in wenigstens einem Nachverdichter auf einen Nachverdichterdruck nachverdichtet. Der wenigstens eine Nachverdichter kann zumindest teilweise mittels der Entspannungsmaschine angetrieben werden, in der der erste Anteil der Einsatzluft entspannt wird.
Beispielsweise kann der dritte Anteil der Gesamtluftmenge auf den
Nachverdichterdruck nachverdichtet werden. Der dritte Anteil der Gesamtluftmenge wird vor seiner Entspannung in der Generatorturbine vorteilhafterweise ferner ebenfalls in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und in der Entspannungsmaschine entspannt. Entsprechende Einrichtungen brauchen daher nicht mehrfach vorgesehen sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann auch die Gewinnung von Edelgasprodukten aus der Einsatzluft, beispielsweise von Argon und/oder Neon umfassen. Für entsprechende Verfahren werden bekannte Einrichtungen verwendet, wie sie auch im Rahmen der Figurenbeschreibung näher erläutert sind.
Die erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage ist zur Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens eingerichtet und verfügt über entsprechend ausgebildete Mittel. Zu den Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage sei auf die obigen Erläuterungen ausdrücklich verwiesen.
Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage ist zumindest in dem zweiten
Betriebsmodus zur Bereitstellung eines flüssigen Luftprodukts in einer
Flüssigproduktmenge und eines gasförmigen Luftprodukts in einer Gasproduktmenge eingerichtet, wobei Mittel vorgesehen sind, die dazu eingerichtet sind, den dritten Anteil der Gesamtluftmenge in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Flüssigproduktmenge zu der Gasproduktmenge einzustellen. Die entsprechenden Mittel können
insbesondere in Form einer automatischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung ausgebildet sein, die bei einer Benutzervorgabe bezüglich der Flüssigproduktmenge bzw. der Gasproduktmenge eine automatische Apassung vornimmt. Eine
entsprechende Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann auch insbesondere dazu vorgesehen sein, von dem ersten Betriebsmodus bei Bedarf in den zweiten
Betriebsmodus umzuschalten und beispielsweise die Generatorturbine zu starten.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegenüber dem Stand der Technik näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in Form eines schematischen Anlagendiagramms.
Figur 2 zeigt in den Teilfiguren 2A bis 2E Ausführungsformen nicht erfindungsgemäßer Luftzerlegungsanlagen in schematischen Ausschnittsdarstellungen.
Figur 3 zeigt in den Teilfiguren 3A bis 3E Ausführungsformen erfindungsgemäßer Luftzerlegungsanlagen in schematischen Ausschnittsdarstellungen. Figur 4 zeigt in den Teilfiguren 4A und 4B Ausführungsformen von
Luftzerlegungsanlagen in schematischen Ausschnittsdarstellungen.
Ausführliche Beschreibung der Figuren In Figur 1 ist eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage schematisch in Form eines Anlagendiagramms dargestellt. Die zur Innenverdichtung eingerichtete
Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet.
Es sei bereits an dieser Stelle betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf den Einsatz bei Luftzerlegungsanlagen 100 in der hier dargestellten spezifischen Ausführungsform beschränkt ist, sondern grundsätzlich bei unterschiedlichsten HAP- Verfahren, wie sie beispielsweise in den Teilfiguren 2A bis 2E der Figur 2 in
schematischen Ausschnittsdarstellungen gezeigt sind, zum Einsatz kommen kann. Die Figur 1 dient somit vornehmlich der Erläuterung der Einbindung der in den Figuren 2 und 3 gezeigten schematischen Ausschnittsdarstellungen in einen
Gesamtzusammenhang einer Luftzerlegungsanlage 100.
Eine Gesamtluftmenge atmosphärischer Luft (AIR) wird über ein Filter 1 von einem Hauptverdichter 2 angesaugt und dort auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet, der bei einem HAP-Verfahren, wie es hier zum Einsatz kommt, zumindest 4 bar höher ist als der Betriebsdruck einer Hochdrucksäule (siehe unten). Nach Durchströmen eines Nachkühlers 3 und eines hier nicht näher erläuterten Abscheiders 4 zum Abscheiden von Wasser (H20) wird die verdichtete Luft einer Reinigungsvorrichtung 5 zugeführt, die ein Paar von mit Adsorptionsmaterial, vorzugsweise Molekularsieb, gefüllten Behältern aufweist. Die entsprechend gereinigte Luft verlässt die
Reinigungsvorrichtung 5 als Strom a.
Der Strom a wird in der Luftzerlegungsanlage 110 auf herkömmliche Weise zunächst in einem ersten Nachverdichter 11 und anschließend in einem zweiten Nachverdichter 21 nachverdichtet. Der erste Nachverdichter 11 und der zweite Nachverdichter 21 sind jeweils mit einer ersten Entspannungsmaschine 12 bzw. einer zweiten
Entspannungsmaschine 22 mechanisch gekoppelt, beispielsweise jeweils über eine gemeinsame Welle. Stromab des ersten Nachverdichters 11 und des zweiten
Nachverdichters 21 sind jeweils Nachkühler 13 bzw. 23 angeordnet. Stromab des zweiten Nachverdichters 21 bzw. des Nachkühlers 23 wird der Strom a, also die Gesamtluftmenge, in einen ersten Teilstrom b und in einen zweiten Teilstrom c aufgeteilt. Die Aufteilung kann jedoch auch an anderer Stelle erfolgen.
Der Teilstrom b und der Teilstrom c werden in einem Hauptwärmetauscher 6 abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt vorzugsweise auf unterschiedliche Temperaturen, so dass der Teilstrom b dem Hauptwärmetauscher 6 bei einer Zwischentemperatur entnommen und damit "teilabgekühlt" wird und der Teilstrom c den
Hauptwärmetauscher 6 bis zu dessen kaltem Ende durchläuft. Nach der Entnahme des Teilstroms b aus dem Hauptwärmetauscher 6 wird dieser der ersten Entspannungsmaschine 12 zugeführt und dort auf einen Zwischendruck entspannt. Der Zwischendruck liegt geringfügig oberhalb eines Betriebsdrucks einer Hochdrucksäule 71 eines Destillationssäulensystems 7, das unten näher erläutert wird.
Der weiterhin mit b bezeichnete und auf den Zwischendruck entspannte Teilstrom wird einem Abscheider 8 zugeführt, von dessen Sumpf eine flüssige Fraktion als ein Strom d abgezogen werden kann. Der Strom d kann (vgl. Verknüpfungspunkt A,
beispielsweise 0% bis 15% des Stroms b) in eine Niederdrucksäule 72 des
Destillationssäulensystems 7 eingespeist werden.
Eine gasförmige Fraktion vom Kopf des Abscheiders 8 kann als Strom e abgezogen und erneut in einen ersten Teilstrom f und einen zweiten Teilstrom g aufgeteilt werden. Die Teilströme f und g entsprechen dem "ersten Anteil" und dem "dritten Anteil" der Gesamtluftmenge, die oben bereits mehrfach erläutert wurden. Der erste Teilstrom f wird in die Hochdrucksäule 71 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist, wie unten näher erläutert. Der zweite Teilstrom g wird in dem Hauptwärmetauscher 6 erwärmt und in der zweiten Entspannungsmaschine 22 auf einen Enddruck, beispielsweise Atmosphärendruck, entspannt. Der entspannte zweite Teilstrom g kann anschließend in dem Hauptwärmetauscher 6 weiter erwärmt und mit weiteren Strömen vereinigt, zumindest teilweise in die Atmosphäre (ATM) abgeblasen und/oder einem
Verdunstungskühler zugeführt werden.
Der Teilstrom c, bei dem es sich um den "zweiten Anteil" der Gesamtluftmenge handelt, der oben mehrfach erläutert wurde, wird nach dem Durchlaufen des
Hauptwärmetauschers 6 über ein Entspannungsventil 9 entspannt und ebenfalls bei entsprechenden Druck in die Hochdrucksäule 71 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist. Bei dem Destillationssäulensystem 7 handelt es sich im dargestellten Beispiel um ein Destillationssäulensystem 7 mit einer klassischen Linde-Doppelsäule, die die
Hochdrucksäule 71 und die Niederdrucksäule 72 als bauliche Einheit umfasst.
Alternativ dazu ist der Einsatz der Erfindung auch in Destillationssäulensystemen 7 möglich, bei denen eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule getrennt voneinander angeordnet sind. Die Hochdrucksäule 71 und die Niederdrucksäule 72 sind über einen Hauptkondensator 73 wärmetauschend miteinander verbunden. Die Betriebs- bzw. Trenndrücke - jeweils am Kopf - betragen beispielsweise 4,5 bis 6,5 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar in der Hochdrucksäule und 1 ,2 bis 1 ,7 bar,
vorzugsweise etwa 1 ,3 bar in der Niederdrucksäule. Im dargestellten Beispiel sind ferner eine geteilte Rohargonsäule 74, 75 und eine Reinargonsäule 76 vorgesehen, die Erfindung kann jedoch auch in Anlagen ohne eine entsprechende Argongewinnung zum Einsatz kommen.
Flüssiger Rohsauerstoff wird als Strom h vom Sumpf der Hochdrucksäule 71 abgezogen, in einem Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt und zu einem Teil in einem Sumpfverdampfer 78 der Reinargonsäule 76 weiter abgekühlt. Ein anderer Teil kann an dem Sumpfverdampfer 78 vorbeigeleitet werden. Ist keine Argongewinnung vorgesehen, kann der Strom h auch direkt an einer Zwischenstelle in die
Niederdrucksäule 72 überführt werden.
Anschließend strömt ein Teil des Rohsauerstoffs des Stroms h in den
Verdampfungsraum eines Kopfkondensators der Rohargonsäule 75, ein anderer Teil in den Verdampfungsraum eines Kopfkondensators der Reinargonsäule 76. Der in den Kopfkondensatoren einerseits verdampfte und andererseits flüssig verbliebene Anteil des Rohsauerstoffs wird der Niederdrucksäule 72 in Form der Ströme i und j an geeigneten Zwischenstellen zugeführt. Wie erwähnt kann, wenn keine
Argongewinnung vorgesehen ist, der Rohsauerstoff des Stroms h auch direkt an diesen oder entsprechenden Zwischenstellen eingespeist werden. Gasförmiger Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 71 wird zu einem ersten Teil als Strom k zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 6 geleitet, dort auf etwa
Umgebungstemperatur angewärmt und kann als Dichtgas (Sealgas, SG) für die verwendeten Verdichter der Anlage eingesetzt werden. Der restliche gasförmige Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 71 wird als Strom I dem Hauptkondensator 73 zugeführt und dort mindestens teilweise kondensiert. Der dabei erzeugte flüssige Stickstoff kann zu einem Teil als Rücklauf auf die
Hochdrucksäule 71 aufgegeben werden. Ein anderer Teil wird als Strom m dem Unterkühlungsgegenströmer 77 zugeführt, dort unterkühlt und zum Kopf der
Niederdrucksäule 72 geleitet. Dort kann ein Teil als Strom n zur Bereitstellung eines Flüssigstickstoffprodukts (LIN) abgezogen werden. Das Flüssigstickstoffprodukt kann beispielsweise in einem Tank eingelagert werden.
Unmittelbar oberhalb des Sumpfes der Niederdrucksäule 72 kann gasförmiger
Sauerstoff als Strom o entnommen und, gegebenenfalls nach Vereinigung mit einem Strom p (Unreinstickstoff), der ebenfalls der Niederdrucksäule 72 entnommen und in dem Unterkühlungsgegenströmer 77 erwärmt wird, in einem Hauptwärmetauscher 6 angewärmt werden. Die weitere Verwendung der Ströme o und p entspricht beispielsweise jener des erläuterten Stroms g.
Ein flüssiger Sauerstoffstrom q aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 72 kann mittels einer Pumpe 79 druckerhöht und als Strom r zumindest teilweise in dem
Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt, in einer Flüssigproduktmenge aus der Luftzerlegungsanlage 1 10 ausgeleitet und einem Flüssigtank (LOX) zugeleitet werden. Ein anderer Teil des mittels der Pumpe 79 druckerhöhten Sauerstoffstroms q aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 72 kann als Strom s in einer Gasproduktmenge im Hauptwärmetauscher 6 verdampft (beziehungsweise bei überkritischem Druck pseudo- verdampft), auf Umgebungstemperatur angewärmt und als gasförmiges Druckprodukt (GOX-IC) abgezogen werden. Wie erwähnt, sind die entsprechenden Mengen in einer herkömmlichen Anlage 110 nur in engen Grenzen variabel.
Gasförmiger Stickstoff kann als Strom t vom Kopf der Niederdrucksäule 72 abgezogen und im Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt werden. Der Strom t kann nach Erwärmung im Hauptwärmetauscher 6 in einem Verdichter (ohne Bezeichnung) extern verdichtet und als gasförmiger Druckstickstoff (GAN-EC) bereitgestellt werden.
An einer Zwischenstelle, dem sogenannten Argonübergang, kann in der dargestellten Anlage der Niederdrucksäule 72 ein argonhaltiger Strom u entnommen und dem unteren Teil 74 der Rohargonsäule 74, 75 unmittelbar über dem Sumpf zugeführt werden. Sumpfflüssigkeit des unteren Teils 74 der Rohargonsäule 74, 75 kann als Strom v in die Niederdrucksäule 72 zurückgeleitet werden.
Der untere Teil 74 und der obere Teil 75 der zweigeteilten Rohargonsäule 74, 75 können über Leitungen w und x und entsprechende Pumpen und Ventile (ohne Bezeichnung) miteinander gekoppelt sein. Die zweigeteilte Rohargonsäule 74, 75 kann auch als eine Säule realisiert sein.
Die Kopfkondensatoren des oberen Teils 75 der Rohargonsäule 74, 75 und der Reinargonsäule 76 können beispielsweise als Rücklaufkondensatoren oder als Badkondensatoren ausgebildet sein. Der Rohargonsäule 75 kann im dargestellten Beispiel am oberen Ende der Rücklaufpassagen des Kopfkondensators, der hier als Rücklaufkondensator gezeigt ist, über einen seitlichen Header ein Rohargonstrom y gasförmig entnommen und der Reinargonsäule 76 an einer geeigneten Zwischenstelle zugeleitet werden.
Die Sumpfflüssigkeit der Reinargonsäule 76 kann zu einem Teil in dem
Sumpfverdampfer 78 verdampft werden, wobei der dabei erzeugte Dampf als aufsteigendes Gas in der Reinargonsäule 76 genutzt werden kann. Der Rest kann der Reinargonsäule 76 als flüssiger Reinargonproduktstrom z entnommen werden. Das flüssige Reinargon (LAR) kann in einen Tank überführt werden. Zumindest ein Teil des Reinargons kann flüssig auf Druck gebracht, in den Hauptwärmetauscher 6 verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (LAR IC) abgegeben werden (vgl. die rechte Kammer des Hauptwärmetauschers 6, sogenannte Argoninnenverdichtung).
Figur 2 zeigt in den Teilfiguren 2A bis 2E Ausführungsformen nicht erfindungsgemäßer Luftzerlegungsanlagen in schematischen Ausschnittsdarstellungen. Die Teilfiguren 2A bis 2E zeigen jeweils nur einen Teil der Komponenten einer Luftzerlegungsanlage, die jedoch mit identischen Bezugszeichen wie in der Figur 1 versehen sind. Eine
Luftzerlegungsanlage mit den in den Teilfiguren 2A bis 2E dargestellten spezifischen Verschaltungen kann dabei in ihren übrigen Bestandteilen entsprechend der
Luftzerlegungsanlage 100 aus Figur 1 oder abweichend hierzu ausgebildet sein. In allen Fällen handelt es sich jedoch um eine Luftzerlegungsanlage, die für ein HAP- Verfahren eingerichtet ist, bei dem ein Strom a in einem Hauptverdichter 2 auf einen entsprechend hohen Druck verdichtet wird. Der Hauptwärmetauscher 6 ist hier stark schematisiert dargestellt. Ein Bereich des Hauptwärmetauschers 6, der beispielsweise von zu verdampfenden, innenverdichteten Strömen durchströmt wird, ist summarisch mit 61 bezeichnet, die entsprechenden Ströme tragen keine Bezugszeichen. Die Gesamtluft wird entsprechend sämtlicher Teilfiguren 2A bis 2E mittels des
Hauptverdichters 2 verdichtet und liegt als Strom a vor. Die Teilfiguren 2A bis 2E zeigen ferner die Ströme b und c, die entsprechend der Luftzerlegungsanlage 100 aus Figur 1 verwendet werden, nämlich als Turbinenstrom b und als Drosselstrom c.
Die Teilfiguren 2A bis 2E zeigen jedoch Konfigurationen, bei denen nur ein
Nachverdichter 1 1 verwendet wird. Dem Nachverdichter 1 1 wird dabei in den dargestellten Ausführungsformen der Teilfiguren 2A bis 2C die Luftmenge des Stroms b und c gemeinsam (also der Strom a, Teilfigur 2A), nur der Strom b (Turbinenstrom, Teilfigur 2B) oder nur der Strom c (Drosselstrom, Teilfigur 2C) zugeführt. Die
Teilfiguren 2D und 2E zeigen weitere Beispiele, in denen ein weiterer Anteil der Gesamtluftmenge als zusätzlicher Drosselstrom c' verwendet wird. Dieser bleibt in den dargestellten Beispielen ohne Nachverdichtung. Im Übrigen wird in dem in der Teilfigur 2D dargestellten Beispiel der Strom b und c gemeinsam und in der Teilfigur 2E nur der Teilstrom c nachverdichtet. Der Nachverdichter 11 ist in allen Teilfiguren 2A bis 2E mit der ersten Entspannungsmaschine 12 gekoppelt, wie bereits zuvor erläutert.
Für unterschiedliche Produktkonstellationen eignen sich die in den Teilfiguren 2A bis 2E dargestellten Verschaitungen unterschiedlich gut, da sie für die gleiche Aufgabe mehr oder weniger Leistung am Hauptverdichter 2 benötigen. Das Verhältnis der Flüssigproduktmenge zur Gasproduktmenge und der Innenverdichtungsdruck bestimmen maßgeblich, welche der Verschaitungen am besten geeignet ist.
Alle in den Teilfiguren 2A bis 2E dargestellten Verschaitungen haben jedoch gemeinsam, dass sie bei Abweichungen von ihrem Auslegungspunkt relativ unflexibel sind, da diverse Auslegungsgrenzen des verwendeten Equipments (insbesondere des Hauptverdichters 2) schnell erreicht werden. Die erfindungsgemäß zusätzlich vorgesehene Generatorturbine erweitert den Einsatzbereich einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage und macht sie damit flexibler.
Derart erweiterte Verschaitungen entsprechend Ausführungsformen der Erfindung sind in den Teilfiguren 3A bis 3E gezeigt. Jede der Teilfiguren 3A bis 3E entspricht dabei der entsprechend erweiterten Teilfigur 2A bis 2E. Eine Generatorturbine ist insgesamt mit 30 bezeichnet und weist eine Entspannungsmaschine auf, die mit einem Generator gekoppelt ist. Der Generatorturbine 30 wird ein gestrichelt dargestellter und mit g' bezeichneter Strom zugeführt.
Der Strom g' (der "dritte Anteil" der Gesamtluftmenge) kann dabei an unterschiedlichen Stellen abgezweigt werden, nämlich vor der Aufteilung in die Ströme b und c von Strom a (Teilfigur 3A), nach der Aufteilung in die Ströme b und c von Strom c (Teilfigur 3B) oder nach der Aufteilung in die Ströme b und c von Strom b (Teilfigur 3C). Die
Teilfiguren 3D und 3E zeigen eine Abzweigung von den "zweiten Drosselströmen", nämlich den Strömen c'.
Die Teilfigur 3E unterscheidet sich ferner dadurch von der entsprechenden Teilfigur 2E, dass hier eine Abkühlung des Stroms g' vor der Entspannung in der Generatorturbine 30 in einem Bereich 62 des Hauptwärmetauschers 6 vorgenommen wird. Eine derartige Vorkühlung kann auch in den anderen in der Figur 3 gezeigten
Verschaltungen zum Einsatz kommen. Umgekehrt kann auch in der Verschaltung gemäß Teilfigur 3E, wie in den anderen in der Figur 3 gezeigten Verschaltungen, ein nicht vorgekühlter Strom g' in der Generatorturbine 30 entspannt werden.
Die Teilfiguren 4A und 4B der Figur 4 zeigen Konfigurationen, bei denen zusätzlich eine Kaltverdichtereinheit 200 verwendet wird. Einem Verdichter (ohne Bezeichnung) der Kaltverdichtereinheit 200 kann dabei der Strom c, also der Drosselstrom zugeführt werden. Der Strom c kann zuvor in einem Bereich 64 des Hauptwärmetauschers 6 abgekühlt werden. Der Strom b wird hingegen stromab des Hauptwärmetauschers 6 keinen druckerhöhenden Maßnahmen unterworfen. Einer Entspannungsmaschine (ohne Bezeichnung) der Kaltverdichtereinheit 200 kann ein "weiterer Turbinenstrom", hier mit b' bezeichnet, zugeführt werden. Dieser kann zuvor in einem Bereich 63 des Hauptwärmetauschers 6 abgekühlt werden.
Der Vorteil bei der Verwendung einer Kaltverdichtereinheit 200 ist der, dass der Verdichter der Kaltverdichtereinheit 200 aufgrund der niedrigen Ansaugtemperatur ein sehr großes Druckverhältnis schafft. Damit erhält man einen höheren Druck am
Drosselstrom (Strom c), was die Verdampfung bei der Innenverdichtung erleichtert. Nachteil ist jedoch, dass die Entspannungsmaschine keine Kälte abgibt, da die
Austrittstemperatur der Verdichtereinheit deutlich unterhalb einer
Kühlwassertemperatur liegt. Daher eignet sich eine Kaltverdichtereinheit 200 insbesondere für Verfahren, bei denen eine geringe Flüssigproduktmenge benötigt wird bzw. das Verhältnis von Flüssigproduktmenge zu Gasproduktmenge klein ist.
Bei Produktkonstellationen, die vom Auslegungspunkt (Sweetspot) abweichen, sind entsprechende Luftzerlegungsanlagen, wie bei vielen HAP-Verfahren, jedoch auch hier nicht mehr fahrbar und somit unflexibel.
Dieses Problem wird auch hier durch eine Generatorturbine 30 behoben (vgl. Teilfigur 4B). Die in der Generatorturbine 30 entspannte Luft wird dabei in einem Bereich 65 des Hauptwärmetauschers 6 erwärmt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Gewinnung von Luftprodukten durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulensystem (7) einer Luftzerlegungsanlage, das eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) aufweist, wobei
- die in dem Verfahren insgesamt eingesetzte Gesamtluftmenge in einem Hauptverdichter (2) auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet wird, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, bei dem die
Hochdrucksäule (71) betrieben wird, wobei
- ein erster Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten
Gesamtluftmenge einem Hauptwärmetauscher (6) warmseitig zugeführt und in diesem abgekühlt, in einer Entspannungsmaschine (12) entspannt und in die Hochdrucksäule (71) eingespeist wird, und
- ein zweiter Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten
Gesamtluftmenge in dem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt, entspannt und in das Destillationssäulensystem (7) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Verfahren in Abhängigkeit von einer Flüssigproduktmenge zumindest eines der Luftzerlegungsanlage in flüssigem Zustand zu entnehmenden Luftprodukts in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus durchgeführt wird,
- eine Generatorturbine (30) verwendet wird, in der ein dritter Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus in einer größeren Menge als in dem ersten Betriebsmodus entspannt und anschließend in die Atmosphäre abgeblasen wird,
- das zumindest eine flüssige Luftprodukt der Luftzerlegungsanlage in dem zweiten Betriebsmodus in einer größeren Flüssigproduktmenge als in dem ersten Betriebsmodus entnommen wird, und - der erste Anteil der Gesamtluftmenge der Entspannungsmaschine (12) höchstens mit einem Druck zugeführt wird, bei dem dieser dem Hauptwärmetauscher (6) warmseitig zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem nur in dem zweiten Betriebsmodus der dritte Anteil der Gesamtluftmenge in der Generatorturbine (30) entspannt und in die Atmosphäre abgeblasen und/oder nur in dem zweiten Betriebsmodus das zumindest eine flüssige Luftprodukt der Luftzerlegungsanlage entnommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem aus dem
Destillationssäulensystem (7) ein flüssiger Strom (q, n, z) abgezogen wird, von dem zumindest ein Teil der Luftzerlegungsanlage zumindest in dem zweiten Betriebsmodus als das flüssige Luftprodukt entnommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der aus dem Destillationssäulensystem (7) flüssig abgezogene Strom (q, n, z) zumindest zu einem Teil in flüssigem Zustand druckerhöht, (pseudo-)verdampft und der Luftzerlegungsanlage in dem ersten und in dem zweiten Betriebsmodus in einer variablen Gasproduktmenge als gasförmiges Luftprodukt entnommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der dritte Anteil der Gesamtluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von einem Verhältnis der
Flüssigproduktmenge zu der Gasproduktmenge eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die
Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus zumindest dem 1 ,2-fachen der Flüssigproduktmenge in dem ersten Betriebsmodus entspricht. 7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei demder erste und/oder der zweite Anteil der Gesamtluftmenge nach dem Verdichten in dem
Hauptverdichter (2) in wenigstens einem Nachverdichter (1 1 ) auf einen
Nachverdichterdruck nachverdichtet wird. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der wenigstens eine Nachverdichter (1 1 ) zumindest teilweise mittels der Entspannungsmaschine (12) angetrieben wird, der der erste Anteil der Gesamtluftmenge entspannt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der dritte Anteil der Gesamtluftmenge vor seiner Entspannung in der Generatorturbine (30) ebenfalls in dem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlt und/oder in der
Entspannungsmaschine (12) entspannt wird.
10. Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem (7), das eine
Hochdrucksäule (71 ) und eine Niederdrucksäule (72) aufweist, wobei die
Luftzerlegungsanlage ferner aufweist: - einen Hauptverdichter (2), der dafür eingerichtet ist, die der
Luftzerlegungsanlage insgesamt zugeführte Gesamtluftmenge auf einen Hauptverdichterdruck zu verdichten, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule (71 ) eingerichtet ist, - einen Hauptwärmetauscher (6), der dafür eingerichtet ist, einen ersten
Anteil und einen zweiten Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge abzukühlen und Mittel, die dafür eingerichtet sind, diesen ersten und zweiten Anteil der Gesamtluftmenge dem Hauptwärmetauscher (6) warmseitig zuzuführen,
- eine Entspannungsmaschine (12), die dafür eingerichtet ist, zumindest den in dem Hauptwärmetauscher (6) abgekühlten ersten Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge zu entspannen,
Mittel, die dafür eingerichtet sind, zumindest den in dem
Hauptwärmetauscher (6) abgekühlten zweiten Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge zu entspannen, und - Mittel, die dafür eingerichtet sind, den ersten Anteil und den zweiten Anteil der Gesamtluftmenge nach ihrer Entspannung in das
Destillationssäulensystem (7) einzuspeisen, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Luftzerlegungsanlage für einen ersten und einen zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von einer Flüssigproduktmenge zumindest eines der Luftzerlegungsanlage in flüssigem Zustand zu entnehmenden Luftprodukts eingerichtet ist,
- die Luftzerlegungsanlage eine Generatorturbine (30) aufweist, der ein dritter Anteil der auf den Hauptverdichterdruck verdichteten Gesamtluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus in einer größeren Menge als in dem ersten Betriebsmodus zuführbar ist, wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, den dritten Anteil der Gesamtluftmenge nach der
Entspannung in die Atmosphäre abzublasen, und
- zumindest ein flüssiges Luftprodukt der Luftzerlegungsanlage in dem
zweiten Betriebsmodus in einer größeren Flüssigproduktmenge als in dem ersten Betriebsmodus entnehmbar ist, und
Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, den ersten Anteil der Gesamtluftmenge der Entspannungsmaschine (12) höchstens mit einem Druck zuzuführen, bei dem dieser dem Hauptwärmetauscher (6) warmseitig zugeführt wird.
Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 10, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.
Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 11 , die Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind, den dritten Anteil der Gesamtluftmenge in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Flüssigproduktmenge zu der Gasproduktmenge einzustellen.
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