WO2020244801A1 - Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

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    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/50—Oxygen or special cases, e.g. isotope-mixtures or low purity O2
    • F25J2215/52—Oxygen production with multiple purity O2
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    • F25J2215/50—Oxygen or special cases, e.g. isotope-mixtures or low purity O2
    • F25J2215/56—Ultra high purity oxygen, i.e. generally more than 99,9% O2
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    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/52—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams the fluid being oxygen enriched compared to air, e.g. "crude oxygen"
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    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/42—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being nitrogen
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/28—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being argon or crude argon
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
    • F25J2240/44—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/02—Recycle of a stream in general, e.g. a by-pass stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/50—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/02—Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/20—Boiler-condenser with multiple exchanger cores in parallel or with multiple re-boiling or condensing streams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for
  • Air separation plants have rectification column systems that
  • Multi-column systems can be formed.
  • rectification columns for obtaining nitrogen and / or oxygen in liquid and / or gaseous state, i.e. the rectification columns for nitrogen-oxygen separation
  • rectification columns can be provided for obtaining further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon.
  • the terms “rectification” and “distillation” and “column” and “column” or terms composed of these are often used synonymously.
  • the rectification columns of the mentioned rectification column systems are operated at different pressure levels.
  • Known double column systems have a so-called high pressure column (also referred to as a pressure column, medium pressure column or lower column) and a so-called low pressure column (also referred to as an upper column).
  • the high pressure column is typically on a
  • the low-pressure column is operated at a pressure level of typically 1 to 2 bar, in particular about 1.4 bar. In certain cases, both
  • Rectification columns can also be used at higher pressure levels. With the here and The pressures given below are absolute pressures at the top of the columns given.
  • liquid argon can be delivered or evaporated on site, or gaseous argon can be obtained on site.
  • the delivery of liquid argon not only brings economic disadvantages (transport costs, refueling losses, cold losses when evaporating against ambient air), but also makes high demands on the
  • the nitrogen produced should typically only contain about 1 ppb, a maximum of 1000 ppb, oxygen, be essentially free of particles, and be able to be supplied at a pressure level that is clearly above atmospheric.
  • Figures in ppb or ppm relate to the molar proportion.
  • Air separation plants are typically used to extract argon
  • Rectification columns are designed accordingly. Pure argon can then be withdrawn from the crude argon column or a comparable column typically somewhat further below than the fluid conventionally transferred into the pure argon column.
  • the present invention therefore sets itself the task of specifying a method and an air separation plant by means of which, in addition to larger amounts of high-purity, gaseous nitrogen on a clearly
  • argon can also be advantageously provided.
  • Liquids and gases can be rich or poor in one or more components in the parlance used here, with "rich” for a content of at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99% and “poor” can mean a content of no more than 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis.
  • Liquids and gases can also be enriched or depleted in one or more components, these terms referring to a content in a starting liquid or a starting gas from which the liquid or the gas was obtained. Be the liquid or the gas
  • pressure range and "temperature range” to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that corresponding pressures and temperatures in a corresponding system do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values to realize the inventive concept.
  • pressures and temperatures typically move in certain ranges, for example ⁇ 1%, 5%, 10% or 20% around a mean value.
  • Corresponding pressure ranges and temperature ranges can be in disjoint areas or in areas that overlap one another.
  • pressure ranges include, for example, unavoidable or expected pressure losses.
  • the values specified in bar for the pressure ranges are absolute pressures.
  • expansion machines are mentioned here, this is typically understood to mean known turboexpander. These expansion machines can in particular also be coupled to compressors. These compressors can in particular be turbo compressors.
  • a corresponding combination of Turboexpander and turbo-compressor is typically also referred to as “turbine booster". In a turbine booster, the turbo-expander and the turbo-compressor are mechanically coupled, the coupling being able to take place at the same speed (for example via a common shaft) or at different speeds (for example via a suitable transmission gear).
  • compressor is used here in general.
  • a “cold compressor” here denotes a compressor to which a fluid flow is fed in a temperature range well below 0 ° C, in particular below -50, -75 or -100 ° C and down to -150 or -200 ° C.
  • a corresponding fluid flow is particularly cooled to a temperature in this temperature range by means of a main heat exchanger (see below).
  • a “main air compressor” is characterized by the fact that it compresses all of the air that is fed to the air separation plant and separated there. In contrast, in one or more optionally provided further compressors, for example booster compressors, only a portion of this air that has already been previously compressed in the main air compressor is further compressed.
  • the "main heat exchanger" of an air separation plant represents the heat exchanger in which at least the
  • a “heat exchanger” for use in the context of the present invention can be designed in a manner customary in the art. It serves for the indirect transfer of heat between at least two e.g. fluid flows guided in countercurrent to one another, for example a warm compressed air flow and one or more cold ones
  • Fluid flows or a cryogenic liquid air product and one or more warm or warmer, but possibly also cryogenic fluid flows.
  • Heat exchanger can be formed from a single or several heat exchanger sections connected in parallel and / or in series, e.g. from one or more plate heat exchanger blocks. For example, it is one
  • Such a heat exchanger has "passages" which are separated from each other as fluid channels
  • Heat exchange surfaces formed and separated in parallel and by other passages are united to "passage groups".
  • a heat exchanger is characterized by the fact that heat is exchanged between two mobile media in it at a time, namely at least one fluid flow to be cooled and at least one fluid flow to be heated.
  • a “condenser evaporator” is a heat exchanger in which a first, condensing fluid flow enters into indirect heat exchange with a second, evaporating fluid flow.
  • Each condenser evaporator has one
  • Evaporation chambers have liquefaction or evaporation passages.
  • the condensation (liquefaction) of the first fluid flow is carried out in the liquefaction space, and the evaporation of the second fluid flow in the vaporization space.
  • the evaporation and the liquefaction space are formed by groups of passages which are in a heat exchange relationship with one another.
  • This pressure can be generated, for example, by a column of liquid in the feed line to the evaporation chamber. The height of this liquid column corresponds to the pressure loss in the
  • downstream device forwarded and in particular not in a
  • Components "one above the other” is understood here to mean that the upper end of the lower of the two components is at a lower or the same geodetic height as the lower end of the upper of the two components and that the projections of the two apparatus parts intersect in a horizontal plane.
  • the two components are arranged exactly one above the other, that is, the axes of the two components run vertically on the same
  • the axes of the two components do not have to be exactly perpendicular, but can also be offset from one another, especially if one of the two components, for example a rectification column or a column part with a smaller diameter, is to have the same distance from the sheet metal jacket of a coldbox as another with a larger one Diameter.
  • the present invention proposes a method for
  • Cryogenic separation of air in which an air separation plant is used with a column system comprising a first column, a second column, a third column and a fourth column.
  • the first to third columns in the air separation plant according to the invention emerge in particular from the expansion of a classic double column system known from the prior art by an additional column operated at a higher pressure than the conventionally present high pressure column.
  • the first column can be provided in particular structurally separate from the second and third column, wherein the second and third column can in particular be part of a double column and by means of a corresponding one Condenser evaporator, the so-called main condenser, can be in heat-exchanging connection with one another.
  • the second and third column can in particular be part of a double column and by means of a corresponding one Condenser evaporator, the so-called main condenser, can be in heat-exchanging connection with one another.
  • main condenser the so-called main condenser
  • Double columns are formed, can also be supplemented by an additional column in a corresponding multiple column system, or the second and third columns can be provided as separate columns.
  • the main capacitor can be provided as an internal or external main capacitor, as is basically known from the prior art. At Using an internal main condenser, this is at least partially submerged in a bottom liquid in the bottom of the third column and an overhead gas to be condensed from the second column is passed through a
  • a first bottom liquid is formed in the first column
  • a second bottom liquid is formed in the second column
  • a third is formed in the third column
  • Bottom liquid is formed and a fourth bottom liquid is formed in the fourth column.
  • the fourth column in the context of the present invention is used in particular for argon production or
  • the fourth column can in particular be a conventional crude argon column of a known arrangement with crude and pure argon column, but it can also be a modified argon column from which argon is withdrawn in the pure state below the top without using an additional pure argon column.
  • the first column is in a first
  • the second column is operated in a second pressure range below the first pressure range and the third column is operated in a third pressure range below the second (and thus also the first) pressure range.
  • the fourth column can in particular be operated in the third pressure range or in a pressure range which is slightly below this and which can result in particular from pressure losses via the lines connecting the third and fourth columns.
  • Sump liquid is formed and the third sump liquid is formed with a higher oxygen content and a lower argon content than the second sump liquid.
  • the higher argon content of the second sump liquid compared to that of the first sump liquid results from the different
  • the lower argon content in the third column results in particular from the fact that an argon-enriched gas is withdrawn from this third column, as will be explained below.
  • the first oxygen content can be at 28 to 40%, in particular at approx. 34%, the second oxygen content at approx. 45 to 65%, in particular at approx. 55%, and the third oxygen content at approx. 0 to 99.9%, in particular around 99.5%.
  • the respective percentages relate to the molar content of oxygen in a corresponding one
  • the third column is therefore used in the context of the present invention as a pure oxygen column and a corresponding pure oxygen product can be withdrawn from it.
  • the first and the second sump liquid are typically not used as a product, but are further processed in the plant.
  • fluid is generally fed from the first column at least into the second column.
  • the fluid fed into the second column from the first column can in particular comprise bottom liquid from the first column, which is evaporated, expanded and introduced into the second column.
  • fluid can be fed from the first column into the second and into the third column. Fluid from the second column is fed into at least the third column, fluid from the third column is fed into at least the fourth column, and fluid from the fourth column is fed into at least the third column.
  • fluid is “at least” fed into another column from one column, in particular a direct or indirect one
  • the transferred fluids can include overhead gases, bottom liquids and / or side streams of corresponding columns. Under a "side stream" is a
  • a sump liquid is discharged in particular in the form of a liquid substance flow, and an overhead gas in particular in the form of a gaseous substance flow.
  • liquid or gaseous material flows can also be withdrawn, for example, directly above the sump, but still below the lowest separating section or the lowest separating tray.
  • a liquid side stream can, for example, be removed from a liquid retention device or from a storage floor.
  • the fluid fed into the fourth column from the third column comprises at least part of a side stream which is withdrawn from the third column with a lower oxygen content and a higher argon content than the third bottom liquid.
  • the side stream is withdrawn from the third column in particular in the area of the argon transition already explained above, but it can also be withdrawn below the argon transition.
  • a corresponding side stream represents a gas mixture in particular, which has a higher argon content than the bottom liquid and a lower argon content than the top gas.
  • An essential aspect of the present invention is that a reflux liquid is formed by condensing top gas of the first column, and that this reflux liquid is returned in liquid form to the first column.
  • the formation of the reflux liquid “using” the top gas can in particular include removing top gas in gaseous form from the first column, at least this in a condenser evaporator which is also explained in detail below partially liquefied, and a liquid portion at least partially returned to the first column.
  • a liquid cooling stream is evaporated or partially evaporated in indirect heat exchange with the top gas.
  • Gas formed in the cooling stream (any remaining liquid can be separated off beforehand) is furthermore, according to the invention, work-producing to a pressure in the second pressure range, ie the operating pressure of the second column, expanded and fed into the second column.
  • the correspondingly expanded gas can be part of the gas formed during the evaporation or partial evaporation or also only a part thereof.
  • the liquid cooling stream can in particular be provided at a pressure in the first pressure range and before evaporation or
  • Partial evaporation for example by means of a valve, can be expanded to a somewhat lower pressure, for example in a region between the first pressure range and the second pressure range. Another relaxation after the
  • the present invention creates a method with lower energy consumption than methods currently under development. This applies in particular in comparison to known so-called SPECTRA processes and variants thereof.
  • the present invention can, however, as explained for example in connection with FIG. 4, be used in connection with such a SPECTRA method or a variant thereof.
  • a SPECTRA method is known, for example, from EP 2 789 958 A1 and the patent literature cited there. In its simplest form, it is a single-column process. A SPECTRA process can also be expanded to include oxygen and argon production by providing additional columns. SPECTRA processes enable a relatively high nitrogen yield.
  • Condensation of at least a portion of the top gas of the same column is used.
  • Condensed top gas is at least partially returned to the column from which it was previously taken.
  • the fluid to be evaporated can be passed through the condenser evaporator in the form of just one material flow or in the form of two or more separate first material flows.
  • the correspondingly vaporized fluid is partially cold, i.e. using one or more compressors. at a temperature level well below 0 ° C, in particular at a temperature level of -50 ° C or less, compressed and then fed back into the column from which it was previously removed.
  • the one or more compressors can or can with one or more
  • Relaxation machines in particular with one of two relaxation machines arranged in parallel, be coupled and at least partially driven using them.
  • expansion machine or machines a further part of the evaporated fluid is expanded and discharged from the air separation plant.
  • the present invention is based on the knowledge that the potential of a method of the generic type cannot be fully exploited without the measures proposed according to the invention.
  • An indicator for this is or was a still relatively high temperature difference present in such generic processes in a condenser which condenses overhead gas of the first rectification column operating under the highest pressure.
  • this condenser was used as a bath condenser with a relatively high hydrostatic level because of the requirements for the nitrogen product pressure and thus the first pressure level (for example 11 bar; the feed air is correspondingly highly compressed)
  • the process topology with several rectification columns is based on the generation Injection of air (approx. 10-15% of the amount of air used) into the medium-pressure unit, provided for the cooling capacity
  • the present invention proposes that not (or at least not exclusively) a feed air stream into the second rectification column is used to generate the process cooling capacity, but rather one in one
  • Condenser evaporator top condenser of the first rectification column evaporating stream, namely the stream referred to here as "cooling stream".
  • An essential aspect of the present invention consists inter alia in the utilization of the differential pressure between the operating pressure of the second
  • Rectification column i.e. the corresponding to the second pressure range
  • evaporation pressure in the one used for condensing the top gas
  • Condenser for generating the cold and reducing the air "blown amount" into the second rectification column.
  • the evaporation pressure in the condenser mentioned becomes higher (and thus the better for the process of refrigeration), the lower the temperature difference in the condenser.
  • the capacitor is therefore advantageously not as
  • Bath condenser but in particular designed as a forced flow condenser with the lowest possible minimum temperature difference.
  • a forced flow condenser evaporator is advantageously used.
  • forced-flow condenser evaporator express reference is made to the explanations above.
  • a further liquid cooling stream is evaporated or partially evaporated in indirect heat exchange against the top gas to condense the top gas of the first column, with the further cooling stream coming out above the bottom taken from the first column and after evaporation or
  • Partial evaporation is at least partially compressed and returned to the first column.
  • the vaporized further cooling flow or a part thereof is compressed in particular in one or more compressors that are mechanically coupled to one or more expansion machines and, in particular, are additionally braked.
  • the compression takes place in particular on one
  • Expansion machines compress, in particular, a remainder of the cooling flow formed from the bottom liquid of the first column, which is not compressed and is returned to the second column. This compressed remainder is in particular compressed to a pressure in the first pressure range and into the first column
  • the mentioned first pressure range is in particular from 9 to 12 bar
  • the second pressure range in particular from 4 to 6.5 bar
  • the third pressure range in particular from 1 to 2 bar.
  • the third pressure range can, however, also be reduced further, in particular by 50 to 200 mbar, for example compared to the pressure value of 1.4 bar mentioned at the beginning with regard to conventional air separation plants.
  • the second pressure range can also be reduced by 120 to 500 mbar, for example compared to the value of 5.3 bar mentioned at the beginning.
  • a corresponding pressure reduction is possible in particular when, as explained below, gas from an evaporation chamber
  • Condenser evaporator the top gas of the fourth column condensed as Regeneration gas is used. The driving temperature difference in this condenser evaporator is also reduced.
  • the refrigeration capacity can be increased accordingly by increasing the pressure difference between the first pressure range and the second pressure range or lowering the outlet pressure during expansion.
  • the pressure specifications here denote absolute pressures at the top of the columns.
  • the first pressure range is thus above a pressure which is conventionally used for a high pressure column in an air separation plant.
  • the second column can in particular be operated at a lower pressure range than that conventionally in one
  • High pressure column used in the air separation plant In principle, however, it can also be the same pressure.
  • Cooling stream used cooling stream is formed using the first bottom liquid of the first column, no pump is necessary for pumping liquid nitrogen due to the existing pressure conditions. This means that there is less heat input into the low-temperature system and, in contrast to the use of a fluid that is more oxygen-rich, there is a higher driving temperature difference due to the lower oxygen content in the evaporating liquid. This enables a higher evaporation pressure and the turbine output is increased accordingly.
  • an energy advantage of 5-6%, based on the performance of the main air compressor, can be achieved by increasing the yield of nitrogen product and the recovery of turbine power compared to the aforementioned, likewise possible expansion of feed air instead of the evaporated cooling stream .
  • This can correspond to a reduced energy consumption of, for example, approx. 500 kW and thus a TCO (Total Cost of Ownership) cost reduction of over EUR 1 million.
  • TCO Total Cost of Ownership
  • a smaller amount of air is required overall, which leads to a smaller “warm” part of the system.
  • a smaller main heat exchanger can also be used (the kF value is approx. 6% lower with the same MTD value). If a forced flow condenser evaporator is used, there is no enrichment of flammable hydrocarbons due to the relatively high evaporation pressure (typically more than 7 bar).
  • the present invention can provide different possibilities for temperature control or non-temperature control of the cooling stream, each of which can offer certain energetic advantages. This can be done with the evaporation or partial evaporation of the
  • Cooling stream formed gas which is expanded to perform work and fed into the second column, are heated before the expansion.
  • the main heat exchanger of the air separation plant can be used for this purpose.
  • the feed streams can be cooled by means of appropriate cold and the heat exchanger profile can be adapted accordingly. That at the
  • Evaporation or partial evaporation of the cooling stream which is expanded to perform work and is fed into the second column, but can also be supplied to the expansion at a temperature at which it is present after the evaporation or partial evaporation; so there is no further temperature control in this embodiment.
  • Evaporation or partial evaporation of the cooling stream which is expanded to perform work and is fed into the second column, but can also be supplied to the expansion at a temperature at which it is present after the evaporation or partial evaporation; so there is no further temperature control in this embodiment.
  • Boundary conditions can also offer energetic advantages, the gas formed during the evaporation or partial evaporation of the cooling stream, which is expanded to perform work and fed into the second column, can be fed into the second column at a temperature at which it is taken from an expansion machine used for expansion will. Alternatively, you can warm up after relaxation.
  • Overhead gas of the fourth column is particularly preferred in the context of a
  • Condensation space of a condenser evaporator condenses, its
  • a gas mixture is removed from the evaporation chamber.
  • Part of this gas mixture and / or also at least part of the residual gas from the upper region of the third column, i.e. at least part of a gas mixture which is withdrawn from the third column, can be used in one embodiment of the present invention to form a recycle stream and thereby heated, compressed, cooled and fed into the second column.
  • the main heat exchanger can be used for heating and cooling the recycle stream mentioned
  • Air separation plant can be used.
  • a (further) part of the gas mixture from the evaporation chamber of the condenser evaporator can also be used as a regeneration gas for an adsorber, in which feed air that is fed to the column system is processed. This can take place in particular with a corresponding evaporation pressure.
  • the aforementioned adsorber is operated in particular without the use of regeneration gas, which is taken from the third column and fed to the adsorber in the same composition as there.
  • gas from the upper region of the third column and gas from the lower region of this column can be combined and heated as a common stream in the main heat exchanger and as
  • Regeneration gas can be used.
  • At least part of the gas mixture that is in the evaporation space of the condenser evaporator is taken, used as a first regeneration gas portion, and at least part of the gas or the gas mixture mentioned, which is withdrawn from the third column, is used as a second regeneration gas portion.
  • the second regeneration gas component is provided at a lower pressure than the first, compressed and combined with the first regeneration gas component before it is fed to the adsorber. So it is combined residual gas from the third column and gas from a top condenser of the argon column.
  • the embodiment just explained has advantages in particular when no refrigeration machine is used for pre-cooling and therefore the need for regeneration gas is comparatively high. In such cases it can happen that the amount of gas from the condenser evaporator is insufficient as the amount of regeneration gas. Therefore, a partial flow of the residual gas from the low-pressure column (i.e. the third column) is recompressed (the pressure difference is approx. 50 to 200 mbar) and combined with the other flow. There are also advantages if the
  • the air inlet temperature into the molecular sieve i.e. the adsorber
  • the hydrogen removal on the special layer provided for this with a catalyst in the adsorber
  • the amount of gas from the condenser evaporator is not sufficient as the amount of regeneration gas.
  • the evaporation chamber of the condenser evaporator in whose condensation chamber the top gas of the fourth column is at least partially condensed, is supplied with a portion of the first bottom liquid and subjected to partial evaporation, the aforementioned gas mixture being formed in this partial evaporation.
  • a top condenser of a crude argon column or the only existing argon column is cooled using bottom liquid from the first column. If a pure argon column is available as the fifth column, its top condenser can also be cooled using a corresponding bottom liquid, as explained below.
  • evaporated and non-evaporated portions of the bottom liquid from the first column which are in the condenser evaporator or evaporators of the fourth or fourth column and fifth column were used, then also at least partially transferred into the third column (possibly minus the portion used in the adsorber), namely at a position which corresponds to the oxygen content and argon content of these fluids.
  • the vaporized and non-vaporized fractions can therefore be fed into the third column at essentially the same point.
  • the streams mentioned can be combined or transferred separately from one another into the third column.
  • the fluid transferred from the first column to the third column thus comprises corresponding liquid, ie at least part of the first bottom liquid which was used to cool the top condenser or condensers of the fourth or fourth and fifth columns. If necessary, it is also possible to dispense with feeding vaporized fractions from the top condenser or condensers and these vaporized fractions are carried out from the process without being fed into the third column, as mentioned for the case of the recycle stream and the fraction used in the adsorber. In this case, too, part of the first bottom liquid is fed into the third column with the non-evaporated liquid.
  • the fluid fed from the second column into the third column can comprise at least part of the second bottom liquid which is transferred from the second column to the third column without using a pump.
  • corresponding bottom liquid can be transferred into the third column only on the basis of the pressure difference between the second and the third column. However, it can be subcooled beforehand or during the transfer against further currents using a subcooling countercurrent.
  • Top gas can be withdrawn from the first column at a defined withdrawal position and discharged from the air separation plant as a nitrogen pressure product in a corresponding pressure range.
  • the present invention can be used in combination with a
  • Pure argon column can be used, that is to say a fifth column into which the fluid from the fourth column is transferred, the fluid transferred from the fourth column having an argon content which is higher than that from the third column
  • the fifth column is therefore used in the context of the present invention, as is fundamentally known from the field of air separation technology, to obtain a corresponding argon product.
  • the top gas of the fifth column is condensed by means of a further condenser evaporator, in which a further portion of the second
  • the side stream which in the context of the present invention is formed with a lower oxygen content and a higher argon content than the third bottom liquid and is withdrawn from the third column, can, in particular, obtain an oxygen-depleted gas mixture and an oxygen-rich one
  • Liquid are subjected to processing in a further column, with at least a portion of the oxygen-depleted gas mixture from the further column being able to be fed into the fourth column.
  • part of the side stream reaches the fourth column via the detour of the further column.
  • the further column is in particular designed in two parts and comprises two parts arranged one above the other, which are separated by a fluid-tight separating tray, the oxygen-depleted gas mixture at least at the top of the upper part, but possibly also at the top of the lower part, and the oxygen-rich liquid is taken from the sump of the lower part.
  • the side stream from the third column is fed, in particular in gaseous form, into a lower region of the upper part.
  • liquid is withdrawn from the bottom of the upper part and returned to the third column.
  • Bottom liquid from the fourth column is given up as reflux, in particular at the top of the upper part, but can also be partly given up as reflux on the lower part.
  • the lower part fulfills the function of a (high-purity) oxygen column.
  • Air separation plant set up to carry out a process as previously described in different configurations has been explained, and this has each set up means.
  • Air separation plant is expressly referred to the explanations relating to the method according to the invention.
  • FIGS. 1 to 4 air separation plants are shown which each correspond to configurations of the present invention insofar as they fall under the scope of the patent claims and otherwise relate to the technical background and / or configurations not according to the invention.
  • the air separation plants according to FIGS. 1 to 4 are each designated as a whole with the reference numerals 100 to 400.
  • the air separation plant 500 illustrated in FIG. 5 is shown as a variant of the air separation plant 100 illustrated in FIG. 1.
  • the aspects illustrated here can nevertheless also be implemented in other systems, in particular systems 200 to 400.
  • All of the air separation plants 100 to 400 shown in FIGS. 1 to 4 are equipped with a column system which, regardless of the different design and possibly different number of columns, is each designated overall by 10.
  • the column systems 10 each have a first column 11, a second column 12, a third column 13 and a fourth column 14.
  • the second column 12 and the third column 13 are each part of one
  • Double column basically of a known type.
  • the first column 11 is formed separately from the second column 12 and the third column 13.
  • the first column 11 is equipped with a condenser-evaporator 111 which is used for the condensation of top gas from the first column 11 and, in the configurations according to FIGS. 1 to 3, is more classic
  • Head capacitor is formed.
  • bottom liquid from the first column 11 is fed into the condenser evaporator 111, which is designed as a forced flow condenser evaporator in the illustrated examples, and is conveyed without the use of a pump.
  • Bottom liquid is formed from the first column 11, evaporated against the top gas of the first column 11 or partially evaporated.
  • Partial evaporation of the cooling flow is formed by means of a
  • Expansion machine 5 expanded to a pressure in the second pressure range, performing work, and fed into the second column 12.
  • the second column 12 and the third column 13 stand in via an internal condenser-evaporator 121, the so-called main condenser
  • the main condenser 121 serves on the one hand to condense an overhead gas of the second column 12 and
  • the second column 12 and the third column 13 can also be formed separately.
  • the main capacitor 121 can alternatively also be formed on the outside. Different types of
  • Condenser evaporators can be used as the main condensers 121.
  • the fourth column 14 is used in all air separation plants 100 to 400 according to FIGS. 1 to 4 for the extraction of argon.
  • the systems 100 to 400 are each designed to remove an argon product from the fourth column 14.
  • Crude argon columns and corresponding modifications reference is also made to the above citations from the specialist literature.
  • the fourth column is equipped with a condenser-evaporator (top condenser) 141 which condenses top gas.
  • this is cooled with part of the bottom liquid from the first column 11, whereas in the configuration according to FIG. 4, bottom liquid from the second column 12 is used for this purpose.
  • the sump liquid used in each case is subcooled beforehand by a subcooling countercurrent 18.
  • Head condenser 141 unevaporated portion is illustrated in the here
  • a vaporized portion is used to regenerate an adsorber and, in the case of the air separation plant 300 according to FIG. 3, to form a return flow, as will be explained below.
  • a further column 15 is provided in which a mass transfer between a portion of a bottom stream from the fourth column 14 and a side stream from the third column 13 and a portion of the bottom stream from the fourth Column 14 is depleted in more volatile components.
  • the further column 15 has an upper and a lower area which are functionally completely separated from one another. Further details are explained below.
  • the further column 15 is designed with a condenser evaporator 152, which is heated with top gas from the second column 12.
  • Air separation plants 100 to 300 according to FIGS. 1 to 3 have a pump 19 which conveys bottom liquid from the fourth column 14 back into the further column 15.
  • a bottom liquid is formed in the first column 11, which here is the first
  • Sump liquid is called.
  • the second column 12 are accordingly a second bottom liquid, a third bottom liquid in the third column 13 and a fourth bottom liquid in the fourth column 14.
  • the first column 11 is in a first pressure range, the second column 12 in a second
  • the second sump liquid will have a higher oxygen content and a higher one
  • fluid is transferred from the first column 11 into the second column 12 (and in the air separation plants 100 to 300 according to FIGS. 1 to 3 also into the third column 13) fed in. Furthermore, fluid is fed from the second column 12 into the third column 13 and fluid is fed from the fourth column 14 into the third column 13.
  • the fluid fed from the third column 13 into the fourth column 14 comprises at least a part of a side stream which has a lower oxygen content and a higher argon content than the second bottom liquid from the third column 13 is removed.
  • a feed air stream a is sucked in from the atmosphere generally designated here by A by means of a main air compressor 1 via a filter which is not separately designated and is shown hatched, in FIG an aftercooler, also not separately designated, and fed to a direct contact cooler 2, which is operated with cooling water W.
  • the feed air stream is freed from water and carbon dioxide in an adsorption device 3 in a manner which has been described many times in the literature.
  • Adsorption device 3 previously also generally referred to as "adsorber" can be regenerated by means of a regeneration gas flow z. The formation of the
  • the correspondingly treated and thus purified feed air stream is fed to a main heat exchanger 4 on the warm side.
  • the feed air stream a is withdrawn from the main heat exchanger 4 on the cold side or near its cold end and fed into the first column 11.
  • the bottom liquid of the first column 11 is withdrawn from this and divided into two substreams d and e in the air separation plants 100 to 300 according to FIGS. 1 to 3.
  • the substream d is fed into the condenser evaporator 111 and evaporated in the process.
  • the vaporized substream d is then partially heated in the main heat exchanger 4 and then expanded to the operating pressure of the second column 12 in an expansion machine 5, which is coupled to a generator G, and fed into this second column 12 in a lower region.
  • the treatment of the sump liquid in the air separation plant 400 according to FIG. 4 differs from this. Please refer to the specific explanations below.
  • the partial flow e is conducted in the air separation plants 100 to 300 according to FIGS. 1 to 3 through the subcooling countercurrent 18 and then through the condenser evaporator 141.
  • a part can also, as in the form of a
  • Linkage f illustrated are fed into the second column 12.
  • Gas generated in the top condenser 141 may be different from that already mentioned
  • Regeneration gas stream z can be used. This is done first in the
  • the top gas of the first column 11 is partly conducted in the form of a stream h through the condensation space of the top condenser 111 and returned to the first column 11 as a liquid reflux. Another portion is in the form of a
  • the bottom liquid of the second column 12 is withdrawn therefrom in the form of a stream j, passed through the subcooling countercurrent 18, and fed into the third column 13.
  • the material flow j is passed through the condenser evaporator 141 for cooling as an alternative to the material flow e (see above).
  • Gas formed in the air separation plant 400 can also be used here as a regeneration gas stream, which is also designated with z for the sake of simplicity.
  • gas from the top condenser 141 or its evaporation space is also fed into the third column 13.
  • a portion which remains liquid is fed into the third column 13, as also illustrated in FIG. 4 in the form of a stream g.
  • the top gas of the second column 12 is partly conducted in the form of a stream k through the condensation space of the main condenser 121, liquefied there and partly returned to the second column 12 as a liquid reflux. Another part is in the form of a material flow I in the condensation chamber of the
  • Condensation chamber of the main condenser 121 combined liquefied portion, as illustrated in the form of link I.
  • Corresponding liquid can also be fed into the first column 11 as return flow by means of a pump 6.
  • the pump 6 conveys a liquid, nitrogen-rich stream b, which is withdrawn from the second column 12 in an upper region.
  • Another portion of overhead gas from the second column 12 is in the examples according to Figures 1 to 3 carried out in the form of a stream c from the plant.
  • the liquefied portion of the stream k and the stream I are not combined. Rather, portions of the stream k are fed separately to the second column 12 and the third column 13 after liquefaction. The stream I is fed into the third column 13 separately.
  • the bottom liquid of the third column 13 is withdrawn from this in the form of a material flow o, brought to liquid pressure by means of an internal compression pump 7, converted into the gaseous or critical state by heating in the main heat exchanger 4 and as a gaseous oxygen pressure product from the
  • Air separation unit 100 diverted or otherwise used.
  • gas withdrawn from the third column 13 in the form of a stream p above the sump becomes one with residual gas from the third column 13 (see below)
  • the top gas of the third column 13 is passed in the form of a stream r through the subcooling countercurrent 18 and combined in the air separation plants 100 to 300 according to FIGS. 1 to 3 with the stream o, as mentioned, to form the collective stream q.
  • a separate one takes place in the air separation plant 400 according to FIG. 4, a separate one takes place
  • a side stream t is also withdrawn in gaseous form from the third column 13 and initially fed into an upper part of the further column 15.
  • a material flow u is returned in liquid form to the third column 13.
  • In the upper part of the further column 15 is a
  • Substance exchange is carried out with bottom liquid from the fourth column 14, which is applied in liquid form in the air separation plants 100 to 300 according to FIGS. 1 to 3 in the form of a mass flow v into the upper and lower part of the further column 15.
  • the air separation plant 400 according to FIG. 1 is applied in liquid form in the air separation plants 100 to 300 according to FIGS. 1 to 3 in the form of a mass flow v into the upper and lower part of the further column 15.
  • Stream w is fed into the fourth column 14.
  • the fourth column 14 is only fed with a gas stream w ′ from the upper part of the further column 15.
  • Liquid exchange between the upper and lower part of the further column 15 takes place here in the form of the streams w "and w '".
  • part of the side stream t is ultimately fed into the fourth column 14 and from this part of the bottom liquid is ultimately returned to the third column 13.
  • the further column 15 can, for example, also be arranged above the top condenser 111 of the first column 11.
  • a material flow also designated by x for the sake of clarity, is taken from the tank system T, evaporated in the main heat exchanger 4 and implemented as a highly pure, gaseous oxygen product.
  • argon-rich liquid is withdrawn in the form of a substance flow y by means of a further internal compression pump 8, brought to liquid pressure, converted into the gaseous or critical state by heating in the main heat exchanger 4, and as a gaseous argon pressure product from
  • Air separation unit 100 diverted or otherwise used.
  • Air separation plant 400 according to FIG. 4 also shows a corresponding tank system T ′ in this context.
  • Liquid nitrogen, liquid oxygen (possibly also with different purities) and liquid argon can be provided as further products of the system 100, as is known in principle and shown for example in the form of a partial flow of the liquefied top gas h of the first column 11.
  • liquid nitrogen, liquid oxygen (possibly also with different purities) and liquid argon can be provided as further products of the system 100, as is known in principle and shown for example in the form of a partial flow of the liquefied top gas h of the first column 11.
  • Air separation plant 400 according to FIG. 4 also shows a liquid nitrogen feed into the condenser evaporator 111 based on a material flow h '.
  • the air separation plant 200 constructed in this way differs from the air separation plant shown in FIG. 1 essentially in that the material flow d is not heated before it is expanded in the expansion machine 8.
  • the air separation plant 300 illustrated in FIG. 3 differs from the air separation plant 200 shown in FIG Main heat exchanger 4 is cooled and fed into the second column 12.
  • the air separation plant 300 can otherwise also be the same as the air separation plant 100 illustrated in FIG. 1.
  • the air separation plant 400 shown in FIG. 4 illustrates the
  • Part of the stream d is expanded in the expansion machine 5, which is coupled to a generator G, and, as mentioned (see link D), is fed into the second column 12.
  • the remainder of the material flow d is partially heated in the main heat exchanger 4 and then in another
  • Relaxation machine 401 which is coupled to a compressor 402 and a brake 403, relaxes. Subsequently, a diversion from the
  • Air separation plant 400 Part of the liquefied material flow h is discharged in liquid form and, if necessary, subcooled against part of the same material flow in a subcooler 404. The portion used for subcooling can be combined with the relaxed remainder of the stream d.
  • Condenser evaporator 111 at least in part, a compression in the compressor 402 subjected, cooled again in the main heat exchanger 4 and returned to the first column 11.
  • the air separation plant 500 shown in FIG. 5 is illustrated as a variant of the air separation plant 100 according to FIG. She stands out

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem eine Luftzerlegungsanlage (100-500) mit einem Kolonnensystem (10) verwendet wird, das eine erste Kolonne (11), eine zweite Kolonne (12), eine dritte Kolonne (13) und eine vierte Kolonne (14) aufweist, wobei Fluid aus der ersten Kolonne (11) zumindest in die zweite Kolonne (12), Fluid aus der zweiten Kolonne (12) zumindest in die dritte Kolonne (13), Fluid aus der dritten Kolonne (13) zumindest in die vierte Kolonne (14) und Fluid aus der vierten Kolonne (14) zumindest in die dritte Kolonne (13) eingespeist wird, und wobei das aus der dritten Kolonne (13) in die vierte Kolonne (14) eingespeiste Fluid zumindest einen Teil eines Seitenstroms umfasst, der mit einem geringeren Sauerstoffgehalt und einem höheren Argongehalt als die dritte Sumpfflüssigkeit aus der dritten Kolonne (13) entnommen wird. Es ist vorgesehen, dass durch ein Kondensieren von Kopfgas durch Kondensieren von Kopfgas der ersten Kolonne (11) eine Rücklaufflüssigkeit gebildet wird und diese flüssig auf die erste Kolonne (11) zurückgeführt wird. Zum Kondensieren des Kopfgases der ersten Kolonne (11) wird einen flüssiger Kühlstrom bereitgestellt und im indirekten Wärmetausch gegen das Kopfgas verdampft oder teilverdampft, und bei der Verdampfung oder Teilverdampfung des Kühlstroms gebildetes Gas wird arbeitsleistend auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich entspannt und in die zweite Kolonne (12) eingespeist. Eine entsprechende Anlage (100-500) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur
Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen
Patentansprüche.
Stand der Technik
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und
beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH,
2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die
herkömmlicherweise beispielsweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelkolonnensysteme, aber auch als Drei- oder
Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben den Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Häufig werden dabei die Begriffe "Rektifikation" und "Destillation" sowie "Kolonne" und "Säule" bzw. hieraus zusammengesetzte Begriffe synonym verwendet.
Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Hochdruckkolonne (auch als Druckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (auch als obere Kolonne bezeichnet) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem
Druckniveau von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die
Niederdruckkolonne wird auf einem Druckniveau von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1 ,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in beiden
Rektifikationskolonnen auch höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen.
Insbesondere zur Versorgung von Halbleiterwerken (sogenannten Fabs) wird neben gasförmigem, hochreinem und möglichst partikelfreiem Stickstoff und ggf. Sauerstoff zunehmend auch die Versorgung mit vergleichsweise geringen Mengen an
gasförmigem Argon gewünscht. Hierzu kann entweder Flüssigargon angeliefert oder und vor Ort verdampft werden, oder es kann eine Gewinnung von gasförmigem Argon vor Ort erfolgen. Die Anlieferung von Flüssigargon bringt nicht nur ökonomische Nachteile (Transportkosten, Umtankverluste, Kälteverluste bei Verdampfung gegen Umgebungsluft) mit sich, sondern stellt auch hohe Anforderungen an die
Zuverlässigkeit der Logistikkette. Daher werden für die genannten Anwendungsgebiete zunehmend Anlagen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft nachgefragt, die neben größeren Mengen an gasförmigem, hochreinem Stickstoff auch kleinere Mengen an gasförmigem Argon liefern können. Der produzierte Stickstoff sollte typischerweise nur ca. 1 ppb, maximal 1000 ppb, Sauerstoff aufweisen, im Wesentlichen partikelfrei sein, und auf einem deutlich überatmosphärischen Druckniveau geliefert werden können. Angaben in ppb bzw. ppm beziehen sich hier auf den molaren Anteil.
Zur Argongewinnung werden typischerweise Luftzerlegungsanlagen mit
Doppelkolonnensystemen und sogenannten Roh- und ggf. sogenannten
Reinargonkolonnen eingesetzt. Ein Beispiel ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A veranschaulicht und ab Seite 26 im Abschnitt "Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column" sowie ab Seite 29 im Abschnitt "Cryogenic Production of Pure Argon" beschrieben. Grundsätzlich kann in entsprechenden Anlagen auch auf eine Reinargonkolonne verzichtet werden, wenn die betreffenden
Rektifikationskolonnen entsprechend ausgebildet werden. Reinargon kann dann aus der Rohargonkolonne bzw. einer vergleichbaren Kolonne typischerweise etwas weiter unterhalb als das herkömmlicherweise in die Reinargonkolonne überführte Fluid abgezogen werden.
Auch wenn nur vergleichsweise geringe Argonmengen nachgefragt werden, muss herkömmlicherweise dennoch für die Produktion des gasförmigen Argons eine komplette (d.h. mit klassischer Niederdruckkolonne zur Sauerstoffgewinnung ausgestattete) Luftzerlegungsanlage mit Doppelkolonne und Argonrektifikation installiert werden, wie sie zuvor erläutert wurde. Die Erzeugung von Stickstoff auf einem deutlich überatmosphärischen Druckniveau bei gleichzeitig großen
Produktionsmengen ist in derartigen Anlagen mit vernünftigen Ausbeuten nicht möglich. Der Stickstoff fällt hier zum Großteil als Niederdruckprodukt an und muss verdichtet werden. Der restliche Teil kann unter Drucksäulendruck gewonnen werden, muss aber in meisten Fällen ebenfalls nachverdichtet werden. In alternativen
Anlagenkonfigurationen, in denen ausschließlich die Hochdruckkolonne zur
Stickstoffproduktion verwendet wird kann zwar die Verdichtung von Stickstoff aus der Niederdruckkolonne entfallen, jedoch nicht der Nachverdichter. Außerdem liegen hier in der Regel schlechte Stickstoffausbeuten vor und entsprechende Anlagen sind auch nicht gut für die Argonproduktion geeignet
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Luftzerlegungsanlage anzugeben, mittels welchem bzw. welcher neben größeren Mengen an hochreinem, gasförmigem Stickstoff auf einem deutlich
überatmosphärischen Druckniveau auch Argon in vorteilhafter Weise bereitgestellt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung näher erläutert und nachfolgend verwendete Begriffe definiert.
Die in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus", beschrieben. Sofern die nachfolgenden Definitionen nicht hiervon abweichen, wird daher zum Sprachgebrauch, der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, ausdrücklich auf die zitierte Fachliteratur verwiesen. Flüssigkeiten und Gase können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder an mehreren Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der Definition von "reich" entsprechen. Flüssigkeiten und Gase können ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen Gehalt in einer Ausgangsflüssigkeit oder einem Ausgangsgas beziehen, aus der oder dem die Flüssigkeit oder das Gas gewonnen wurde. Die Flüssigkeit oder das Gas sei
"angereichert", wenn diese oder dieses zumindest den 1 ,1 -fachen, 1 ,5-fachen, 2- fachen, 5-fachen, 10-fachen 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, und "abgereichert", wenn diese oder dieses höchstens den 0,9-fachen, 0, 5-fachen, 0,1-fachen, 0,01 - fachen oder 0,001 -fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf die Ausgangsflüssigkeit oder das Ausgangsgas, enthält. Ist hier beispielsweise von "Sauerstoff", "Stickstoff" oder "Argon" die Rede, sei hierunter auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, die bzw. das reich an Sauerstoff, Stickstoff oder Argon ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss.
Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckbereich" und "Temperaturbereich", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5%, 10% oder 20% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckbereiche und Temperaturbereiche können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckbereiche unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturbereiche. Bei den bezüglich der Druckbereiche in bar angegebenen Werten handelt es sich um Absolutdrücke.
Ist hier von "Entspannungsmaschinen" die Rede, seien darunter typischerweise bekannte Turboexpander verstanden. Diese Entspannungsmaschinen können insbesondere auch mit Verdichtern gekoppelt sein. Bei diesen Verdichtern kann es sich insbesondere um Turboverdichter handeln. Eine entsprechende Kombination aus Turboexpander und Turboverdichter wird typischerweise auch als "Turbinenbooster" bezeichnet. In einem Turbinenbooster sind der Turboexpander und der Turboverdichter mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein geeignetes übersetzendes Getriebe) erfolgen kann. Allgemein wird hier der Begriff "Verdichter" verwendet. Ein "Kaltverdichter" bezeichnet dabei hier einen Verdichter, dem ein Fluidstrom in einem Temperaturbereich deutlich unterhalb von 0 °C, insbesondere unterhalb von -50, -75 oder -100 °C und bis zu -150 oder -200 °C zugeführt wird. Ein entsprechender Fluidstrom wird insbesondere mittels eines Hauptwärmetauschers (siehe sogleich) auf eine Temperatur in diesem Temperaturbereich abgekühlt.
Ein "Hauptluftverdichter" zeichnet sich dadurch aus, dass durch ihn die gesamte, der Luftzerlegungsanlage zugeführte und dort zerlegte Luft verdichtet wird. Hingegen wird in einem oder mehreren optional vorgesehenen weiteren Verdichtern, beispielsweise Nachverdichtern, nur jeweils ein Anteil dieser bereits zuvor im Hauptluftverdichter verdichteten Luft weiter verdichtet. Entsprechend stellt der "Hauptwärmetauscher" einer Luftzerlegungsanlage den Wärmetauscher dar, in dem zumindest der
überwiegende Anteil der der Luftzerlegungsanlage zugeführten und dort zerlegten Luft abgekühlt wird. Dies erfolgt zumindest zum Teil im Gegenstrom zu Stoffströme, die aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Solche "ausgeleiteten" Stoffströme oder "Produkte" sind im hier verwendeten Sprachgebrauch Fluide, die nicht mehr an anlageninternen Kreisläufen teilnehmen, sondern diesen dauerhaft entzogen werden.
Ein "Wärmetauscher" zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in fachüblicher Art ausgebildet sein. Er dient zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei z.B. im Gegenstrom zueinander geführten Fluidströmen, beispielsweise einem warmen Druckluftstrom und einem oder mehreren kalten
Fluidströmen oder einem tiefkalten flüssigen Luftprodukt und einem oder mehreren warmen bzw. wärmeren, ggf. aber auch noch tiefkalten Fluidströmen. Ein
Wärmetauscher kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Es handelt sich beispielsweise um einen
Plattenwärmetauscher (engl. Plate Fin Heat Exchanger). Ein derartiger Wärmetauscher weist "Passagen" auf, die als voneinander getrennte Fluidkanäle mit
Wärmeaustauschflächen ausgebildet und parallel und durch andere Passagen getrennt zu "Passagengruppen" zusammengeschlossen sind. Kennzeichen eines Wärmetauschers ist, dass in ihm zu einem Zeitpunkt Wärme zwischen zwei mobilen Medien ausgetauscht wird, nämlich wenigstens einem abzukühlenden und wenigstens einem zu erwärmenden Fluidstrom.
Als "Kondensatorverdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensatorverdampfer weist einen
Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf. Verflüssigungs- und
Verdampfungsraum weisen Verflüssigungs- bzw. Verdampfungspassagen auf. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Der Verdampfungs- und der Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
In einem "Forced-Flow"-Kondensatorverdampfer wird ein Flüssigkeits- oder
Zweiphasenstrom mittels seines eigenen Drucks durch den Verdampfungsraum gedrückt und dort partiell oder vollständig verdampft. Dieser Druck kann beispielsweise durch eine Flüssigkeitssäule in der Zuleitung zum Verdampfungsraum erzeugt werden. Die Höhe dieser Flüssigsäule entspricht dabei dem Druckverlust im
Verdampfungsraum. Das aus dem Verdampfungsraum austretende Gas- Flüssigkeitsgemisch wird in einem "Once Through"-Kondensatorverdampfer dieser Art nach Phasen getrennt direkt zum nächsten Verfahrensschritt bzw. zu einer
stromabwärtigen Vorrichtung weitergeleitet und insbesondere nicht in ein
Flüssigkeitsbad des Kondensatorverdampfers eingeleitet, von dem der flüssig verbliebene Anteil erneut angesaugt würde.
Die relativen räumlichen Begriffe "oben", "unten", "über", "unter", "oberhalb",
"unterhalb", "neben", "nebeneinander", "vertikal", "horizontal" etc. beziehen sich hier auf die räumliche Ausrichtung der Rektifikationskolonnen einer Luftzerlegungsanlage oder anderer Komponenten im Normalbetrieb. Unter einer Anordnung zweier
Komponenten "übereinander" wird hier verstanden, dass das sich obere Ende der unteren der beiden Komponenten auf niedrigerer oder gleicher geodätischer Höhe befindet wie das untere Ende der oberen der beiden Komponenten und sich die Projektionen der beiden Apparateteile in einer horizontalen Ebene überschneiden. Insbesondere sind die beiden Komponenten genau übereinander angeordnet, das heißt die Achsen der beiden Komponenten verlaufen auf derselben vertikalen
Geraden. Die Achsen der beiden Komponenten müssen jedoch nicht genau senkrecht übereinander liegen, sondern können auch gegeneinander versetzt sein, insbesondere wenn einer der beiden Komponenten, beispielsweise eine Rektifikationskolonne oder ein Kolonnenteil mit geringerem Durchmesser, denselben Abstand zum Blechmantel einer Coldbox aufweisen soll wie ein anderer mit größerem Durchmesser.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund ein Verfahren zur
Tieftemperaturzerlegung von Luft vor, bei dem eine Luftzerlegungsanlage mit einem Kolonnensystem verwendet wird, das eine erste Kolonne, eine zweite Kolonne, eine dritte Kolonne und eine vierte Kolonne aufweist.
Die erste bis dritte Kolonne gehen in der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage insbesondere aus der Erweiterung eines klassischen, aus dem Stand der Technik bekannten Doppelkolonnensystems um eine zusätzliche, auf einem höheren Druck als die herkömmlicherweise vorhandene Hochdruckkolonne betriebene Kolonne hervor.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert, die erste Kolonne insbesondere baulich separat zur zweiten und dritten Kolonne bereitgestellt sein, wobei die zweite und die dritte Kolonne insbesondere Teil einer Doppelkolonne sein können und mittels eines entsprechenden Kondensatorverdampfers, dem sogenannten Hauptkondensator, in wärmetauschender Verbindung miteinander stehen können. Es können jedoch auch abweichende Anordnungen hiervon getroffen werden; die vorliegende Erfindung ist durch die soeben vorgenommenen Erläuterungen nicht beschränkt.
Insbesondere können die zweite und die dritte Kolonne, die als Teil einer
Doppelkolonne ausgebildet sind, in einem entsprechenden Mehrfachkolonnensystem auch um eine zusätzliche Kolonne ergänzt werden, oder die zweite und die dritte Kolonne können als separate Kolonnen bereitgestellt werden. Der erwähnte
Hauptkondensator kann als innenliegender oder als außenliegender Hauptkondensator bereitgestellt werden, wie grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Einsatz eines innenliegenden Hauptkondensators ist dieser zumindest teilweise in einer Sumpfflüssigkeit im Sumpf der dritten Kolonne untergetaucht und ein zu kondensierendes Kopfgas aus der zweiten Kolonne wird durch einen
Kondensationsraum des Hauptkondensators geführt.
Wie ebenfalls insoweit aus dem Bereich der Luftzerlegung bekannt und üblich, wird in der ersten Kolonne eine erste Sumpfflüssigkeit gebildet, in der zweiten Kolonne wird eine zweite Sumpfflüssigkeit gebildet, in der dritten Kolonne wird eine dritte
Sumpfflüssigkeit gebildet und in der vierten Kolonne wird eine vierte Sumpfflüssigkeit gebildet. Anders als die erste bis dritte Kolonne dient die vierte Kolonne im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere zur Argongewinnung bzw.
Argonausschleusung aus einem Gasgemisch, das aus der dritten Kolonne entnommen wird. Die vierte Kolonne kann insbesondere eine herkömmliche Rohargonkolonne einer bekannten Anordnung mit Roh- und Reinargonkolonne sein, es kann sich jedoch auch um eine modifizierte Argonkolonne handeln, der ohne Verwendung einer zusätzlichen Reinargonkolonne Argon in reinem Zustand unterhalb des Kopfs entnommen wird.
Auch andere Varianten sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die erste Kolonne in einem ersten
Druckbereich betrieben, die zweite Kolonne wird in einem zweiten Druckbereich unterhalb des ersten Druckbereichs betrieben und die dritte Kolonne wird in einem dritten Druckbereich unterhalb des zweiten (und damit auch des ersten) Druckbereichs betrieben. Die vierte Kolonne kann insbesondere in dem dritten Druckbereich betrieben werden oder in einem geringfügig darunter liegenden Druckbereich, der sich insbesondere aus Druckverlusten über die die dritte und vierte Kolonne verbindenden Leitungen ergeben kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die zweite Sumpfflüssigkeit mit einem höheren Sauerstoffgehalt und einem höheren Argongehalt als die erste
Sumpfflüssigkeit gebildet und die dritte Sumpfflüssigkeit wird mit einem höheren Sauerstoffgehalt und einem geringeren Argongehalt als die zweite Sumpfflüssigkeit gebildet. Der höhere Argongehalt der zweiten Sumpfflüssigkeit gegenüber jenem der ersten Sumpfflüssigkeit ergibt sich dabei durch die unterschiedlichen
Betriebsbedingungen, insbesondere die unterschiedlichen Drücke, die zum Betrieb der ersten und zweiten Kolonne verwendet werden, sowie durch unterschiedliche Zusammensetzungen von Stoffströmen, die in die erste und zweite Kolonne
eingespeist werden. Hingegen ergibt sich der geringere Argongehalt in der dritten Kolonne insbesondere daraus, dass aus dieser dritten Kolonne ein an Argon angereichertes Gas entnommen wird, wie nachfolgend noch erläutert.
Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der erste Sauerstoffgehalt bei 28 bis 40%, insbesondere bei ca. 34%, der zweite Sauerstoffgehalt bei ca. 45 bis 65%, insbesondere bei ca. 55%, und der dritte Sauerstoffgehalt bei ca. 99,0 bis 99,9%, insbesondere bei ca. 99,5%, liegen. Die jeweiligen Prozentangaben beziehen sich dabei auf den molaren Gehalt von Sauerstoff in einem entsprechenden
Komponentengemisch. Die dritte Kolonne wird daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Reinsauerstoffkolonne genutzt und aus dieser kann ein entsprechendes reines Sauerstoffprodukt abgezogen werden. Dagegen werden die erste und die zweite Sumpfflüssigkeit typischerweise nicht als Produkt verwendet, sondern in der Anlage weiter aufbereitet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird allgemein Fluid aus der ersten Kolonne zumindest in die zweite Kolonne eingespeist. Das aus der ersten Kolonne in die zweite Kolonne eingespeiste Fluid kann insbesondere Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne umfassen, die verdampft, entspannt und in die zweite Kolonne eingeleitet wird.
Insbesondere kann Fluid aus der ersten Kolonne in die zweite und in die dritte Kolonne eingespeist werden. Fluid aus der zweiten Kolonne wird zumindest in die dritte Kolonne eingespeist, Fluid aus der dritten Kolonne wird zumindest in die vierte Kolonne eingespeist, und Fluid aus der vierten Kolonne wird zumindest in die dritte Kolonne eingespeist.
Ist hier jeweils davon die Rede, dass "Fluid" aus einer Kolonne "zumindest" in eine andere eingespeist wird, sei hierunter insbesondere eine direkte oder indirekte
Überführung eines entsprechenden Fluidstroms verstanden. Insbesondere kann die Überführung entsprechenden Fluids auch zunächst die Einspeisung in einem
Kondensatorverdampfer bzw. dessen Verdampfungsraum umfassen, aus welchem dann flüssige und/oder gasförmige Anteile in die andere Kolonne überführt werden. Auch diese Fluidführung fällt damit unter die Überführung eines Fluids von einer in die andere Kolonne. Entsprechendes gilt auch, wenn ein entsprechendes Fluid nur teilweise überführt wird, beispielsweise wenn es an bestimmten Komponenten an- oder abgereichert und/oder in Teilströme aufgeteilt wird.
Die überführten Fluide können Kopfgase, Sumpfflüssigkeiten und/oder Seitenströme entsprechender Kolonnen umfassen. Unter einem "Seitenstrom" wird dabei ein
Stoffstrom verstanden, der einer entsprechenden Kolonne zwischen unterschiedlichen Trennböden bzw. Trennabschnitten entnommen wird, wohingegen das Kopfgas ein Gasgemisch bezeichnet, das der Kolonne oberhalb des obersten Trennbodens bzw. Trennbereichs entnommen wird und eine Sumpfflüssigkeit die Flüssigkeit bezeichnet, die aus einer entsprechenden Kolonne unterhalb des untersten Trennbodens bzw. Trennbereichs entnommen wird. Eine Sumpfflüssigkeit wird insbesondere in Form eines flüssigen Stoffstroms, ein Kopfgas insbesondere in Form eines gasförmigen Stoffstroms ausgeleitet. Es können jedoch auch beispielsweise direkt oberhalb des Sumpfs, jedoch noch unterhalb des untersten Trennabschnitts bzw. des untersten Trennbodens, flüssige oder gasförmige Stoffströme entnommen werden. Ein
Seitenstrom kann in flüssigem oder gasförmigem Zustand vorliegen. Ein flüssiger Seitenstrom kann beispielsweise aus einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung oder von einem Stauboden entnommen werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst das aus der dritten Kolonne in die vierte Kolonne eingespeiste Fluid zumindest einen Teil eines Seitenstroms, der mit einem geringeren Sauerstoffgehalt und einem höheren Argongehalt als die dritte Sumpfflüssigkeit aus der dritten Kolonne entnommen wird. Der Seitenstrom wird dabei insbesondere im Bereich des bereits zuvor erläuterten Argonübergangs aus der dritten Kolonne entnommen, er kann jedoch auch unterhalb des Argonübergangs entnommen werden. Ein entsprechender Seitenstrom stellt dabei insbesondere ein Gasgemisch dar, das einen höheren Argongehalt aufweist als die Sumpfflüssigkeit und einen geringeren Argongehalt als das Kopfgas.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass durch Kondensieren von Kopfgas der ersten Kolonne eine Rücklaufflüssigkeit gebildet wird, und dass diese Rücklaufflüssigkeit flüssig auf die erste Kolonne zurückgeführt wird. Die Bildung der Rücklaufflüssigkeit "unter Verwendung" des Kopfgases kann dabei insbesondere umfassen, Kopfgas gasförmig aus der ersten Kolonne zu entnehmen, dieses in einem auch nachfolgend noch im Detail erläuterten Kondensatorverdampfer zumindest teilweise zu verflüssigen, und einen flüssigen Anteil zumindest teilweise auf die erste Kolonne zurückzuführen.
Erfindungsgemäß wird zum erläuterten Kondensieren des Kopfgases der ersten Kolonne ein flüssiger Kühlstrom im indirekten Wärmetausch gegen das Kopfgas verdampft oder teilverdampft. Bei der Verdampfung oder Teilverdampfung des
Kühlstroms gebildetes Gas (evtl verbleibende Flüssigkeit kann vorab abgeschieden werden) wird ferner erfindungsgemäß arbeitsleistend auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich, also den Betriebsdruck der zweiten Kolonne, entspannt und in die zweite Kolonne eingespeist. Bei dem entsprechend entspannten Gas kann es sich um einen Teil des bei der Verdampfung oder Teilverdampfung gebildeten Gases oder auch nur einen Teil hiervon handeln. Der flüssige Kühlstrom kann insbesondere auf einem Druck in dem ersten Druckbereich bereitgestellt und vor der Verdampfung oder
Teilverdampfung, beispielsweise mittels eines Ventils, auf einen etwas geringeren Druck, beispielsweise in einem Bereich zwischen dem ersten Druckbereich und dem zweiten Druckbereich, entspannt werden. Eine weitere Entspannung nach der
Verdampfung auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich vor der Einspeisung in die zweite Kolonne erfolgt dann stromab der Verdampfung in der erwähnten
arbeitsleistenden Form.
Durch die vorliegende Erfindung wird in einer Alternative ein Verfahren mit geringerer Energieaufnahme als bisher in Entwicklung befindliche Verfahren geschaffen. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu bekannten sogenannten SPECTRA-Verfahren und Varianten hiervon. Die vorliegende Erfindung kann aber auch, wie beispielsweise im Zusammenhang mit Figur 4 erläutert, in Verbindung mit einem derartigen SPECTRA- Verfahren bzw. einer Variante hiervon zum Einsatz kommen.
Ein SPECTRA-Verfahren ist beispielsweise aus der EP 2 789 958 A1 und der dort zitierten Patentliteratur bekannt. Es handelt sich hierbei in der einfachsten Form um ein Einkolonnenverfahren. Ein SPECTRA-Verfahren kann aber auch um eine Sauerstoff und Argongewinnung erweitert werden, indem weitere Kolonnen bereitgestellt werden. SPECTRA-Verfahren ermöglichen eine relativ hohe Sickstoffausbeute.
Aus der Rektifikationskolonne zur Stickstoffgewinnung, die auch mit der Hauptmenge der Einsatzluft gespeist wird, wird tiefkalte, gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit in Form eines oder mehrerer Stoffströme entnommen und in Kondensatorverdampfer erwärmt, der zur Abkühlung und
Kondensation zumindest eines Anteils des Kopfgases derselben Kolonne verwendet wird. Entsprechend kondensiertes Kopfgas wird zumindest zum Teil auf die Kolonne zurückgeführt, aus der es zuvor entnommen wurde. Das zu verdampfende Fluid kann in herkömmlichen SPECTRA-Verfahren in Form nur eines Stoffstroms oder in Form zweier oder mehrerer getrennter erster Stoffströme durch den Kondensatorverdampfer geführt werden.
Das entsprechend verdampfte Fluid wird zu einem Teil unter Verwendung eines oder mehrerer Verdichter kalt, d.h. auf einem Temperaturniveau deutlich unterhalb von 0°C, insbesondere auf einem Temperaturniveau von -50 °C oder weniger, verdichtet und danach in die Kolonne zurückgespeist, aus der es zuvor entnommen wurde. Der eine oder die mehreren Verdichter kann bzw. können mit einer oder mit mehreren
Entspannungsmaschinen, insbesondere mit einer von zwei parallel angeordneten Entspannungsmaschinen, gekoppelt sein und zumindest teilweise unter Verwendung dieser angetrieben werden. In der oder den Entspannungsmaschinen wird ein weiterer Teil des verdampften Fluids entspannt und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet.
Insbesondere beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, dass das Potential eines gattungsgemäßen Verfahrens ohne die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen nicht vollständig ausgeschöpft wird. Ein Indikator dafür ist bzw. war eine in derartigen gattungsgemäßen Verfahren vorliegende, noch immer relativ hohe Temperaturdifferenz in einem Kondensator, der Kopfgas der unter höchstem Druck arbeitenden ersten Rektifikationskolonne kondensiert. In bisherigen Konzepten wurde dieser Kondensator wegen der Anforderungen an den Stickstoff-Produktdruck und damit das erste Druckniveau (beispielsweise 11 bar; die Einsatzluft wird entsprechend hoch verdichtet) als Badkondensator mit einem relativ hohen hydrostatischen
Druckverlust von ca. 150-200 mbar und einer mittleren Temperaturdifferenz von 2,5 K (oder mehr) konzipiert. Dadurch wird in einem entsprechenden Prozess relativ viel an Exergie "vernichtet", was im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht der Fall ist.
Eine weiterer (als Nachteil zu sehender) Punkt bei nicht erfindungsgemäßen, alternativen Konzepten, die auf einer von SPECTRA-Verfahren abweichenden
Prozesstopologie mit mehreren Rektifikationskolonnen basieren, ist die zur Erzeugung der Kälteleistung vorgesehene Einblasung von Luft (ca. 10-15% der Einsatzluftmenge) in die unter mittlerem Druck
arbeitende zweite Rektifikationskolonne. Diese Luftmenge wird nicht der Rektifikation in der ersten (Haupt-) Rektifikationskolonne zur Gewinnung von Hochdruck- Stickstoffprodukt unterworfen, so dass eine entsprechende Lösung zwangsläufig mit entsprechenden Nachteilen bei der Stickstoff-Ausbeute verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen ist eine entsprechende Einblasung von Einsatzluft, die im Wesentlichen zur Gewinnung von Kälte vorgesehen ist, wurde, nicht mehr erforderlich, da stattdessen das im Kondensatorverdampfer verdampfte Kühlfluid verwendet werden kann. Dieses stammt vorteilhafterweise aus Sumpfflüssigkeit der ersten Rektifikationskolonne und hat daher bereits an der dort stattfindenden Rektifikation teilgenommen. Damit erhöht sich die Effizienz und
Ausbeute in dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren.
Die vorliegende Erfindung schlägt, mit anderen Worten, vor, dass zur Erzeugung der Prozesskälteleistung nicht (oder zumindest nicht ausschließlich) ein Einsatzluftstrom in die zweite Rektifikationskolonne verwendet wird, sondern ein in einem
Kondensatorverdampfer (Kopfkondensator) der ersten Rektifikationskolonne verdampfender Strom, nämlich der hier als "Kühlstrom" bezeichnete Stoffstrom. Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht dabei unter anderem in der Ausnutzung des Differenzdrucks zwischen dem Betriebsdruck der zweiten
Rektifikationskolonne (also dem entsprechenden dem zweiten Druckbereich) und dem Verdampfungsdruck in dem zur Kondensation des Kopfgases verwendeten
Kondensator zur Erzeugung der Kälte und dem Reduzieren der Luft-"Einblasemenge" in die zweite Rektifikationskolonne.
Der Verdampfungsdruck in dem genannten Kondensator wird umso höher (und damit umso besser für den Prozess der Kälteerzeugung), je geringer die Temperaturdifferenz im Kondensator ist. Der Kondensator ist daher vorteilhafterweise nicht als
Badkondensator, sondern insbesondere als Forced-Flow-Kondensator mit möglichst geringer minimaler Temperaturdifferenz ausgeführt.
Zur Erzielung der genannten Vorteile wird also, mit anderen Worten, der zuvor erwähnte Kühlstrom (der zur Kälteleistung anstelle Luft entspannt wird) vorteilhafterweise unter Verwendung zumindest eines Anteils der ersten Sumpfflüssigkeit gebildet und/oder zum Kondensieren des Kopfgases der ersten Kolonne und zum Verdampfen des Kühlstroms wird vorteilhafterweise ein Forced-Flow- Kondensatorverdampfer verwendet. Zum Begriff des "Forced-Flow- Kondensatorverdampfers" sei auf die obigen Erläuterungen ausdrücklich verwiesen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, die auf diese Weise Teil eines SPECTRA-Verfahrens ist, wird zum Kondensieren des Kopfgases der ersten Kolonne ferner ein weiterer flüssiger Kühlstrom im indirekten Wärmetausch gegen das Kopfgas verdampft oder teilverdampft, wobei der weitere Kühlstrom oberhalb des Sumpfs aus der ersten Kolonne entnommen und nach der Verdampfung oder
Teilverdampfung zumindest zum Teil verdichtet und in die erste Kolonne zurückgeführt wird. Die Verdichtung des verdampften weiteren Kühlstroms oder eines Teils hiervon erfolgt insbesondere in einem oder mehreren Verdichtern, der oder die mit einer oder mit mehreren Entspannungsmaschinen mechanisch gekoppelt sind und insbesondere zusätzlich gebremst werden. Die Verdichtung erfolgt insbesondere auf einem
Temperaturniveau unterhalb von 0 °C, insbesondere unterhalb von -50 °C,
beispielsweise bei -100 bis -150 °C. Die eine oder die mehreren
Entspannungsmaschinen verdichten insbesondere einen verbleibenden Rest des aus Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne gebildeten Kühlstroms, der nicht verdichtet und in die zweite Kolonne zurückgeführt wird. Dieser verdichtete Rest wird insbesondere auf einen Druck in dem ersten Druckbereich verdichtet und in die erste Kolonne
zurückgeführt.
Der erwähnte erste Druckbereich liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere bei 9 bis 12 bar, der zweite Druckbereich insbesondere bei 4 bis 6,5 bar und der dritte Druckbereich insbesondere bei 1 bis 2 bar. Der dritte Druckbereich kann aber auch weiter abgesenkt werden, insbesondere um 50 bis 200 mbar, beispielweise gegenüber dem eingangs in Bezug auf herkömmliche Luftzerlegungsanlagen genannten Druckwert von 1 ,4 bar. Entsprechend kann auch der zweite Druckbereich um 120 bis 500 mbar, beispielweise gegenüber dem eingangs genannten Wert von 5,3 bar, abgesenkt werden. Eine entsprechende Druckabsenkung ist insbesondere möglich, wenn, wie unten erläutert, Gas aus einem Verdampfungsraum eines
Kondensatorverdampfers, der Kopfgas der vierten Kolonne kondensiert, als Regeneriergas verwendet wird. Dabei wird auch die treibende Temperaturdifferenz in diesem Kondensatorverdampfer verringert.
Bei der Druckabsenkung auf die genannten Werte bzw. der weiteren Druckabsenkung kann durch die Vergrößerung der Druckdifferenz zwischen dem ersten Druckbereich und dem zweiten Druckbereich bzw. die Absenkung des Austrittsdrucks bei der Entspannung die Kälteleistung entsprechend erhöht werden. Wie erwähnt, bezeichnen die Druckangaben hier jeweils Absolutdrücke am Kopf der Kolonnen. Der erste Druckbereich liegt damit oberhalb eines Drucks, der herkömmlicherweise für eine Hochdruckkolonne in einer Luftzerlegungsanlage verwendet wird. Die zweite Kolonne kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere auf einem niedrigeren Druckbereich betrieben werden als die herkömmlicherweise in einer
Luftzerlegungsanlage eingesetzte Hochdruckkolonne. Es kann sich aber grundsätzlich auch um den gleichen Druck handeln.
Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung ist insbesondere dann, wenn der zum Kondensieren des Kopfgases der ersten Kolonne und zum Verdampfen des
Kühlstroms verwendete Kühlstrom unter Verwendung der ersten Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne gebildet wird, aufgrund der vorhandenen Druckverhältnisse keine Pumpe zum Fördern von flüssigem Stickstoff notwendig. Damit erfolgt ein geringerer Wärmeeintrag ins Tieftemperatursystem und eine im Gegensatz zur grundsätzlich ebenfalls möglichen Verwendung eines sauerstoffreicheren Fluids liegt eine höhere treibende Temperaturdifferenz im wegen des geringeren Sauerstoffgehalts in der verdampfenden Flüssigkeit vor. Dadurch wird ein höherer Verdampfungsdruck ermöglicht und die Turbinenleistung wird entsprechend erhöht.
Die mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielte Turbinenleistung (Prozess- Kälteleistung) ist insbesondere ausreichend für "Gas"-Anlagen mit einer
verhältnismäßig geringfügigen Flüssigproduktion, beispielswiese bei einem geforderten Stickstoff-Produktdruck von 11 bar (der dann auch dem Druck in dem ersten
Druckbereich entspricht). In einer derartigen Konstellation ist keine weitere Turbine erforderlich. In dieser Konstellation ist ferner keine Einblasung von Luft in die zweite Kolonne erforderlich bzw. kein Bypass der ersten Kolonne. Eine zusätzliche Turbine kann jedoch in einem Betriebsfall mit relativ hoher Flüssigproduktion gleichwohl eingesetzt werden. In dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird der ersten Rektifikationskolonne insbesondere ein stickstoffreiches Gas als Produkt entnommen, erwärmt und aus der Anlage auf einem Druck in dem ersten Druckbereich ausgeführt. Auf diese Weise kann ohne weitere Verdichtung ein Stickstoffprodukt in einem entsprechenden Druckbereich bereitgestellt werden.
Insgesamt kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung gegenüber der erwähnten, ebenfalls möglichen Entspannung von Einsatzluft statt des verdampften Kühlstroms, ein Energievorteil von 5-6%, bezogen auf die Leistung des Hauptluftverdichters, durch eine Erhöhung der Ausbeute an Stickstoffprodukt und der Rückgewinnung von Turbinenleistung erzielt werden. Dies kann einer verminderten Energieaufnahme von beispielsweise ca. 500 kW und damit einer TCO-(Total Cost of Ownership- )Kostenreduzierung von über 1 Mio. EUR entsprechen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen ist insgesamt eine geringere Luft-Einsatzmenge erforderlich, was zu einem kleineren "warmen" Anlagenteil führt. Damit ist auch ein kleinerer Hauptwärmetauscher (der kF-Wert ist bei gleichem MTD-Wert um ca. 6% geringer) verwendbar. Wird ein Forced Flow-Kondensatorverdampfer verwendet, erfolgt aufgrund des relativ hohen Verdampfungsdrucks (typischerweise mehr als 7 bar) keine Anreicherung von brennbaren Kohlenwasserstoffen.
Die vorliegende Erfindung kann unterschiedliche Möglichkeiten zur Temperierung oder Nichttemperierung des Kühlstroms vorsehen, die jeweils gewisse energetische Vorteile bieten können. So kann das bei der Verdampfung oder Teilverdampfung des
Kühlstroms gebildete Gas, das arbeitsleistend entspannt und in die zweite Kolonne eingespeist wird, vor der Entspannung erwärmt werden. Hierzu kann insbesondere der Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage verwendet werden. Auf diese Weise kann mittels entsprechender Kälte eine Abkühlung von Einsatzströmen vorgenommen und das Wärmetauscherprofil entsprechend angepasst werden. Das bei der
Verdampfung oder Teilverdampfung des Kühlstroms gebildete Gas, das arbeitsleistend entspannt und in die zweite Kolonne eingespeist wird, kann aber auch auf einer Temperatur, bei der es nach der Verdampfung oder Teilverdampfung vorliegt, der Entspannung zugeführt werden; es erfolgt also in dieser Ausgestaltung keine weitere Temperierung. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die unter gegebenen
Randbedingungen ebenfalls energetische Vorteile bieten kann, kann das bei der Verdampfung oder Teilverdampfung des Kühlstroms gebildete Gas, das arbeitsleistend entspannt und in die zweite Kolonne eingespeist wird, auf einer Temperatur, auf der er einer zur Entspannung verwendeten Entspannungsmaschine entnommen wird, in die zweite Kolonne eingespeist werden. Alternativ kann auch nach der Entspannung eine Erwärmung erfolgen.
Kopfgas der vierten Kolonne wird im Rahmen einer besonders bevorzugten
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zumindest zu einem Teil in einem
Kondensationsraum eines Kondensatorverdampfers kondensiert, dessen
Verdampfungsraum ein Gasgemisch entnommen wird.
Ein Teil dieses Gasgemischs und/oder auch zumindest ein Teil des Restgases aus dem oberen Bereich der dritten Kolonne, also zumindest ein Teil eines Gasgemischs, welches aus der dritten Kolonne entnommen wird, kann in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zur Bildung eines Rückführstroms verwendet und dabei erwärmt, verdichtet, abgekühlt und in die zweite Kolonne eingespeist werden. Zum Erwärmen und Abkühlen des erwähnten Rückführstroms kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere der Hauptwärmetauscher der
Luftzerlegungsanlage verwendet werden.
Insbesondere kann ein (weiterer) Teil des Gasgemisches aus dem Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers auch als Regeneriergas für einen Adsorber verwendet werden, in dem Einsatzluft, die dem Kolonnensystem zugeführt wird, aufbereitet wird. Dies kann insbesondere bei einem entsprechenden Verdampfungsdruck erfolgen. Der erwähnte Adsorber wird insbesondere ohne Verwendung von Regeneriergas betrieben, das aus der dritten Kolonne entnommen und in gleicher Zusammensetzung wie dort dem Adsorber zugeführt wird. Beispielsweise kann aber Gas aus dem oberen Bereich der dritten Kolonne und Gas aus dem unteren Bereich dieser Kolonne vereinigt und als ein gemeinsamer Strom im Hauptwärmetauscher angewärmt und als
Regeneriergas verwendet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest ein Teil des Gasgemischs, das dem Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers entnommen wird, als ein erster Regeneriergasanteil verwendet, und zumindest ein Teil des Gases bzw. des erwähnten Gasgemischs, welches aus der dritten Kolonne entnommen wird, wird als ein zweiter Regeneriergasanteil verwendet. In diesem Fall wird insbesondere der zweite Regeneriergasanteil auf einem geringeren Druck als der erste bereitgestellt, verdichtet und mit dem ersten Regeneriergasanteil vereinigt, bevor er dem Adsorber zugeführt wird. Es wird also Restgas aus der dritten Kolonne und Gas aus einem Kopfkondensator der Argonkolonne vereinigt.
Die soeben erläuterte Ausgestaltung hat insbesondere dann Vorteile, wenn keine Kältemaschine bei der Vorkühlung eingesetzt wird und daher der Regeneriergasbedarf vergleichsweise hoch ausfällt. In derartigen Fällen kann es dazu kommen, dass die Gasmenge aus dem Kondensatorverdampfer als Regeneriergasmenge nicht ausreicht. Daher wird ein Teilstrom des Restgases aus der Niederdruckkolonne (also der dritten Kolonne) nachverdichtet (die Druckdifferenz beträgt ca. 50 bis 200 mbar) und mit dem anderen Strom zusammengeführt. Vorteile ergeben sich auch dann, wenn die
Anforderungen für den Wasserstoffgehalt im gasförmigen Stickstoffprodukt
vergleichsweise hoch sind. In derartigen Fällen kann die Lufteintrittstemperatur ins Molsieb (also den Adsorber) nicht beliebig niedrig gewählt werden, da ansonsten die Wasserstoffentfernung (auf der dafür vorgesehenen speziellen Schicht mit Katalysator im Adsorber) weniger vollständig ist. Auch in solchen Fällen kann u.U. die Gasmenge aus dem Kondensatorverdampfer als Regeneriergasmenge nicht ausreichen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dem Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers, in dessen Kondensationsraum das Kopfgas der vierten Kolonne zumindest zum Teil kondensiert wird, ein Anteil der ersten Sumpfflüssigkeit zugeführt und einer Teilverdampfung unterworfen, wobei bei dieser Teilverdampfung das zuvor erwähnte Gasgemisch gebildet wird. Mit anderen Worten wird in dieser Ausgestaltung also ein Kopfkondensator einer Rohargonkolonne bzw. der einzigen vorhandenen Argonkolonne unter Verwendung von Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne gekühlt. Ist eine Reinargonkolonne als fünfte Kolonne vorhanden, kann auch deren Kopfkondensator, wie nachfolgend erläutert, unter Verwendung von entsprechender Sumpfflüssigkeit gekühlt werden.
Generell können verdampfte und unverdampfte Anteile der Sumpfflüssigkeit aus der ersten Kolonne, die in dem oder den Kondensatorverdampfern der vierten bzw. vierten und fünften Kolonne verwendet wurden, anschließend auch zumindest teilweise in die dritte Kolonne überführt werden (ggf. abzüglich des im Adsorber verwendeten Anteils), und zwar an einer Position, die dem Sauerstoffgehalt und Argongehalt dieser Fluide entspricht. Die Einspeisung von verdampften und unverdampften Anteilen kann daher im Wesentlichen an gleicher Stelle in die dritte Kolonne erfolgen. Die genannten Stoffströme können vereinigt oder getrennt voneinander in die dritte Kolonne überführt werden. Damit umfasst das aus der ersten Kolonne in die dritte Kolonne überführte Fluid entsprechende Flüssigkeit, d.h. zumindest einen Teil der ersten Sumpfflüssigkeit, die zur Kühlung des oder der Kopfkondensatoren der vierten oder der vierten und fünften Kolonne verwendet wurde. Gegebenenfalls kann auf eine Einspeisung von verdampften Anteilen aus dem oder den Kopfkondensatoren auch verzichtet werden und diese verdampften Anteile werden aus dem Verfahren ohne eine Einspeisung in die dritte Kolonne ausgeführt, wie für den Fall des Rückführstroms und des in dem Adsorber verwendeten Anteils erwähnt. Mit der unverdampften Flüssigkeit wird aber auch in diesem Fall ein Teil der ersten Sumpfflüssigkeit in die dritte Kolonne eingespeist.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das aus der zweiten Kolonne in die dritte Kolonne eingespeiste Fluid zumindest einen Teil der zweiten Sumpfflüssigkeit, welcher ohne Verwendung einer Pumpe aus der zweiten Kolonne in die dritte Kolonne überführt wird, umfassen. Entsprechende Sumpfflüssigkeit kann dabei gemäß dieser Ausgestaltung lediglich aufgrund des Druckunterschieds zwischen der zweiten und der dritten Kolonne in die dritte Kolonne überführt werden. Er kann jedoch zuvor bzw. bei der Überführung auch gegen weitere Ströme unter Verwendung eines Unterkühlungsgegenströmers unterkühlt werden.
Kopfgas kann an einer definierten Entnahmeposition aus der ersten Kolonne entnommen und aus der Luftzerlegungsanlage als Stickstoffdruckprodukt in einem entsprechenden Druckbereich ausgeleitet werden.
Wie bereits erwähnt, kann die vorliegende Erfindung in Kombination mit einer
Reinargonkolonne verwendet werden, also einer fünften Kolonne, in die Fluid aus der vierten Kolonne überführt wird, wobei das aus der vierten Kolonne überführte Fluid einen Argongehalt aufweist, der höher als in dem aus der dritten Kolonne
entnommenen und zumindest zu einem Anteil in die vierte Kolonne überführten Gasgemisch ist. Die fünfte Kolonne wird also im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie grundsätzlich aus dem Bereich der Luftzerlegungstechnik bekannt, zur Gewinnung eines entsprechenden Argonprodukts eingesetzt.
Vorteilhafterweise wird dabei Kopfgas der fünften Kolonne mittels eines weiteren Kondensatorverdampfers kondensiert, in dem ein weiterer Anteil der zweiten
Sumpfflüssigkeit einer Teilverdampfung unterworfen wird. Auf die obigen
Erläuterungen wird ausdrücklich verwiesen.
Der Seitenstrom, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit einem geringeren Sauerstoffgehalt und einem höheren Argongehalt als die dritte Sumpfflüssigkeit gebildet und aus der dritten Kolonne entnommen wird, kann insbesondere unter Erhalt eines an Sauerstoff abgereicherten Gasgemischs und einer sauerstoffreichen
Flüssigkeit in einer weiteren Kolonne einer Aufbereitung unterworfen werden, wobei das an Sauerstoff abgereicherte Gasgemisch aus der weiteren Kolonne zumindest zu einem Anteil in die vierte Kolonne eingespeist werden kann. Auf diese Weise gelangt ein Teil des Seitenstroms über den Umweg der weiteren Kolonne in die vierte Kolonne. Die weitere Kolonne ist insbesondere zweiteilig ausgebildet und umfasst zwei übereinander angeordnete Teile, die durch einen fluiddichten Trennboden getrennt sind, wobei das an Sauerstoff abgereicherte Gasgemisch zumindest am Kopf des oberen Teils, ggf. aber auch am Kopf des unteren Teils, und die sauerstoffreiche Flüssigkeit aus dem Sumpf des unteren Teils entnommen wird. Der Seitenstrom aus der dritten Kolonne wird insbesondere gasförmig in einen unteren Bereich des oberen Teils eingespeist. Aus dem Sumpf des oberen Teils wird insbesondere Flüssigkeit entnommen und in die dritte Kolonne zurückgeführt. Sumpfflüssigkeit der vierten Kolonne wird insbesondere am Kopf des oberen Teils als Rücklauf aufgegeben, kann aber auch zu einem Teil auf den unteren Teil als Rücklauf aufgegeben werden. Der untere Teil erfüllt in einer derartigen Anordnung die Funktion einer (Hochrein- )Sauerstoffkolonne. Unterschiedliche Ausgestaltungen sind in den Figuren
veranschaulicht.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich schließlich auch auf eine
Luftzerlegungsanlage, zu deren Merkmalen ausdrücklich auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch verwiesen wird. Insbesondere ist eine derartige
Luftzerlegungsanlage zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde, und diese weist hierzu jeweils eingerichtete Mittel auf. Zu Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden
Luftzerlegungsanlage sei auf die Erläuterungen betreffend das erfindungsgemäße Verfahren ausdrücklich verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung und nicht
erfindungsgemäße Ausführungsformen veranschaulichen.
Figurenbeschreibung
In den Figuren 1 bis 4 sind Luftzerlegungsanlagen gezeigt, die jeweils Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung entsprechen, soweit sie unter den Schutzbereich der Patentansprüche fallen, und ansonsten den technischen Hintergrund und/oder nicht erfindungsgemäße Ausgestaltungen betreffen. Die Luftzerlegungsanlagen gemäß den Figuren 1 bis 4 sind jeweils insgesamt mit den Bezugszeichen 100 bis 400 bezeichnet. Wenngleich die nachfolgenden Erläuterungen sich auf entsprechende
Luftzerlegungsanlagen 100 bis 400 beziehen, betreffen diese entsprechenden
Verfahren in gleicher weise. Die in Figur 5 veranschaulichte Luftzerlegungsanlage 500 ist als Variante der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100 dargestellt. Die hier veranschaulichten Aspekte können gleichwohl auch anderen Anlagen, insbesondere den Anlagen 200 bis 400, realisiert sein. Die nachfolgenden
Erläuterungen, insbesondere zu der Anlage 100 gemäß Figur 1 , betreffen die Anlage 500 in gleicher weise, auch wenn nicht konkret auf diese Bezug genommen wird.
Sämtliche in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Luftzerlegungsanlagen 100 bis 400 sind mit einem Kolonnensystem ausgestattet, das ungeachtet der unterschiedlichen Ausgestaltung und ggf. unterschiedlichen Anzahl an Kolonnen jeweils insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Die Kolonnensysteme 10 weisen dabei jeweils eine erste Kolonne 11 , eine zweite Kolonne 12, eine dritte Kolonne 13 und eine vierte Kolonne 14 auf.
Die zweite Kolonne 12 und die dritte Kolonne 13 sind jeweils als Teile einer
Doppelkolonne grundsätzlich bekannter Art ausgebildet. Auf die eingangs zitierte Fachliteratur zu Luftzerlegungsanlagen, insbesondere auf die Erläuterungen zu Figur 2.3A bei Häring (s.o.), in der eine entsprechende Doppelkolonne gezeigt ist, sei in diesem Zusammenhang ausdrücklich verwiesen.
Die erste Kolonne 11 ist separat zur zweiten Kolonne 12 und zur dritten Kolonne 13 ausgebildet. Die erste Kolonne 11 ist mit einem Kondensatorverdampfer 111 ausgestattet, der zur Kondensation von Kopfgas der ersten Kolonne 11 verwendet wird und in den Ausgestaltungen gemäß den Figuren 1 bis 3 als klassischer
Kopfkondensator ausgebildet ist. In den Kondensatorverdampfer 111 , der in den dargestellten Beispielen jeweils als Forced-Flow-Kondensatorverdampfer ausgebildet ist, wird jeweils Sumpfflüssigkeit aus der ersten Kolonne 11 eingespeist, die ohne Verwendung einer Pumpe gefördert wird.
Ein wesentlicher Aspekt der hier veranschaulichten Ausgestaltungen der Erfindung ist jeweils, dass durch Kondensieren von Kopfgas der ersten Kolonne 11 eine
Rücklaufflüssigkeit gebildet wird und dass die Rücklaufflüssigkeit auf die erste Kolonne 11 zurückgeführt wird. Zum Kondensieren des Kopfgases der ersten Kolonne 11 wird dabei jeweils ein flüssiger Kühlstrom, der unter Verwendung der erwähnten
Sumpfflüssigkeit aus der ersten Kolonne 11 gebildet wird, gegen das Kopfgas der ersten Kolonne 11 verdampft oder teilverdampft. Bei der Verdampfung oder
Teilverdampfung des Kühlstroms gebildetes Gas wird mittels einer
Entspannungsmaschine 5 auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich arbeitsleistend entspannt und in die zweite Kolonne 12 eingespeist.
Die zweite Kolonne 12 und die dritte Kolonne 13 stehen über einen innenliegenden Kondensatorverdampfer 121 , den sogenannten Hauptkondensator, in
wärmetauschender Verbindung miteinander. Der Hauptkondensator 121 dient einerseits zum Kondensieren eines Kopfgases der zweiten Kolonne 12 und
andererseits zum Verdampfen einer Sumpfflüssigkeit der dritten Kolonne 13. Alternativ zu der hier veranschaulichten Ausgestaltung können die zweite Kolonne 12 und die dritte Kolonne 13 auch separat ausgebildet sein. Der Hauptkondensator 121 kann alternativ auch außenliegend ausgebildet sein. Unterschiedliche Arten von
Kondensatorverdampfern sind als Hauptkondensatoren 121 verwendbar.
Die vierte Kolonne 14 dient in allen Luftzerlegungsanlagen 100 bis 400 gemäß den Figuren 1 bis 4 zur Argongewinnung. In den dargestellten Beispielen ist keine Rohargonkolonne vorhanden, sondern die Anlagen 100 bis 400 sind jeweils zur Entnahme eines Argonprodukts aus der vierten Kolonne 14 ausgebildet. Zu Roh- und Reinargonkolonnen und entsprechenden Modifikationen sei ebenfalls auf die obigen Zitate aus der Fachliteratur verwiesen.
Die vierte Kolonne ist mit einem Kondensatorverdampfer (Kopfkondensator) 141 ausgestattet, der Kopfgas kondensiert. In den Ausgestaltungen gemäß den Figuren 1 bis 3 wird dieser mit einem Teil Sumpfflüssigkeit aus der ersten Kolonne 11 gekühlt, wohingegen in der Ausgestaltung gemäß Figur 4 hierzu Sumpfflüssigkeit aus der zweiten Kolonne 12 verwendet wird. Die jeweils verwendete Sumpfflüssigkeit wird zuvor durch einen Unterkühlungsgegenströmer 18 unterkühlt. Ein in dem
Kopfkondensator 141 unverdampfter Anteil wird in den hier veranschaulichten
Beispielen zumindest teilweise in die dritte Kolonne 13 eingespeist. Dagegen wird ein verdampfter Anteil in den hier veranschaulichten Beispielen zur Regeneration eines Adsorbers und, im Fall der Luftzerlegungsanlage 300 gemäß Figur 3, zur Bildung eines Rückführstroms genutzt, wie nachfolgend noch erläutert.
In sämtlichen Luftzerlegungsanlagen 100 bis 400 gemäß den Figuren 1 bis 4 ist eine weitere Kolonne 15 vorgesehen, in der ein Stoffaustausch zwischen einem Anteil eines Sumpfstroms aus der vierten Kolonne 14 und einem Seitenstrom aus der dritten Kolonne 13 vorgenommen und ein Anteil des Sumpfstroms aus der vierten Kolonne 14 an leichter flüchtigen Komponenten abgereichert wird. Die weitere Kolonne 15 weist einen oberen und einen unteren Bereich auf, die funktional vollständig voneinander getrennt sind. Weitere Details werden jeweils unten erläutert. Die weitere Kolonne 15 ist mit einem Kondensatorverdampfer 152 ausgebildet, der mit Kopfgas aus der zweiten Kolonne 12 beheizt wird.
Als direkt dem Kolonnensystem 10 zugeordnete Komponente ist in sämtlichen
Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 gemäß den Figuren 1 bis 3 eine Pumpe 19 vorhanden, die Sumpfflüssigkeit aus der vierten Kolonne 14 in die weitere Kolonne 15 zurückbefördert.
In sämtlichen Luftzerlegungsanlagen 100 bis 400 gemäß den Figuren 1 bis 4 wird in der ersten Kolonne 11 eine Sumpfflüssigkeit gebildet, die hier als erste
Sumpfflüssigkeit bezeichnet wird. In der zweiten Kolonne 12 werden entsprechend eine zweite Sumpfflüssigkeit, in der dritten Kolonne 13 eine dritte Sumpfflüssigkeit und in der vierten Kolonne 14 eine vierte Sumpfflüssigkeit gebildet. Die erste Kolonne 11 wird in einem ersten Druckbereich, die zweite Kolonne 12 in einem zweiten
Druckbereich unterhalb des ersten Druckbereichs und die dritte Kolonne 13 in einem dritten Druckbereich unterhalb des zweiten Druckbereichs betrieben. Die die zweite Sumpfflüssigkeit wird mit einem höheren Sauerstoffgehalt und einem höheren
Argongehalt als die erste Sumpfflüssigkeit und die dritte Sumpfflüssigkeit mit einem höheren Sauerstoffgehalt und einem geringeren Argongehalt als die zweite
Sumpfflüssigkeit gebildet. Zu den Druckbereichen und Sauerstoff- bzw. Argongehalten wird auf die obigen Erläuterungen hierzu verwiesen.
In der nachfolgend erläuterten Weise wird in sämtlichen Luftzerlegungsanlagen 100 bis 400 gemäß den Figuren 1 bis 4 Fluid aus der ersten Kolonne 11 in die zweite Kolonne 12 (und in den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 gemäß den Figuren 1 bis 3 zudem in die dritte Kolonne 13) eingespeist. Ferner wird Fluid aus der zweiten Kolonne 12 in die dritte Kolonne 13 eingespeist und Fluid wird aus der vierten Kolonne 14 in die dritte Kolonne 13 eingespeist. In sämtlichen Luftzerlegungsanlagen 100 bis 400 gemäß den Figuren 1 bis 4 umfasst das aus der dritten Kolonne 13 in die vierte Kolonne 14 eingespeiste Fluid zumindest einen Teil eines Seitenstroms, der mit einem geringeren Sauerstoffgehalt und einem höheren Argongehalt als die zweite Sumpfflüssigkeit aus der dritten Kolonne 13 entnommen wird. Die anderen genannten Fluide umfassen zumindest in den hier veranschaulichten Ausgestaltungen jeweils zumindest Teile der jeweiligen Sumpfflüssigkeiten. In allen Fällen kann eine direkte Einspeisung oder eine Einspeisung über einen zwischengeschalteten Kopfkondensator oder dergleichen und eine entsprechende Teileinspeisung erfolgen.
Nachfolgend wird zunächst insbesondere die Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 näher erläutert. Die Erläuterungen zu den Luftzerlegungsanlagen 200, 300 und 400 gemäß den Figuren 2 bis 4 beziehen sich jeweils der Übersichtlichkeit halber nur auf die hiervon abweichenden Merkmale. In den Figuren 2, 3 und 4 sind identische
Merkmale auch nur teilweise mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.
In der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 wird ein Einsatzluftstrom a aus der hier allgemein mit A bezeichneten Atmosphäre mittels eines Hauptluftverdichters 1 über einen nicht gesondert bezeichneten, schraffiert veranschaulichten Filter angesaugt, in einem ebenfalls nicht gesondert bezeichneten Nachkühler nachgekühlt und einem Direktkontaktkühler 2 zugeführt, der mit Kühlwasser W betrieben wird.
Nach der in dem Direktkontaktkühler 2 erfolgten Vorkühlung wird der weiter mit a bezeichnete Einsatzluftstrom in einer Adsorptionseinrichtung 3 in vielfach in der Literatur beschriebener Weise von Wasser und Kohlendioxid befreit. Die
Adsorptionseinrichtung 3, zuvor auch allgemein als "Adsorber" bezeichnet, kann mittels eines Regeneriergasstroms z regeneriert werden. Die Bildung des
Regeneriergasstroms z wird unten erläutert.
Der weiter mit a bezeichnete, entsprechend behandelte und damit aufgereinigte Einsatzluftstrom wird warmseitig einem Hauptwärmetauscher 4 zugeführt. Der Einsatzluftstrom a wird dem Hauptwärmetauscher 4 kaltseitig bzw. nahe an dessen kaltem Ende entnommen und in die erste Kolonne 11 eingespeist.
Die Sumpfflüssigkeit der ersten Kolonne 11 wird aus dieser abgezogen und in den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 gemäß den Figuren 1 bis 3 in zwei Teilströme d und e aufgeteilt. Der Teilstrom d wird hier in den Kondensatorverdampfer 111 eingespeist und dabei verdampft. Anschließend wird der verdampfte Teilstrom d im Hauptwärmetauscher 4 teilerwärmt und danach in einer Entspannungsmaschine 5, die mit einem Generator G gekoppelt ist, auf den Betriebsdruck der zweiten Kolonne 12 entspannt und in einem unteren Bereich in diese zweite Kolonne 12 eingespeist. Die Behandlung der Sumpfflüssigkeit in der Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 weicht hiervon ab. Auf die spezifischen Erläuterungen unten wird verwiesen.
Der Teilstrom e wird dagegen in den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 gemäß den Figuren 1 bis 3 durch den Unterkühlungsgegenströmer 18 und anschließend durch den Kondensatorverdampfer 141 geführt. Ein Teil kann auch, wie in Form einer
Verknüpfung f veranschaulicht, in die zweite Kolonne 12 eingespeist werden. In dem Kopfkondensator 141 gebildetes Gas kann als der bereits erwähnte
Regeneriergasstrom z verwendet werden. Es wird dazu zunächst in dem
Unterkühlungsgegenströmer 18 und danach im Hauptwärmetauscher 4 erwärmt. Ein flüssig verbleibender Anteil wird, wie hier in Form eines Stoffstroms g veranschaulicht, in die dritte Kolonne 13 eingespeist. In der Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 wird kein entsprechender Teilstrom e oder f gebildet. Auch hier sei auf die spezifischen Erläuterungen unten ausdrücklich verwiesen.
Das Kopfgas der ersten Kolonne 11 wird teilweise in Form eines Stoffstroms h durch den Kondensationsraum des Kopfkondensators 111 geführt und als flüssiger Rücklauf auf die erste Kolonne 11 zurückgeführt. Ein weiterer Anteil wird in Form eines
Stoffstroms i im Hauptwärmetauscher 4 erwärmt und als gasförmiges
Stickstoffdruckprodukt aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet oder anderweitig verwendet.
Die Sumpfflüssigkeit der zweiten Kolonne 12 wird aus dieser in Form eines Stoffstroms j abgezogen, durch den Unterkühlungsgegenströmer 18 geführt, und in die dritte Kolonne 13 eingespeist. In der Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 wird der Stoffstrom j alternativ zu dem Stoffstrom e (siehe oben) zur Kühlung durch den Kondensatorverdampfer 141 geführt. In dem Kopfkondensator 141 der
Luftzerlegungsanlage 400 gebildetes Gas kann auch hier als Regeneriergasstrom verwendet werden, der der Einfachheit halber ebenfalls mit z bezeichnet ist. In der Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 wird ferner Gas aus dem Kopfkondensator 141 bzw. dessen Verdampfungsraum in die dritte Kolonne 13 eingespeist werden. Ein flüssig verbleibender Anteil wird, wie in Figur 4 ebenfalls in Form eines Stoffstroms g veranschaulicht, in die dritte Kolonne 13 eingespeist.
Das Kopfgas der zweiten Kolonne 12 wird teilweise in Form eines Stoffstroms k durch den Kondensationsraum des Hauptkondensators 121 geführt, dort verflüssigt und wiederum zum Teil als flüssiger Rücklauf auf die zweite Kolonne 12 zurückgeführt. Ein weiterer Anteil wird in Form eines Stoffstroms I im Kondensationsraum des
Kondensatorverdampfers 152 verflüssigt. Dieser weitere Anteil wird in den
Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 gemäß den Figuren 1 bis 3 mit dem im
Kondensationsraum des Hauptkondensators 121 verflüssigten Anteil vereinigt, wie in Form der Verknüpfung I veranschaulicht. Entsprechende Flüssigkeit kann auch mittels einer Pumpe 6 als Rücklauf auf die erste Kolonne 11 aufgegeben werden. Die Pumpe 6 fördert in den Ausgestaltungen gemäß den Figuren 1 bis 3 einen flüssigen, stickstoffreichen Strom b, der in einem oberen Bereich aus der zweiten Kolonne 12 entnommen wird. Ein weiterer Anteil von Kopfgas aus der zweiten Kolonne 12 wird in den Beispielen gemäß den Figuren 1 bis 3 in Form eines Stoffstroms c aus der Anlage ausgeführt.
In der Ausgestaltung der Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 3 erfolgt keine Vereinigung des verflüssigten Anteils des Stoffstroms k und des Stoffstroms I. Vielmehr werden hier Anteile des Stoffstroms k nach der Verflüssigung getrennt voneinander auf die zweite Kolonne 12 und die dritte Kolonne 13 aufgegeben. Die Einspeisung des Stoffstroms I erfolgt separat dazu in die dritte Kolonne 13.
Die Sumpfflüssigkeit der dritten Kolonne 13 wird aus dieser in Form eines Stoffstroms o abgezogen, mittels einer Innenverdichtungspumpe 7 flüssig auf Druck gebracht, in dem Hauptwärmetauscher 4 durch Erwärmen in den gasförmigen oder kritischen Zustand überführt und als gasförmiges Sauerstoffdruckprodukt aus der
Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet oder anderweitig verwendet. Oberhalb des Sumpfs aus der dritten Kolonne 13 in Form eines Stoffstroms p entnommenes Gas wird dagegen mit Restgas aus der dritten Kolonne 13 (siehe unten) zu einem
Sammelstrom q vereinigt, der anschließend im Hauptwärmetauscher 4 erwärmt und als aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet oder anderweitig verwendet wird.
Das Kopfgas der dritten Kolonne 13 wird in Form eines Stoffstroms r durch den Unterkühlungsgegenströmer 18 geführt und in den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 gemäß den Figuren 1 bis 3 mit dem Stoffstrom o wie erwähnt zu dem Sammelstrom q vereinigt. In der Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 erfolgt eine separate
Ausleitung.
Aus der dritten Kolonne 13 wird ferner ein Seitenstrom t gasförmig abgezogen und zunächst in einen oberen Teil der weiteren Kolonne 15 eingespeist. Aus dem oberen Teil der weiteren Kolonne 15 wird dagegen ein Stoffstrom u flüssig in die dritte Kolonne 13 zurückgeführt. In dem oberen Teil der weiteren Kolonne 15 wird dabei ein
Stoffaustausch mit Sumpfflüssigkeit aus der vierten Kolonne 14 vorgenommen, die in den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 gemäß den Figuren 1 bis 3 in Form eines Stoffstroms v in den oberen und den unteren Teil der weiteren Kolonne 15 flüssig aufgegeben wird. In der Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 erfolgt eine
Einspeisung des Stoffstroms v nur in den oberen Teil der weiteren Kolonne 15. Im unteren Teil der weiteren Kolonne 15 werden leichter flüchtige Komponenten durch Erwärmen mittels des Kondensatorverdampfers 152 ausgetrieben. Aus dem oberen und dem unteren Teil der weiteren Kolonne 15 wird jeweils Gas abgezogen, das in den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 gemäß den Figuren 1 bis 3 in Form eines
Stoffstroms w in die vierte Kolonne 14 eingespeist wird. In der Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 wird dagegen die vierte Kolonne 14 nur mit einem Gasstrom w' aus dem oberen Teil der weiteren Kolonne 15 gespeist. Ein Gas- und
Flüssigkeitsaustausch zwischen dem oberen und dem unteren Teil der weiteren Kolonne 15 erfolgt hier in Form der Stoffströme w" und w'". Somit wird ein Teil des Seitenstroms t letztlich in die vierte Kolonne 14 eingespeist und aus dieser letztlich ein Teil der Sumpfflüssigkeit in die dritte Kolonne 13 zurückgeführt. Die weitere Kolonne 15 kann in sämtlichen hier veranschaulichten Beispielen beispielsweise auch jeweils oberhalb des Kopfkondensators 111 der ersten Kolonne 11 angeordnet sein.
Sumpfflüssigkeit aus dem unteren Teil der weiteren Kolonne 15 wird in Form eines Stoffstroms x abgezogen und im dargestellten Beispiel in ein Tanksystem T
eingespeist. Bei Bedarf wird aus dem Tanksystem T ein der Übersichtlichkeit halber ebenfalls mit x bezeichneter Stoffstrom entnommen, in dem Hauptwärmetauscher 4 verdampft und als hochreines, gasförmiges Sauerstoffprodukt ausgeführt.
Aus der vierten Kolonne 14 wird in Form eines Stoffstroms y argonreiche Flüssigkeit entnommen mittels einer weiteren Innenverdichtungspumpe 8 flüssig auf Druck gebracht, in dem Hauptwärmetauscher 4 durch Erwärmen in den gasförmigen oder kritischen Zustand überführt, und als gasförmiges Argondruckprodukt aus der
Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet oder anderweitig verwendet. In der
Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 ist in diesem Zusammenhang ferner ein entsprechendes Tanksystem T' veranschaulicht.
Als weitere Produkte der Anlage 100 können Flüssigstickstoff, Flüssigsauerstoff (ggf. auch mit unterschiedlichen Reinheiten) und Flüssigargon bereitgestellt werden, wie grundsätzlich bekannt und beispielsweise in Form eines Teilstroms des verflüssigten Kopfgases h der ersten Kolonne 11 dargestellt. In der Ausgestaltung der
Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 ist ferner eine Flüssigstickstoffeinspeisung in den Kondensatorverdampfer 111 anhand eines Stoffstroms h' dargestellt. Die in Figur 2 veranschaulichte, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung
ausgebildete Luftzerlegungsanlage 200 unterscheidet sich von der in Figur 1 gezeigten Luftzerlegungsanlage im Wesentlichen dadurch, dass der Stoffstrom d vor dessen Entspannung in der Entspannungsmaschine 8 nicht erwärmt wird.
Die in Figur 3 veranschaulichte Luftzerlegungsanlage 300 unterscheidet sich von der in Figur 2 gezeigten Luftzerlegungsanlage 200 im Wesentlichen dadurch, dass eine Aufteilung des Stoffstroms z warmseitig des Hauptwärmetauschers 4 vorgenommen wird, wobei ein Teilstrom z' des Stoffstroms z mittels eines Verdichters 9 verdichtet, in dem Hauptwärmetauscher 4 abgekühlt und in die zweite Kolonne 12 eingespeist wird. Die Luftzerlegungsanlage 300 kann ansonsten auch der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100 gleichen.
Die in Figur 4 dargestellte Luftzerlegungsanlage 400 veranschaulicht die
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen im Zusammenhang mit einem an sich bekannten SPECTRA-Prozess. Hierbei wird der ersten Kolonne 11 neben dem
Sumpfstrom d, der bereits oben erläutert wurde, ein weiterer Stoffstrom d' oberhalb des Sumpfs entnommen und, wie der Stoffstrom d, in dem Hauptwärmetauscher 4 nochmals abgekühlt. Danach erfolgt eine Verdampfung in dem
Kondensatorverdampfer 111.
Der Stoffstrom d wird zu einem Teil in der Entspannungsmaschine 5, die mit einem Generator G gekoppelt ist, entspannt und wie erwähnt (siehe Verknüpfung D) in die zweite Kolonne 12 eingespeist. Der verbleibende Rest des Stoffstroms d wird in dem Hauptwärmetauscher 4 teilerwärmt und sodann in einer weiteren
Entspannungsmaschine 401 , die mit einem Verdichter 402 und einer Bremse 403 gekoppelt ist, entspannt. Anschließend erfolgt eine Ausleitung aus der
Luftzerlegungsanlage 400. Ein Teil des verflüssigten Stoffstroms h wird flüssig ausgeleitet und ggf. gegen einen Teil desselben Stoffstroms in einem Unterkühler 404 unterkühlt. Der zum Unterkühlen verwendete Anteil kann mit dem entspannten Rest des Stoffstroms d vereinigt werden.
Der Stoffstrom d' wird dagegen nach seiner Verdampfung in dem
Kondensatorverdampfer 111 zumindest zum Teil einer Verdichtung in dem Verdichter 402 unterworfen, in dem Hauptwärmetauscher 4 wieder abgekühlt und in die erste Kolonne 11 zurückgeleitet.
Wie erwähnt, ist die in Figur 5 dargestellte Luftzerlegungsanlage 500 als Variante der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 4 veranschaulicht. Sie zeichnet sich
insbesondere durch die Verwendung eines Gebläses 501 aus, mittels welchem ein Teil des Stoffstroms q, hier mit q' bezeichnet, auf den Druck des Stoffstroms z gebracht und letzterem zugespeist wird. Wie erwähnt, ist eine derartige Ausgestaltung insbesondere dann vorteilhaft, wenn keine Kältemaschine bei der Vorkühlung der Einsatzluft eingesetzt wird und der Regeneriergasbedarf daher vergleichsweise hoch ausfällt. Vorteile ergeben sich auch dann, wenn die an den Wasserstoffgehalt im Stickstoffprodukt vergleichsweise hoch sind. Auf die entsprechenden Erläuterungen oben wird verwiesen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem eine
Luftzerlegungsanlage (100-500) mit einem Kolonnensystem (10) verwendet wird, das eine erste Kolonne (11), eine zweite Kolonne (12), eine dritte Kolonne (13) und eine vierte Kolonne (14) aufweist, wobei a) in der ersten Kolonne (11) eine erste Sumpfflüssigkeit gebildet wird, in der zweiten Kolonne (12) eine zweite Sumpfflüssigkeit gebildet wird, in der dritten Kolonne (13) eine dritte Sumpfflüssigkeit gebildet wird und in der vierten Kolonne (14) eine vierte Sumpfflüssigkeit gebildet wird, b) die erste Kolonne (11) in einem ersten Druckbereich betrieben wird, die zweite Kolonne (12) in einem zweiten Druckbereich unterhalb des ersten
Druckbereichs betrieben wird und die dritte Kolonne (13) in einem dritten Druckbereich unterhalb des zweiten Druckbereichs betrieben wird, c) die zweite Sumpfflüssigkeit mit einem höheren Sauerstoffgehalt und einem höheren Argongehalt als die erste Sumpfflüssigkeit gebildet wird und die dritte Sumpfflüssigkeit mit einem höheren Sauerstoffgehalt und einem geringeren Argongehalt als die zweite Sumpfflüssigkeit gebildet wird, d) Fluid aus der ersten Kolonne (11) zumindest in die zweite Kolonne (12), Fluid aus der zweiten Kolonne (12) zumindest in die dritte Kolonne (13), Fluid aus der dritten Kolonne (13) in die vierte Kolonne (14) und Fluid aus der vierten Kolonne (14) zumindest in die dritte Kolonne (13) eingespeist wird, und e) das aus der dritten Kolonne (13) in die vierte Kolonne (14) eingespeiste Fluid zumindest einen Teil eines Seitenstroms umfasst, der mit einem geringeren Sauerstoffgehalt und einem höheren Argongehalt als die dritte
Sumpfflüssigkeit aus der dritten Kolonne (13) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass f) durch Kondensieren von Kopfgas der ersten Kolonne (11) eine Rücklaufflüssigkeit gebildet wird und die Rücklaufflüssigkeit flüssig auf die erste Kolonne (11) zurückgeführt wird, g) zum Kondensieren des Kopfgases der ersten Kolonne (11) ein flüssiger
Kühlstrom im indirekten Wärmetausch gegen das Kopfgas verdampft oder teilverdampft wird, und h) bei der Verdampfung oder Teilverdampfung des Kühlstroms gebildetes Gas auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich arbeitsleistend entspannt und in die zweite Kolonne (12) eingespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der Kühlstrom unter Verwendung zumindest eines Anteils der ersten Sumpfflüssigkeit gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zum Kondensieren des Kopfgases der ersten Kolonne (11) ein weiterer flüssiger Kühlstrom im indirekten Wärmetausch gegen das Kopfgas verdampft oder teilverdampft wird, wobei der weitere Kühlstrom oberhalb des Sumpfs aus der ersten Kolonne (11) entnommen und nach der Verdampfung oder Teilverdampfung zumindest zum Teil verdichtet und in die erste Kolonne (11) zurückgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zum Kondensieren des Kopfgases der ersten Kolonne (11) und zum Verdampfen des Kühlstroms ein Forced-Flow-Kondensatorverdampfer verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das bei der
Verdampfung oder Teilverdampfung des Kühlstroms gebildete Gas, das entspannt und in die zweite Kolonne (12) eingespeist wird, vor der Entspannung erwärmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das bei der Verdampfung oder Teilverdampfung des Kühlstroms gebildete Gas, das arbeitsleistend entspannt und in die zweite Kolonne (12) eingespeist wird, auf einer Temperatur, bei der er nach der Verdampfung oder Teilverdampfung vorliegt, der Entspannung zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das bei der Verdampfung oder Teilverdampfung des Kühlstroms gebildete Gas, das arbeitsleistend entspannt und in die zweite Kolonne (12) eingespeist wird, auf einer Temperatur, auf der er einer zur Entspannung verwendeten Entspannungsmaschine (5) entnommen wird, in die zweite Kolonne (12) eingespeist wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem Kopfgas der vierten Kolonne (14) zumindest zu einem Teil in einem Kondensationsraum eines
Kondensatorverdampfers (141) kondensiert wird, dessen Verdampfungsraum ein Gasgemisch entnommen wird, wobei zumindest ein Teil des Gasgemischs, das dem Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers (141) entnommen wird, zur Bildung eines Rückführstroms verwendet wird, welcher erwärmt, verdichtet, abgekühlt und in die zweite Kolonne (12) eingespeist wird und/oder als
Regeneriergas für einen Adsorber (3) verwendet wird, in dem Einsatzluft aufbereitet wird, die dem Kolonnensystem (10) zugeführt wird, auf bereitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zumindest ein Teil eines Gasgemischs, welches aus einem oberen Bereich der dritten Kolonne (13) entnommen wird, zur Bildung eines Rückführstroms verwendet wird, welcher erwärmt, verdichtet, abgekühlt und in die zweite Kolonne (12) eingespeist wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Adsorber (3), in welchem die
Einsatzluft aufbereitet wird, die dem Kolonnensystem (10) zugeführt wird, ohne Verwendung von Regeneriergas betrieben wird, das aus der dritten Kolonne (12) entnommen und in stofflich unveränderter Zusammensetzung dem Adsorber (3) zugeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem zumindest ein T eil des Gasgemischs, das dem Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers (141) entnommen wird, als ein erster Regeneriergasanteil verwendet wird, und bei dem zumindest ein Teil des Gases, welches aus der dritten Kolonne (13) entnommen wird, als ein zweiter Regeneriergasanteil verwendet wird, wobei der zweite Regeneriergasanteil auf einem geringeren Druck als der erste bereitgestellt, verdichtet und mit dem ersten Regeneriergasanteil vereinigt wird, bevor er dem Adsorber (3) zugeführt wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem beim
arbeitsleistenden Entspannen des verdampften oder teilverdampften Kühlstroms oder zumindest dessen Anteils, der arbeitsleistend entspannt und in die zweite Kolonne (12) eingespeist wird, freiwerdende Leistung zum Betrieb eines elektrischen Generators verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der zweite
Druckbereich bei 4 bis 6,5 bar liegt.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Seitenstrom, der mit einem geringeren Sauerstoffgehalt und einem höheren Argongehalt als die dritte Sumpfflüssigkeit gebildet und aus der dritten Kolonne (13) entnommen wird, unter Erhalt eines an Sauerstoff abgereicherten Gasgemischs und einer
Sumpfflüssigkeit einer Aufbereitung in einer weiteren Kolonne (16) unterworfen wird, wobei das an Sauerstoff abgereicherte Gasgemisch aus der weiteren Kolonne (16) zumindest zu einem Anteil in die vierte Kolonne (14) eingespeist wird.
15. Luftzerlegungsanlage (100-500), die ein Kolonnensystem (10) mit einer ersten Kolonne (11), einer zweiten Kolonne (12), einer dritten Kolonne (13) und einer vierten Kolonne (14) aufweist und die dafür eingerichtet ist, a) in der ersten Kolonne (11) eine erste Sumpfflüssigkeit zu bilden, in der
zweiten Kolonne (12) eine zweite Sumpfflüssigkeit zu bilden, in der dritten Kolonne (13) eine dritte Sumpfflüssigkeit zu bilden und in der vierten
Kolonne (14) eine vierte Sumpfflüssigkeit zu bilden, b) die erste Kolonne (11) in einem ersten Druckbereich zu betreiben, die zweite Kolonne (12) in einem zweiten Druckbereich unterhalb des ersten
Druckbereichs zu betreiben und die dritte Kolonne (13) in einem dritten Druckbereich unterhalb des zweiten Druckbereichs zu betreiben, c) die zweite Sumpfflüssigkeit mit einem höheren Sauerstoffgehalt und einem höheren Argongehalt als die erste Sumpfflüssigkeit zu bilden und die dritte Sumpfflüssigkeit mit einem höheren Sauerstoffgehalt und einem geringeren Argongehalt als die zweite Sumpfflüssigkeit zu bilden, d) Fluid aus der ersten Kolonne (11) zumindest in die zweite Kolonne (13), Fluid aus der zweiten Kolonne (12) zumindest in die dritte Kolonne (13), Fluid aus der dritten Kolonne (13) zumindest in die vierte Kolonne (14) und Fluid aus der vierten Kolonne (14) zumindest in die dritte Kolonne (13) einzuspeisen, und e) als das aus der dritten Kolonne (13) in die vierte Kolonne (14) eingespeiste Fluid zumindest einen Teil eines Seitenstroms zu verwenden, der mit einem geringeren Sauerstoffgehalt und einem höheren Argongehalt als die dritte Sumpfflüssigkeit aus der dritten Kolonne (13) entnommen wird gekennzeichnet durch Mittel, die dafür eingerichtet sind, f) durch Kondensieren von Kopfgas der ersten Kolonne (11) eine
Rücklaufflüssigkeit zu bilden und die Rücklaufflüssigkeit flüssig auf die erste Kolonne (11) zurückzuführen, g) zum Kondensieren des Kopfgases der ersten Kolonne (11) einen flüssigen Kühlstrom im indirekten Wärmetausch gegen das Kopfgas zu verdampfen oder teilzuverdampfen, und h) bei der Verdampfung oder Teilverdampfung des Kühlstroms gebildetes Gas arbeitsleistend auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich zu entspannen und in die zweite Kolonne (12) einzuspeisen.
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