WO2022053173A1 - Method and plant for cryogenic fractionation of air - Google Patents

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WO2022053173A1
WO2022053173A1 PCT/EP2021/025288 EP2021025288W WO2022053173A1 WO 2022053173 A1 WO2022053173 A1 WO 2022053173A1 EP 2021025288 W EP2021025288 W EP 2021025288W WO 2022053173 A1 WO2022053173 A1 WO 2022053173A1
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Daniel Palaniswamy OTTE
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Linde Gmbh
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Definitions

  • the rectification columns of the column systems mentioned are operated in different pressure ranges.
  • Known double column systems have a so-called pressure column (also referred to as a high-pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (upper column).
  • the high-pressure column is typically operated in a pressure range of 4 to 7 bar, in particular at approx. 5.3 bar, while the low-pressure column is operated in a pressure range of typically 1 to 2 bar, in particular at approx. 1.4 bar. In certain cases, higher pressures can also be used in both rectification columns.
  • the pressures specified here and below are absolute pressures at the top of the columns specified in each case.
  • the object of the present invention is to improve methods for the low-temperature decomposition of air and for the provision of air products and, in particular, to design them in an energetically more favorable manner.
  • Main air compressor/recompressor processes are characterized in that only part of the total amount of feed air fed to the column system is compressed to a pressure in a pressure range that is significantly above the pressure range at which the pressure column is operated, i.e. a pressure range of typically 4 to 7 bar, as mentioned. Another portion of the feed air is only compressed to a pressure in this pressure range or at most to a pressure of at most 1 to 2 bar above this, and fed into the pressure column without further expansion.
  • An example of such a main air compressor/post-compressor process is shown by Häring (see above) in Figure 2.3A.
  • Pressure ranges and temperature ranges are given below to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that pressures and temperatures do not have to be in the form of exact pressure or temperature values. For example, there are also different pressures in the rectification columns of an air separation plant, but these are all within a comprehensive pressure range. Different pressure ranges and temperature ranges can be disjunctive ranges or ranges that overlap one another. The pressures given here in bar are always absolute pressures.
  • the expansion of the fourth quantity of air to the pressure in the third pressure range in the second period in particular using one or more expansion turbines, ie one or more excess air turbines, and in the first period by bypassing one or the multiple excess air turbines and using one or more expansion valves.
  • the expansion turbine(s) can be coupled to a booster that is involved in compressing the first quantity of air to the pressure in the first pressure level, or to a generator or the like.
  • the second quantity of air is cooled before the expansion to the pressure in the first pressure range, in particular to a temperature in a first temperature range, and due to the expansion to the pressure in the first pressure range, it cools down further to a temperature in a second temperature range.
  • the fourth amount of air is formed at the temperature in the second temperature range (i.e., in particular, branched off from the second amount of air), and the fourth amount of air is expanded to the pressure in the third pressure range using the one or more expansion turbines in the second time period prior to expansion Subjected to heating to a temperature in a third temperature range. Like the heating mentioned below, this heating takes place in particular in the main heat exchanger.
  • a partial flow of the fourth air quantity is branched off before it enters the main heat exchanger, expanded by means of at least one of the several expansion valves, and then combined with the remaining air of the fourth air quantity, which in turn is brought to the temperature in the third temperature range in the main heat exchanger was heated and expanded by means of at least one other of the plurality of expansion valves.
  • a mixed temperature arises here that corresponds to the "normal" turbine outlet temperature (the mixed temperature in the fourth temperature range) of the excess air turbine.
  • the outlet temperature of the corresponding air flow from the main heat exchanger drops to the original design level.
  • the first temperature range can, in particular, be -130° C. to -70° C.
  • the second temperature range can be -178° C. to -150 °C
  • the third temperature range is -20 to +30 °C
  • the fourth temperature range is -130 to -60 °C.
  • the fourth quantity of air can be discharged from the air separation plant in particular after it has been expanded to the pressure in the third pressure range.
  • the present invention also extends to an air separation plant.
  • an air separation plant For features and advantages of such an air separation plant, reference is made to the corresponding independent patent claim.
  • such an air separation plant is set up to carry out a method in one or more of the configurations explained above and has appropriately designed means for this purpose.
  • FIG. 1 an air separation plant configured according to one embodiment of the invention is illustrated in the form of a simplified process flow diagram and denoted overall by 100.
  • the air separation plant 100 is designed in parts like a conventional air separation plant and includes corresponding components.
  • a rectification column system 10 which in the example shown can have a pressure column 11, a low-pressure column 12, a crude argon column 13 and a pure argon column 14, by means of which air products such as internally compressed oxygen at different pressure levels GOX IC1, GOX IC2, internally compressed nitrogen GAN IC, liquid oxygen LOX , liquid nitrogen LIN and liquid argon LAR can be provided, and from which further material flows such as seal gas SG can be carried out or released into the atmosphere A, essentially be operated in a conventional manner and be designed in the manner shown or differently. It is therefore not explained further here.
  • relevant specialist literature such as Häring (see above).
  • the provision of a compressed air flow 101 is also not explained in detail and can essentially correspond to what is customary in the art.
  • the compressed air flow 101 is brought to a pressure level in a compression section 1 by means of a main air compressor, as is typical for a high-air pressure process. Cleaning takes place in a known manner adsorptively in a cleaning section 2. Water W is used for cooling and certain material flows are released into the atmosphere A. Other configurations can also be implemented.
  • the correspondingly relaxed partial flow 105 which is designated 106 for better differentiation, is fed into a container 8 fed in, from which liquid is drawn off at the bottom and fed into the low-pressure column 12 in the form of a stream 107 .
  • Gas is removed from the top of the container 8 in the form of a stream 108 .
  • Part of the stream 108 is fed into the pressure column 12 in the form of a stream 109 .
  • Another part of the material flow 108 serves as excess air and is fed to the main heat exchanger 3 on the cold side in the form of a material flow 110 .
  • the expansion machine 7, which represents the excess air turbine is fed to the material flow 110 heated to an intermediate temperature level in the main heat exchanger 3, denoted by 111 for the sake of better differentiation, expanded there, fed back to the main heat exchanger 3, there completely heated and executed as excess air EA from the process 100 in the form of a stream 112.
  • the expansion machine 7, which represents the excess air turbine is bypassed by means of a bypass flow 113, with corresponding excess air being expanded at a valve 9.
  • the excess air EA expanded in this way is carried out from the process 100 in the form of a material flow 112 .
  • FIG. 2 an air separation plant designed according to a further embodiment of the invention is illustrated in the form of a simplified process flow diagram and denoted overall by 200.
  • a first bypass stream 113a with a valve 9a upstream of the main heat exchanger 3 is branched off here in the first operating mode. A corresponding proportion of fluid is therefore not heated in the main heat exchanger 3 .
  • a second bypass stream 113b is formed from air, which is heated in the main heat exchanger like the material stream 111 in the second operating mode. This is relieved via a valve 9b.
  • the bypass streams 113a and 113b are combined to obtain a mixed temperature.

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Abstract

A method for cryogenic air fractionation using an air fractionation plant which has a rectification column system (10) with a rectification column (11) which is operated in a first pressure range. A first air quantity is subjected to intermediate compression to a pressure in a second pressure range, a second air quantity that is a partial quantity of the first air quantity compressed in the second pressure range is expanded to a pressure in the first pressure range, a third air quantity that is a partial quantity of the second air quantity expanded to the pressure in the first pressure range is fed into the first rectification column (11), and a fourth air quantity that is a partial quantity of the second air quantity expanded to the pressure in the first pressure range is expanded to a pressure in a third pressure range. The expansion of the fourth air quantity to the pressure in the third pressure range is performed in a first period of time without the use of an expansion turbine and is performed in a second period of time using an expansion turbine (7).

Description

Beschreibung description
Verfahren und Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft Process and plant for the low-temperature separation of air
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine entsprechende Anlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. The present invention relates to a method for the low-temperature separation of air and a corresponding system according to the respective preambles of the independent patent claims.
Hintergrund der Erfindung Background of the Invention
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. The production of air products in a liquid or gaseous state by low-temperature separation of air in air separation plants is known and is described, for example, by H.-W. Häring (ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, in particular Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification".
Luftzerlegungsanlagen klassischer Art weisen Kolonnensysteme auf, die beispielsweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als Doppelkolonnensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen, vorgesehen sein. Air separation plants of the classic type have column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as double-column systems, but also as three- or multi-column systems. In addition to rectification columns for obtaining nitrogen and/or oxygen in the liquid and/or gaseous state, ie rectification columns for nitrogen-oxygen separation, rectification columns for obtaining further air components, in particular inert gases, can be provided.
Die Rektifikationskolonnen der genannten Kolonnensysteme werden in unterschiedlichen Druckbereichen betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Druckkolonne (auch als Hochdruckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (obere Kolonne) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise in einem Druckbereich von 4 bis 7 bar, insbesondere bei ca. 5,3 bar, betrieben, die Niederdruckkolonne dagegen auf in einem Druckbereich von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere bei ca. 1 ,4 bar. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Drücke eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen. Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und zur Bereitstellung von Luftprodukten zu verbessern und insbesondere energetisch günstiger auszugestalten. The rectification columns of the column systems mentioned are operated in different pressure ranges. Known double column systems have a so-called pressure column (also referred to as a high-pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (upper column). The high-pressure column is typically operated in a pressure range of 4 to 7 bar, in particular at approx. 5.3 bar, while the low-pressure column is operated in a pressure range of typically 1 to 2 bar, in particular at approx. 1.4 bar. In certain cases, higher pressures can also be used in both rectification columns. The pressures specified here and below are absolute pressures at the top of the columns specified in each case. The object of the present invention is to improve methods for the low-temperature decomposition of air and for the provision of air products and, in particular, to design them in an energetically more favorable manner.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine entsprechende Anlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. This object is achieved by a method for the low-temperature separation of air and a corresponding system with the features of the independent patent claims. Configurations are the subject matter of the dependent patent claims and the following description.
Nachfolgend werden zunächst einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung erläutert und zur Beschreibung der Erfindung verwendete Begriffe definiert. Some basic principles of the present invention are first explained below and terms used to describe the invention are defined.
Zur Luftzerlegung können sogenannte Haupt(luft)verdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren oder sogenannte Hochluftdruck-(High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zum Einsatz, ein Hochluftdruck-Verfahren wird auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet. So-called main (air) compressor/boost compressor (main air compressor/booster air compressor, MAC-BAC) method or so-called high air pressure (HAP) method can be used for air separation. The main air compressor/boost processes are the more conventional processes, high air pressure processes have been increasingly used as alternatives recently, a high air pressure process is also used in the present invention.
Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Kolonnensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf einen Druck in einem Druckbereich verdichtet wird, der wesentlich oberhalb des Druckbereichs liegt, auf dem die Druckkolonne betrieben wird, also einem Druckbereich von typischerweise 4 bis 7 bar, wie erwähnt. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf einen Druck in diesem Druckbereich verdichtet oder allenfalls auf einen Druck von maximal 1 bis 2 bar oberhalb hiervon, und ohne weitere Entspannung in die Druckkolonne eingespeist. Ein Beispiel für ein derartiges Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt. Main air compressor/recompressor processes are characterized in that only part of the total amount of feed air fed to the column system is compressed to a pressure in a pressure range that is significantly above the pressure range at which the pressure column is operated, i.e. a pressure range of typically 4 to 7 bar, as mentioned. Another portion of the feed air is only compressed to a pressure in this pressure range or at most to a pressure of at most 1 to 2 bar above this, and fed into the pressure column without further expansion. An example of such a main air compressor/post-compressor process is shown by Häring (see above) in Figure 2.3A.
Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die der Druckkolonne zugeführte, und insbesondere die gesamte, dem Kolonnensystem insgesamt zugeführte Luftmenge auf einen Druck in einem Druckbereich verdichtet, der wesentlich oberhalb des Druckbereichs liegt, auf dem die Druckkolonne betrieben wird. Ein entsprechender Druckbereich liegt beispielsweise zwischen 10 und 100 bar. Auch die in die Druckkolonne eingespeiste Luft wird in einem Hochluftdruck-Verfahren daher vor ihrer Einspeisung entspannt. Hochluftdruck-Verfahren sind vielfach beschrieben worden und beispielsweise aus der EP 2 980 514 A1 und der EP 2 963 367 A1 bekannt. In a high-air pressure process, on the other hand, the air supplied to the pressure column, and in particular the entire quantity of air supplied to the column system as a whole, is compressed to a pressure in a pressure range which is significantly above of the pressure range at which the pressure column is operated. A corresponding pressure range is between 10 and 100 bar, for example. The air fed into the pressure column is therefore expanded in a high-air pressure process before it is fed in. High-air pressure processes have been described many times and are known, for example, from EP 2 980 514 A1 and EP 2 963 367 A1.
Zu den in Luftzerlegungsanlagen eingesetzten Vorrichtungen bzw. Apparaten sei auf Fachliteratur wie Häring (s.o.), insbesondere Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" verwiesen. Nachfolgend werden zur Verdeutlichung und klareren Abgrenzung einige Aspekte entsprechender Vorrichtungen näher erläutert. For the devices and apparatuses used in air separation plants, reference is made to specialist literature such as Häring (see above), in particular Section 2.2.5.6, "Apparatus". Some aspects of corresponding devices are explained in more detail below for clarification and clearer delimitation.
In Luftzerlegungsanlagen kommen zur Verdichtung der gesamten zerlegten Luft mehrstufige Turboverdichter zum Einsatz, die hier als "Hauptluftverdichter" oder kurz als "Hauptverdichter" bezeichnet werden. Der mechanische Aufbau von Turboverdichtern ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. In einem Turboverdichter erfolgt die Verdichtung des zu verdichtenden Mediums mittels Turbinenschaufeln bzw. Impellern, die auf einem Turbinenrad oder direkt auf einer Welle angeordnet sind. Ein Turboverdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch bei einem mehrstufigen Turboverdichter mehrere Verdichterstufen aufweisen kann. Eine Verdichterstufe umfasst dabei in der Regel ein Turbinenrad oder eine entsprechende Anordnung von Turbinenschaufeln. Alle dieser Verdichterstufen können von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Verdichterstufen gruppenweise mit unterschiedlichen Wellen anzutreiben, wobei die Wellen auch über Getriebe miteinander verbunden sein können. In air separation plants, multi-stage turbo compressors are used to compress all of the separated air, which are referred to here as "main air compressors" or "main compressors" for short. The mechanical structure of turbo compressors is known in principle to those skilled in the art. In a turbo compressor, the medium to be compressed is compressed by means of turbine blades or impellers, which are arranged on a turbine wheel or directly on a shaft. A turbo compressor forms a structural unit which, however, can have several compressor stages in the case of a multi-stage turbo compressor. A compressor stage generally includes a turbine wheel or a corresponding arrangement of turbine blades. All of these airends can be driven by a common shaft. However, it can also be provided that the compressor stages are driven in groups with different shafts, in which case the shafts can also be connected to one another via gears.
Der Hauptluftverdichter zeichnet sich dadurch aus, dass durch diesen die gesamte in das Kolonnensystem eingespeiste und zur Herstellung von Luftprodukten verwendete und zerlegte Luftmenge, also die gesamte Einsatzluft, verdichtet wird. Entsprechend kann auch ein "Nachverdichter" vorgesehen sein, in dem aber nur ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Luftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird. Auch dieser kann Turboverdichter ausgebildet sein. Zur Verdichtung von Teilluftmengen sind typischerweise weitere Turboverdichter vorgesehen, die auch als Booster bezeichnet werden, im Vergleich zu dem Hauptluftverdichter oder dem Nachverdichter jedoch nur eine Verdichtung in relativ geringem Umfang vornehmen. Auch in einem Hochluftdruck-Verfahren kann ein Nachverdichter vorhanden sein, dieser verdichtet jedoch eine Teilmenge der Luft dann ausgehend von einem entsprechend höheren Druck. The main air compressor is distinguished by the fact that it compresses the entire amount of air fed into the column system and used and broken down for the production of air products, i.e. the entire feed air. Correspondingly, a "post-compressor" can also be provided, in which, however, only part of the air quantity compressed in the main air compressor is brought to an even higher pressure. This can also be designed as a turbo compressor. Additional turbo compressors are typically provided for compressing partial amounts of air, which are also referred to as boosters, but only perform compression to a relatively small extent in comparison to the main air compressor or the secondary compressor. A booster can also be present in a high-air pressure process, however, this then compresses a subset of the air starting from a correspondingly higher pressure.
An mehreren Stellen in Luftzerlegungsanlagen kann ferner Luft entspannt werden, wozu unter anderem Entspannungsmaschinen in Form von Turboexpandern, hier auch als "Entspannungsturbinen" bezeichnet, zum Einsatz kommen können. Turboexpander können auch mit Turboverdichtern gekoppelt sein und diese antreiben. Werden ein oder mehrere Turboverdichter ohne extern zugeführte Energie, d.h. nur über einen oder mehrere Turboexpander, angetrieben, wird für eine derartige Anordnung auch der Begriff "Turbinenbooster" oder "Boosterturbine" verwendet. In einem Turbinenbooster sind der Turboexpander (die Entspannungsturbine) und der Turboverdichter (der Booster) mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein zwischengeschaltetes Getriebe) erfolgen kann. Air can also be expanded at several points in air separation plants, for which purpose, among other things, expansion machines in the form of turboexpanders, also referred to here as “expansion turbines”, can be used. Turboexpanders can also be coupled to and drive turbocompressors. If one or more turbo compressors are driven without externally supplied energy, i.e. only via one or more turbo expanders, the term "turbine booster" or "booster turbine" is also used for such an arrangement. In a turbine booster, the turboexpander (the expansion turbine) and the turbocompressor (the booster) are mechanically coupled, with the coupling being able to take place at the same speed (e.g. via a common shaft) or at different speeds (e.g. via an intermediate gear).
In typischen Luftzerlegungsanlagen sind zur Kälteerzeugung und Verflüssigung von Stoffströmen an unterschiedlichen Stellen entsprechende Entspannungsturbinen vorhanden. Hierbei handelt es sich insbesondere um sogenannte Joule-Thomson- Turbinen, Claude-Turbinen, Lachmann-Turbinen und Überschussluft-Turbinen. Zur Funktion und zum Zweck entsprechender Turbinen wird ergänzend auf die Fachliteratur, beispielsweise F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, insbesondere die Abschnitte 2.4, "Contemporary Liquefaction Cycles", 2.6, "Theoretical Analysis of the Claude Cycle" und 3.8.1 , "The Lachmann Principle", verwiesen. In typical air separation plants, corresponding expansion turbines are present at different points for the generation of cold and the liquefaction of material flows. These are in particular so-called Joule-Thomson turbines, Claude turbines, Lachmann turbines and excess air turbines. For the function and purpose of corresponding turbines, reference is also made to the specialist literature, for example F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, particularly Sections 2.4, "Contemporary Liquefaction Cycles", 2.6, "Theoretical Analysis of the Claude Cycle" and 3.8.1, "The Lachmann Principle".
In einer Überschussluft-Turbine (engl. Excess Air Turbine), wie sie auch in einem zuvor erläuterten Hochluftdruck-Verfahren zum Einsatz kommen kann, wird verdichtete Luft ohne Zerlegung wieder entspannt, danach erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet bzw. zum Eintritt des Hauptluftverdichters zurückgeführt. Auf diese Weise kann zusätzliche Kälte gewonnen werden. Eine Luftzerlegungsanlage mit Überschussluft-Turbine ist beispielsweise in der US 3,905,201 A veranschaulicht. In einem Hochluftdruck-Verfahren wird die der Überschussluft-Turbine zugeführte Luft dabei typischerweise durch Luft gebildet, die zusammen mit der der Druckkolonne zugeführten Luft auf einen Druck in einem entsprechenden Druckbereich entspannt wurde. Dieser Luftanteil wird vor und nach der Entspannung in der Überschussluft- Turbine erwärmt. In an excess air turbine, which can also be used in a high-air pressure process as explained above, compressed air is expanded again without being broken down, then heated and discharged from the air separation plant or returned to the inlet of the main air compressor . In this way, additional cold can be obtained. An air separation plant with an excess air turbine is illustrated in US Pat. No. 3,905,201 A, for example. In a high-air pressure process, the air supplied to the excess air turbine is typically formed by air which, together with the air supplied to the pressure column, is expanded to a pressure in a corresponding pressure range became. This proportion of air is heated before and after expansion in the excess air turbine.
Luftzerlegungsanlagen können je nach den zu liefernden Luftprodukten und deren geforderten Aggregat- und Druckzuständen unterschiedlich ausgestaltet werden. So ist beispielsweise zur Bereitstellung von gasförmigen Druckprodukten die sogenannte Innenverdichtung bekannt. Bei dieser wird dem Kolonnensystem eine tiefkalte Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung unterworfen, und durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt. Beispielsweise können auf diese Weise innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff, innenverdichteter gasförmiger Stickstoff oder innenverdichtetes gasförmiges Argon erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer alternativ ebenfalls möglichen externen Verdichtung und ist z.B. bei Häring (s.o.), Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert. Air separation plants can be designed differently depending on the air products to be delivered and their required aggregate and pressure conditions. So-called internal compression is known, for example, for the provision of gaseous pressure products. In this case, a cryogenic liquid is taken from the column system, subjected to an increase in pressure in the liquid state and converted to the gaseous or supercritical state by heating. For example, internally compressed gaseous oxygen, internally compressed gaseous nitrogen or internally compressed gaseous argon can be produced in this way. Internal compression offers a number of advantages over external compression, which is also possible as an alternative, and is explained, for example, in Häring (see above), Section 2.2.5.2, "Internal Compression".
Aus einer Luftzerlegungsanlage können unterschiedliche Luftprodukte wie Flüssigsauerstoff, Flüssigstickstoff oder Flüssigargon ohne Verdampfung in flüssigem Zustand ausgeführt werden, wobei entsprechend gebildete und ausgeführte Mengen hier mit Begriffen wie "Flüssigmenge", "Flüssigleistung" oder "Flüssigproduktion" bezeichnet werden, im Gegensatz zu mittels Innenverdichtung verdampften Luftprodukten, deren Mengen nachfolgend mit "Innenverdichtungsmenge" usw. bezeichnet werden. Different air products such as liquid oxygen, liquid nitrogen or liquid argon can be discharged from an air separation plant in the liquid state without vaporization, with the correspondingly formed and discharged quantities being referred to here with terms such as "liquid quantity", "liquid output" or "liquid production", in contrast to those evaporated by means of internal compression Air products, the amounts of which are referred to below as "internal compression amount" etc.
Nachfolgend werden zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen Druckbereiche und Temperaturbereiche angegeben, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte vorliegen müssen. Beispielsweise liegen in den Rektifikationskolonnen einer Luftzerlegungsanlage auch unterschiedliche Drücke vor, die jedoch allesamt in einem umfassenden Druckbereich liegen. Unterschiedliche Druckbereiche und Temperaturbereiche können dabei disjunkte Bereiche sein oder Bereiche, die einander überlappen. Bei den hier in bar angegebenen Drücken handelt es sich stets um Absolutdrücke. Merkmale und Vorteile der Erfindung Pressure ranges and temperature ranges are given below to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that pressures and temperatures do not have to be in the form of exact pressure or temperature values. For example, there are also different pressures in the rectification columns of an air separation plant, but these are all within a comprehensive pressure range. Different pressure ranges and temperature ranges can be disjunctive ranges or ranges that overlap one another. The pressures given here in bar are always absolute pressures. Features and advantages of the invention
Da Hochluftdruck-Verfahren aufgrund der geringen Anzahl an drehenden Maschinen und den höheren auftretenden Drücken typischerweise hinsichtlich der Erstellungskosten und einiger Betriebskosten kosteneffizienter sind als konventionelle Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren, werden sie zunehmend im Bereich der Luftzerlegung verwendet und können, wie auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Fall, insbesondere mit den erwähnten Überschussluft-Turbinen verwendet werden. Since high-air pressure processes are typically more cost-effective than conventional main air compressor/post-compressor processes in terms of construction costs and some operating costs due to the small number of rotating machines and the higher pressures that occur, they are increasingly used in the field of air separation and can, as well as in the context of the present Invention of the case, used in particular with the mentioned excess air turbines.
Bei Luftzerlegungsanlagen mit einer hohen Flüssigleistung im Verhältnis zur Innenverdichtungsmenge oder mit ausschließlicher Flüssigproduktion können diese Hochluftdruck-Verfahren mit Überschussluft-Turbinen mit besonderem Vorteil eingesetzt werden. Hierbei wird herkömmlicherweise eine Überschussmenge an Luft im Hauptluftverdichter auf einen hohen Druck wie für ein Hochluftdruck-Verfahren typisch verdichtet. Anschließend wird die Luft typischerweise in einem oder zwei, in letzterem Fall meist in Reihe, geschalteten Boostern auf einen nochmals höheren Druck verdichtet. Die entsprechend verdichtete Luft kann unter Verwendung einer ersten Turbine von dem nochmals höheren Druck auf den Drucksäulendruck entspannt werden. Anschließend kann diese Luft auf die notwendige Drucksäulenluft (welche zur Rektifikation erforderlich ist) und einen Überschussanteil aufgeteilt werden. Der Überschussanteil kann im Hauptwärmetauscher angewärmt und einer zweiten Turbine zugeführt werden, welche den Überschussanteil auf einen Druck entspannt, welcher etwas über Umgebungsdruck liegt. Diese zweite Turbine ist die mehrfach erwähnte Überschussluft-Turbine. Dieser Anteil kann dann im Hauptwärmetauscher angewärmt und z.B. in die Umgebung abgeblasen werden. In der Überschussluft-Turbine wird die Luft dabei typischerweise um ca. 80 bis 100 K abgekühlt. Wird ein Booster zur Verdichtung der Luft auf den nochmals höheren Druck verwendet, kann die erste Turbine diesen antreiben, wobei die zweite Turbine (je nach Flüssigleistung im Verhältnis zur Innenverdichtungsmenge) einen Generator antreiben kann. Werden zwei Booster zur Verdichtung der Luft auf den nochmals höheren Druck verwendet, können diese in beliebiger Paarung jeweils durch die erste Turbine und zweite Turbine angetrieben werden. In air separation plants with a high liquid output in relation to the internal compression volume or with exclusive liquid production, these high-air pressure processes with excess air turbines can be used with particular advantage. Here, conventionally, an excess amount of air is compressed in the main air compressor to a high pressure, as is typical for a high-air pressure process. The air is then typically compressed to an even higher pressure in one or two boosters, which are usually connected in series in the latter case. The correspondingly compressed air can be expanded from the even higher pressure to the pressure column pressure using a first turbine. This air can then be divided into the necessary pressure column air (which is required for rectification) and an excess portion. The excess portion can be heated in the main heat exchanger and fed to a second turbine, which expands the excess portion to a pressure that is slightly above ambient pressure. This second turbine is the repeatedly mentioned excess-air-turbine. This portion can then be heated in the main heat exchanger and e.g. blown off into the environment. In the excess air turbine, the air is typically cooled by around 80 to 100 K. If a booster is used to compress the air to the even higher pressure, the first turbine can drive it, while the second turbine (depending on the liquid performance in relation to the internal compression quantity) can drive a generator. If two boosters are used to compress the air to the even higher pressure, they can be driven in any pairing by the first turbine and the second turbine.
In bestimmten Fällen kann der Betrieb einer Luftzerlegungsanlage ohne Überschussluft-Turbine wünschenswert sein. Diese Aufgabenstellung kann mit der vorliegenden Erfindung erfüllt werden. Ebenso kann die vorliegende Erfindung in Fällen zum Einsatz kommen, in denen eine Überschussluft-Turbine zwar vorhanden, zeitweise jedoch außer Betrieb ist, beispielsweise aus Wartungsgründen oder bei einem Defekt der Überschussluft-Turbine. In certain cases it may be desirable to operate an air separation unit without an excess air turbine. This task can be done with the present invention are met. The present invention can also be used in cases in which an excess air turbine is present but is temporarily out of operation, for example for maintenance reasons or if the excess air turbine is defective.
Hierzu schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage vor die ein Rektifikationskolonnensystem mit einer Rektifikationskolonne aufweist, die in einem ersten Druckbereich zwischen 4 und 7 bar, insbesondere zwischen 5 und 6 bar, betrieben wird. Es handelt sich um eine typische Druckkolonne der erläuterten Art. Eine erste Luftmenge wird dabei auf einen Druck in einem zweiten Druckbereich zwischen 10 und 100 bar verdichtet, bei dem es sich um den durch den Hauptluftverdichter erzielten Enddruck, wie er für ein Hochluftdruck-Verfahren typisch ist, zuzüglich einer Druckerhöhung in einem oder mehreren Boostern handeln kann. To this end, the present invention proposes a method for the low-temperature separation of air using an air separation plant which has a rectification column system with a rectification column that is operated in a first pressure range between 4 and 7 bar, in particular between 5 and 6 bar. It is a typical pressure column of the type explained. A first quantity of air is compressed to a pressure in a second pressure range between 10 and 100 bar, which is the final pressure achieved by the main air compressor, as is typical for a high-air pressure process is, plus a pressure increase can act in one or more boosters.
Eine zweite Luftmenge, die eine Teilmenge der auf den Druck in dem zweiten Druckbereich verdichteten ersten Luftmenge ist, wird auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt, wozu eine Turbine verwendet werden kann, die den oder einen der mehreren erwähnten Booster antreibt. Eine dritte Luftmenge, die eine Teilmenge der auf den Druck in dem ersten Druckbereich entspannten zweiten Luftmenge ist, wird in die erste Rektifikationskolonne eingespeist, und eine vierte Luftmenge, die eine Teilmenge der auf den Druck in dem ersten Druckbereich entspannten zweiten Luftmenge ist, wird auf einen Druck in einem dritten Druckbereich zwischen 1 und 2 bar, insbesondere zwischen 1 ,1 und 1 ,4 bar, entspannt. Hierzu kommt herkömmlicherweise eine Überschussluft-Turbine zum Einsatz, worauf aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung verzichtet werden kann. A second quantity of air, which is a subset of the first quantity of air compressed to the pressure in the second pressure range, is expanded to a pressure in the first pressure range, for which purpose a turbine can be used which drives the or one of the several boosters mentioned. A third amount of air, which is a portion of the second amount of air expanded to the pressure in the first pressure range, is fed into the first rectification column, and a fourth amount of air, which is a portion of the second amount of air expanded to the pressure in the first pressure range, is fed a pressure in a third pressure range between 1 and 2 bar, in particular between 1.1 and 1.4 bar, relaxed. An excess air turbine is conventionally used for this purpose, but this can be dispensed with within the scope of the present invention.
Bei der Durchführung von Hochluftdruck-Verfahren, die eigentlich für einen Betrieb mit Überschussluft-Turbinen eingerichtet sind, treten am Hauptwärmetauscher beim Flüssigkeits-Turndown (d.h. dann, wenn die Flüssigkeitsproduktion heruntergefahren wird), am Hauptwärmetauscher auf Grund von zu hohen Temperaturunterschieden sehr große Thermospannungen auf. Diese erlauben es herkömmlicherweise nicht, die Anlage ohne den Betrieb der Überschussluft-Turbine weiter zu betreiben. Neben den thermischen Spannungen wird zudem die Temperaturdifferenz am Stutzen der Turbinenaustrittsluft in den Hauptwärmetauscher in herkömmlichen Verfahren in diesem Fall typischerweise größer als ein Vorgabewert, da ohne Turbinenbetrieb keine Temperaturerniedrigung des entsprechenden Luftstroms stattfindet. When high-air pressure processes are carried out, which are actually set up for operation with excess air turbines, very large thermal stresses occur in the main heat exchanger during liquid turndown (i.e. when liquid production is shut down) due to excessive temperature differences . Conventionally, these do not allow the system to continue to operate without the operation of the excess air turbine. In addition to the thermal stresses, the temperature difference at the nozzle of the turbine outlet air in the main heat exchanger is also reduced in conventional processes In this case, it is typically greater than a default value, since there is no temperature reduction in the corresponding air flow without turbine operation.
Typischerweise darf der Flüssiganteil am Austritt der Turbine, die die Einsatzluft auf den Druck im Druckbereich der Druckkolonne (hier als "zweiter Druckbereich" bezeichnet) entspannt (sogenannte "kalte" Turbine, also nicht die Überschussluft- Turbine, zuvor auch als "erste" Turbine beschrieben), nicht übermäßig groß werden, um ohne weitere, wirkungsgradverringernde Maßnahmen tolerierbar zu sein. Ferner muss in bestimmten Fällen auch bei geringer Flüssigproduktion die volle Gasmenge an innenverdichteten Luftprodukten bereitgestellt werden. Daher muss die kalte Turbine eine ausreichend hohe Leistung generieren, um mittels des gekoppelten Boosters einen ausreichend hohen Druck bereitzustellen und so einen ausreichend verdichteten Joule-Thomson-Strom (aus einem weiteren Anteil der ersten Luftmenge) bilden zu können. Nur auf diese Weise kann das Temperaturprofil im Hauptwärmetauscher herkömmlicherweise ausgeglichen werden. Typically, the liquid fraction at the outlet of the turbine, which expands the feed air to the pressure in the pressure area of the pressure column (here referred to as the "second pressure area") (so-called "cold" turbine, i.e. not the excess air turbine, previously also known as the "first" turbine described), not be excessively large in order to be tolerable without further efficiency-reducing measures. Furthermore, in certain cases, even with low liquid production, the full gas quantity of internally compressed air products must be provided. Therefore, the cold turbine must generate a sufficiently high power to provide a sufficiently high pressure by means of the coupled booster and thus to be able to form a sufficiently compressed Joule-Thomson flow (from a further portion of the first quantity of air). Only in this way can the temperature profile in the main heat exchanger be balanced in the usual way.
Die Erfindung schafft nun ein Verfahren, das trotz Ausfall (oder ohne Betrieb) der Überschussluft-Turbine sicher weiter betrieben werden kann. The invention now creates a method that can continue to be operated safely despite the failure (or no operation) of the excess air turbine.
Hierzu wird die Entspannung der vierten Luftmenge auf den Druck in dem dritten Druckbereich zumindest zeitweise ohne Verwendung einer Entspannungsturbine, d.h. einer Überschussluft-Turbine vorgenommen. Die Erfindung schafft hierbei insbesondere zwei Möglichkeiten eines Bypasses um die Überschussluft-Turbine, wie weiter unten näher erläutert. For this purpose, the expansion of the fourth quantity of air to the pressure in the third pressure range is carried out at least temporarily without using an expansion turbine, i.e. an excess air turbine. In this case, the invention provides in particular two options for a bypass around the excess air turbine, as explained in more detail below.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Entspannung der vierten Luftmenge auf den Druck in dem dritten Druckbereich in einem ersten Zeitraum ohne Verwendung einer Entspannungsturbine, d.h. der Überschussluft-Turbine, und in einem zweiten Zeitraum unter Verwendung einer oder mehreren Entspannungsturbinen, d.h. einer oder mehrerer Überschussluft-Turbinen. Der erste Zeitraum kann insbesondere ein Zeitraum sein, in dem gegenüber dem ersten Zeitraum eine geringere Flüssigproduktmenge bereitgestellt wird, also weniger Luftprodukte der Luftzerlegungsanlage in flüssigem Zustand entnommen werden. Der Begriff "weniger" soll dabei insbesondere eine Flüssigproduktmenge von 0% oder weniger als 10%, 20%, 30%, 40% oder 50%, verglichen mit dem zweiten Zeitraum, bezeichnen. Der erste Zeitraum kann jedoch auch ein Wartungszeitraum oder ein Zeitraum eines Defekts der Entspannungsturbine, d.h. der Überschussluft-Turbine, sein. In a preferred embodiment of the present invention, the fourth quantity of air is expanded to the pressure in the third pressure range in a first period without using an expansion turbine, ie the excess air turbine, and in a second period using one or more expansion turbines, ie one or several excess air turbines. The first time period can in particular be a time period in which, compared to the first time period, a smaller amount of liquid product is provided, ie fewer air products are removed from the air separation plant in the liquid state. The term "less" is intended to mean in particular a liquid product amount of 0% or less than 10%, 20%, 30%, 40% or 50% compared to the second period, describe. However, the first period can also be a maintenance period or a period of a defect in the expansion turbine, ie the excess air turbine.
Zur nochmaligen Klarstellung sei festgestellt, dass die Entspannung der vierten Luftmenge auf den Druck in dem dritten Druckbereich in dem zweiten Zeitraum insbesondere unter Verwendung einer oder mehrerer Entspannungsturbinen, d.h. einer oder mehrerer Überschussluft-Turbinen, und in dem ersten Zeitraum unter Umgehung der einen oder der mehrerer Überschussluft-Turbinen undunter Verwendung eines oder mehrerer Entspannungsventile vorgenommen werden kann. Die Entspannungsturbine(n) kann bzw. können mit einem Booster gekoppelt sein, der bei der Verdichtung der ersten Luftmenge auf den Druck in dem ersten Druckniveau beteiligt ist, oder mit einem Generator oder dergleichen. For further clarification, it should be noted that the expansion of the fourth quantity of air to the pressure in the third pressure range in the second period, in particular using one or more expansion turbines, ie one or more excess air turbines, and in the first period by bypassing one or the multiple excess air turbines and using one or more expansion valves. The expansion turbine(s) can be coupled to a booster that is involved in compressing the first quantity of air to the pressure in the first pressure level, or to a generator or the like.
Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Überschussluft-Turbine bzw. können mehrere solcher Turbinen vollständig umgangen werden. So kann die Entspannung der vierten Luftmenge auf den Druck in dem dritten Druckbereich in dem zweiten Zeitraum überwiegend oder ausschließlich unter Verwendung der einen oder der mehreren Entspannungsturbinen und in dem ersten Zeitraum überwiegend oder ausschließlich unter Verwendung des einen oder der mehreren Entspannungsventile vorgenommen werden. Der Begriff "überwiegend" soll dabei einen Anteil von wenigstens 90% bezeichnen. Geringe Anteile der vierten Luftmenge können auch in dem zweiten Betriebsmodus über ein parallel zu der oder den Entspannungsturbinen geschaltetes Regelventil geführt werden. In particular, within the scope of the present invention, the excess air turbine or several such turbines can be completely bypassed. The expansion of the fourth quantity of air to the pressure in the third pressure range can be carried out predominantly or exclusively using the one or more expansion turbines in the second period and predominantly or exclusively using the one or more expansion valves in the first period. The term "predominantly" is intended to denote a proportion of at least 90%. Small portions of the fourth quantity of air can also be routed in the second operating mode via a control valve connected in parallel with the expansion turbine(s).
Die zweite Luftmenge wird vor der Entspannung auf den Druck in dem ersten Druckbereich insbesondere auf eine Temperatur in einem ersten Temperaturbereich abgekühlt und diese kühlt sich aufgrund der Entspannung auf den Druck in dem ersten Druckbereich weiter auf eine Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich ab. Die vierte Luftmenge wird auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich gebildet (d.h. insbesondere von der zweiten Luftmenge abgezweigt), und die vierte Luftmenge wird in dem zweiten Zeitraum vor der Entspannung unter Verwendung der einen oder der mehreren Entspannungsturbinen auf den Druck in dem dritten Druckbereich einer Erwärmung auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich unterworfen. Diese Erwärmung erfolgt, wie auch die nachfolgend erwähnten Erwärmungen, insbesondere im Hauptwärmetauscher. The second quantity of air is cooled before the expansion to the pressure in the first pressure range, in particular to a temperature in a first temperature range, and due to the expansion to the pressure in the first pressure range, it cools down further to a temperature in a second temperature range. The fourth amount of air is formed at the temperature in the second temperature range (i.e., in particular, branched off from the second amount of air), and the fourth amount of air is expanded to the pressure in the third pressure range using the one or more expansion turbines in the second time period prior to expansion Subjected to heating to a temperature in a third temperature range. Like the heating mentioned below, this heating takes place in particular in the main heat exchanger.
Wie erwähnt, schlägt die Erfindung insbesondere zwei Möglichkeiten eines Bypasses um die Überschussluft-Turbine(n) vor. In einer ersten Ausgestaltung wird dabei, wie unten unter Bezugnahme auf die Figur 1 nochmals erläutert, die vierte Luftmenge in dem ersten Zeitraum vor der Entspannung unter Verwendung des einen oder der mehreren Entspannungsventile vollständig auf die Temperatur in dem dritten Temperaturbereich erwärmt. In einer zweiten Ausgestaltung wird die vierte Luftmenge in dem ersten Zeitraum dagegen zu einem ersten Anteil auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich unter Verwendung wenigstens eines der mehreren Entspannungsventile entspannt und zu einem zweiten Anteil auf die Temperatur in dem dritten Temperaturbereich erwärmt und unter Verwendung wenigstens eines weiteren der mehreren Entspannungsventile entspannt. Nach der Entspannung werden der erste und zweite Anteil der vierten Luftmenge unter Erhalt einer Mischtemperatur in einem vierten Temperaturbereich vereinigt. As mentioned, the invention proposes in particular two options for a bypass around the excess air turbine(s). In a first embodiment, as explained again below with reference to FIG. 1, the fourth quantity of air is completely heated to the temperature in the third temperature range in the first time period before the expansion using the one or more expansion valves. In a second embodiment, however, the fourth quantity of air in the first period is expanded to a first proportion to the temperature in the second temperature range using at least one of the plurality of expansion valves and is heated to a second proportion to the temperature in the third temperature range and using at least one further relaxed of the several relief valves. After expansion, the first and second portions of the fourth quantity of air are combined to obtain a mixed temperature in a fourth temperature range.
Da die vierte Luftmenge beim Austritt aus dem Hauptwärmetauscher annähernd die Endtemperatur des Hauptwärmetauschers aufweist, entstehen in der ersten Ausgestaltung kaum Kälteverluste. Die Thermospannungen sind zwar hoch, bewegen sich aber typischerweise in einem akzeptablen Maß. Since the fourth quantity of air has approximately the final temperature of the main heat exchanger when it exits the main heat exchanger, there are hardly any cooling losses in the first embodiment. Although the thermal stresses are high, they typically range within an acceptable range.
In der zweiten Ausgestaltung wird insbesondere ein Teilstrom der vierten Luftmenge vor dem Eintritt in den Hauptwärmetauscher abgezweigt, mittels des wenigstens einen der mehreren Entspannungsventile entspannt, und danach mit der restlichen Luft der vierten Luftmenge zusammengeführt, die ihrerseits im Hauptwärmetauscher auf die Temperatur in dem dritten Temperaturbereich erwärmt und mittels des wenigstens einen weiteren der mehreren Entspannungsventile entspannt wurde. Hier entsteht eine Mischtemperatur, die der "normalen" Turbinenaustrittstemperatur (der Mischtemperatur in dem vierten Temperaturbereich) der Überschussluft-Turbine entspricht. Ferner sinkt die Austrittstemperatur des entsprechenden Luftstromes aus dem Hauptwärmetauscher auf das ursprüngliche Designmaß. In the second embodiment, in particular, a partial flow of the fourth air quantity is branched off before it enters the main heat exchanger, expanded by means of at least one of the several expansion valves, and then combined with the remaining air of the fourth air quantity, which in turn is brought to the temperature in the third temperature range in the main heat exchanger was heated and expanded by means of at least one other of the plurality of expansion valves. A mixed temperature arises here that corresponds to the "normal" turbine outlet temperature (the mixed temperature in the fourth temperature range) of the excess air turbine. Furthermore, the outlet temperature of the corresponding air flow from the main heat exchanger drops to the original design level.
Der erste Temperaturbereich kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere bei -130 °C bis -70°C, der zweite Temperaturbereich bei -178 °C bis -150 °C, der dritte Temperaturbereich bei -20 bis +30 °C und der vierte Temperaturbereich bei -130 bis -60°C liegen. In the context of the present invention, the first temperature range can, in particular, be -130° C. to -70° C., and the second temperature range can be -178° C. to -150 °C, the third temperature range is -20 to +30 °C and the fourth temperature range is -130 to -60 °C.
Lediglich zur Klarstellung sei nochmals betont, dass die vierte Luftmenge nach der Entspannung auf den Druck in dem dritten Druckbereich insbesondere aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden kann. Merely for the sake of clarification, it should be emphasized again that the fourth quantity of air can be discharged from the air separation plant in particular after it has been expanded to the pressure in the third pressure range.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage. Zu Merkmalen und Vorteilen einer derartigen Luftzerlegungsanlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch verwiesen. Insbesondere ist eine derartige Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet, ein Verfahren in einer oder mehreren der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen und weist hierzu entsprechend ausgebildete Mittel auf. Zu Merkmalen und Vorteilen sei daher ausdrücklich auf die obigen Erläuterungen verwiesen. The present invention also extends to an air separation plant. For features and advantages of such an air separation plant, reference is made to the corresponding independent patent claim. In particular, such an air separation plant is set up to carry out a method in one or more of the configurations explained above and has appropriately designed means for this purpose. For features and advantages, reference is therefore expressly made to the above explanations.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, which illustrate preferred embodiments of the present invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Figur 1 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Darstellung. FIG. 1 shows an air separation plant configured according to one embodiment of the invention in a simplified representation.
Figur 2 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Darstellung. FIG. 2 shows an air separation plant designed according to an embodiment of the invention in a simplified representation.
In den Figuren sind jeweils gleiche oder vergleichbare Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Anlagenkomponenten können dabei jeweils auch für entsprechende Verfahrensschritte stehen, so dass die nachfolgenden Erläuterungen zu den Luftzerlegungsanlagen auch entsprechende Verfahren betreffen. In the figures, the same or comparable elements are given identical reference numbers and are not explained again for the sake of clarity. Plant components can also stand for corresponding process steps, so that the following explanations for air separation plants also relate to corresponding processes.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen In Figur 1 ist eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in Form eines vereinfachten Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet. Detailed description of the drawings In FIG. 1, an air separation plant configured according to one embodiment of the invention is illustrated in the form of a simplified process flow diagram and denoted overall by 100.
Die Luftzerlegungsanlage 100 ist in Teilen wie eine herkömmliche Luftzerlegungsanlage ausgebildet und umfasst entsprechende Komponenten. Insbesondere kann ein Rektifikationskolonnensystem 10, das im dargestellten Beispiel eine Druckkolonne 11 , eine Niederdruckkolonne 12, eine Rohargonkolonne 13 und eine Reinargonkolonne 14 aufweisen kann, mittels welchem Luftprodukte wie innenverdichteter Sauerstoff auf unterschiedlichen Druckniveaus GOX IC1 , GOX IC2, innenverdichteter Stickstoff GAN IC, Flüssigsauerstoff LOX, Flüssigstickstoff LIN und Flüssigargon LAR bereitgestellt werden können, und aus welchem weitere Stoffströme wie Sealgas SG ausgeführt oder an die Atmosphäre A werden können, im Wesentlichen fachüblich betrieben werden und in der dargestellten Weise oder abweichend hiervon ausgebildet sein. Es wird daher hier nicht weiter erläutert. Zu weiteren Details sei auf einschlägige Fachliteratur wie Häring (s.o.) verwiesen. The air separation plant 100 is designed in parts like a conventional air separation plant and includes corresponding components. In particular, a rectification column system 10, which in the example shown can have a pressure column 11, a low-pressure column 12, a crude argon column 13 and a pure argon column 14, by means of which air products such as internally compressed oxygen at different pressure levels GOX IC1, GOX IC2, internally compressed nitrogen GAN IC, liquid oxygen LOX , liquid nitrogen LIN and liquid argon LAR can be provided, and from which further material flows such as seal gas SG can be carried out or released into the atmosphere A, essentially be operated in a conventional manner and be designed in the manner shown or differently. It is therefore not explained further here. For further details, please refer to relevant specialist literature such as Häring (see above).
Auch die Bereitstellung eines Druckluftstroms 101 wird nicht detailliert erläutert und kann im Wesentlichen dem Fachüblichen entsprechen. Der Druckluftstrom 101 wird mittels eines Hauptluftverdichters in einem Verdichtungsabschnitt 1 auf ein Druckniveau gebracht, wie es für ein Hochluftdruck-Verfahren typisch ist. Eine Reinigung erfolgt in bekannter Weise adsorptiv in einem Reinigungsabschnitt 2. Zur Kühlung kommt Wasser W zum Einsatz und bestimmte Stoffströme werden an die Atmosphäre A abgegeben. Auch andere Ausgestaltungen können realisiert sein. The provision of a compressed air flow 101 is also not explained in detail and can essentially correspond to what is customary in the art. The compressed air flow 101 is brought to a pressure level in a compression section 1 by means of a main air compressor, as is typical for a high-air pressure process. Cleaning takes place in a known manner adsorptively in a cleaning section 2. Water W is used for cooling and certain material flows are released into the atmosphere A. Other configurations can also be implemented.
Der Druckluftstrom 101 wird in Teilströme 102 und 103 aufgeteilt. Teilstrom 102 wird im Hauptwärmetauscher 3 verflüssigt und in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist. Teilstrom 103 wird in Boostern 4, 5 die mit Entspannungsmaschinen 6, 7 gekoppelt sind, die mit nicht gesondert bezeichneten Nachkühlern ausgestattet sind, und von denen Booster 5 gebypasst werden kann, weiter verdichtet. Der entsprechend behandelte, der besseren Unterscheidbarkeit halber mit 104 bezeichnete Teilstrom 103 wird nun warmseitig dem Hauptwärmetauscher 3 zugeführt. Wiederum ein Teilstrom 105 wird dem Hauptwärmetauscher 3 auf einer Zwischentemperatur entnommen und in der Turbine 6 entspannt. Der entsprechend entspannte, der besseren Unterscheidbarkeit halber mit 106 bezeichnete Teilstrom 105 wird in einen Behälter 8 eingespeist, von dem sumpfseitig Flüssigkeit abgezogen und in Form eines Stoffstroms 107 in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist wird. Gas wird kopfseitig dem Behälter 8 in Form eines Stoffstroms 108 entnommen. Ein Teil des Stoffstroms 108 wird in Form eines Stoffstroms 109 in die Druckkolonne 12 eingespeist. The compressed air flow 101 is divided into partial flows 102 and 103 . Partial flow 102 is liquefied in the main heat exchanger 3 and fed into the high-pressure column 11 . Partial flow 103 is further compressed in boosters 4, 5, which are coupled to expansion machines 6, 7, which are equipped with aftercoolers, which are not designated separately, and of which booster 5 can be bypassed. The correspondingly treated partial flow 103, which is denoted by 104 for the sake of better differentiation, is now fed to the main heat exchanger 3 on the hot side. Another partial flow 105 is taken from the main heat exchanger 3 at an intermediate temperature and expanded in the turbine 6 . The correspondingly relaxed partial flow 105, which is designated 106 for better differentiation, is fed into a container 8 fed in, from which liquid is drawn off at the bottom and fed into the low-pressure column 12 in the form of a stream 107 . Gas is removed from the top of the container 8 in the form of a stream 108 . Part of the stream 108 is fed into the pressure column 12 in the form of a stream 109 .
Ein weiterer Teil des Stoffstroms 108 dient als Überschussluft und wird in Form eines Stoffstroms 110 kaltseitig dem Hauptwärmetauscher 3 zugeführt. In einem Betrieb mit Überschussluft-Turbine wird der Entspannungsmaschine 7, die die Überschussluft- Turbine darstellt, der im Hauptwärmetauscher 3 auf ein Zwischentemperaturniveau erwärmte Stoffstrom 110, der besseren Unterscheidbarkeit halber mit 111 bezeichnet, zugeführt, dort entspannt, dem Hauptwärmetauscher 3 erneut zugeführt, dort vollständig erwärmt und als Überschussluft EA aus dem Verfahren 100 in Form eines Stoffstroms 112 ausgeführt. In einem Betrieb ohne Überschussluft-Turbine wird die Entspannungsmaschine 7, die die Überschussluft-Turbine darstellt, mittels eines Bypassstroms 113 umgangen, wobei entsprechende Überschussluft an einem Ventil 9 entspannt wird. Die derart entspannte Überschussluft EA wird aus dem Verfahren 100 in Form eines Stoffstroms 112 ausgeführt. Another part of the material flow 108 serves as excess air and is fed to the main heat exchanger 3 on the cold side in the form of a material flow 110 . In an operation with excess air turbine, the expansion machine 7, which represents the excess air turbine, is fed to the material flow 110 heated to an intermediate temperature level in the main heat exchanger 3, denoted by 111 for the sake of better differentiation, expanded there, fed back to the main heat exchanger 3, there completely heated and executed as excess air EA from the process 100 in the form of a stream 112. In operation without an excess air turbine, the expansion machine 7, which represents the excess air turbine, is bypassed by means of a bypass flow 113, with corresponding excess air being expanded at a valve 9. The excess air EA expanded in this way is carried out from the process 100 in the form of a material flow 112 .
In Figur 2 ist eine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in Form eines vereinfachten Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 200 bezeichnet. In FIG. 2, an air separation plant designed according to a further embodiment of the invention is illustrated in the form of a simplified process flow diagram and denoted overall by 200.
Im Gegensatz zu der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100 wird hier in dem ersten Betriebsmodus ein erster Bypassstrom 113a mit einem Ventil 9a stromauf des Hauptwärmetauschers 3 abgezweigt. Ein entsprechender Fluidanteil wird also nicht im Hauptwärmetauscher 3 erwärmt. Ferner wird in dem ersten Betriebsmodus ein zweiter Bypasstrom 113b aus Luft gebildet, die wie in dem zweiten Betriebsmodus der Stoffstrom 111 im Hauptwärmetauscher erwärmt wird. Dieser wird über ein Ventil 9b entspannt. Die Bypassströme 113a und 113b werden unter Erhalt einer Mischtemperatur vereinigt. In contrast to the air separation plant 100 illustrated in FIG. 1, a first bypass stream 113a with a valve 9a upstream of the main heat exchanger 3 is branched off here in the first operating mode. A corresponding proportion of fluid is therefore not heated in the main heat exchanger 3 . Furthermore, in the first operating mode, a second bypass stream 113b is formed from air, which is heated in the main heat exchanger like the material stream 111 in the second operating mode. This is relieved via a valve 9b. The bypass streams 113a and 113b are combined to obtain a mixed temperature.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100, 200), die ein Rektifikationskolonnensystem (10) mit einer Rektifikationskolonne (11) aufweist, die in einem ersten Druckbereich zwischen 4 und 7 bar betrieben wird, wobei Claims Process for the low-temperature separation of air using an air separation plant (100, 200) which has a rectification column system (10) with a rectification column (11) which is operated in a first pressure range between 4 and 7 bar, wherein
- eine erste Luftmenge auf einen Druck in einem zweiten Druckbereich zwischen 10 und 100 bar verdichtet wird, - a first quantity of air is compressed to a pressure in a second pressure range between 10 and 100 bar,
- eine zweite Luftmenge, die eine Teilmenge der auf den Druck in dem zweiten Druckbereich verdichteten ersten Luftmenge ist, auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt wird, - a second quantity of air, which is a subset of the first quantity of air compressed to the pressure in the second pressure range, is expanded to a pressure in the first pressure range,
- eine dritte Luftmenge, die eine Teilmenge der auf den Druck in dem ersten Druckbereich entspannten zweiten Luftmenge ist, in die erste Rektifikationskolonne (11) eingespeist wird, und - a third quantity of air, which is a partial quantity of the second quantity of air expanded to the pressure in the first pressure range, is fed into the first rectification column (11), and
- eine vierte Luftmenge, die eine Teilmenge der auf den Druck in dem ersten Druckbereich entspannten zweiten Luftmenge ist, auf einen Druck in einem dritten Druckbereich zwischen 1 und 2 bar entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - a fourth quantity of air, which is a partial quantity of the second quantity of air expanded to the pressure in the first pressure range, is expanded to a pressure in a third pressure range between 1 and 2 bar, characterized in that
- die Entspannung der vierten Luftmenge auf den Druck in dem dritten Druckbereich zumindest zeitweise ohne Verwendung einer Entspannungsturbine vorgenommen wird, - the expansion of the fourth quantity of air to the pressure in the third pressure range is carried out at least temporarily without using an expansion turbine,
- die Entspannung der vierten Luftmenge auf den Druck in dem dritten Druckbereich in einem ersten Zeitraum ohne Verwendung einer Entspannungsturbine und in einem zweiten Zeitraum unter Verwendung einer Entspannungsturbine (7) vorgenommen wird und dass - the fourth quantity of air is expanded to the pressure in the third pressure range in a first period of time without using an expansion turbine and in a second period of time using an expansion turbine (7) and that
- die Entspannung der vierten Luftmenge auf den Druck in dem dritten Druckbereich in dem zweiten Zeitraum unter Verwendung einer oder mehrerer Entspannungsturbinen (7) und in dem ersten Zeitraum unter Umgehung der einen oder der mehreren Entspannungsturbinen (7) unter Verwendung eines oder mehrerer Entspannungsventile (9, 9a, 9b) vorgenommen wird. - the expansion of the fourth quantity of air to the pressure in the third pressure range in the second period using one or more expansion turbines (7) and in the first period below The one or more expansion turbines (7) are bypassed using one or more expansion valves (9, 9a, 9b).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Entspannung der vierten Luftmenge auf den Druck in dem dritten Druckbereich in dem zweiten Zeitraum überwiegend oder ausschließlich unter Verwendung der einen oder der mehreren Entspannungsturbinen (7) und in dem ersten Zeitraum überwiegend oder ausschließlich unter Verwendung des einen oder der mehreren Entspannungsventile (9, 9a, 9b) vorgenommen wird. 2. The method according to claim 1, in which the expansion of the fourth quantity of air to the pressure in the third pressure range in the second period predominantly or exclusively using the one or more expansion turbines (7) and in the first period predominantly or exclusively using the one or more expansion valves (9, 9a, 9b).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die zweite Luftmenge vor der Entspannung auf den Druck in dem ersten Druckbereich auf eine Temperatur in einem ersten Temperaturbereich abgekühlt wird und sich aufgrund der Entspannung auf den Druck in dem ersten Druckbereich weiter auf eine Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich abkühlt. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, in which the second quantity of air is cooled to a temperature in a first temperature range before the expansion to the pressure in the first pressure range and further to a temperature due to the expansion to the pressure in the first pressure range Temperature cools in a second temperature range.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die vierte Luftmenge auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich gebildet wird, und bei dem die vierte Luftmenge in dem zweiten Zeitraum vor der Entspannung unter Verwendung der einen oder der mehreren Entspannungsturbinen (7) auf den Druck in dem dritten Druckbereich einer Erwärmung auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich unterworfen wird. 4. The method of claim 3, wherein the fourth amount of air is formed at the temperature in the second temperature range, and wherein the fourth amount of air is raised to the pressure in the second time period prior to expansion using the one or more expansion turbines (7). the third pressure range is subjected to heating to a temperature in a third temperature range.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die vierte Luftmenge in dem ersten Zeitraum vor der Entspannung unter Verwendung des einen oder der mehreren Entspannungsventile (9) vollständig auf die Temperatur in dem dritten Temperaturbereich erwärmt wird. The method of claim 4, wherein the fourth amount of air is fully heated to the temperature in the third temperature range in the first period prior to the expansion using the one or more expansion valves (9).
6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die vierte Luftmenge in dem ersten Zeitraum zu einem ersten Anteil auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich unter Verwendung wenigstens eines Entspannungsventils (9a) der mehreren Entspannungsventile (9a, 9b) entspannt wird und zu einem zweiten Anteil auf die Temperatur in dem dritten Temperaturbereich erwärmt 16 und unter Verwendung wenigstens eines weiteren Entspannungsventils (9b) der mehreren Entspannungsventile (9a, 9b) entspannt wird. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der erste und zweite Anteil der vierten Luftmenge nach der Entspannung Erhalt einer Mischtemperatur in einem vierten Temperaturbereich vereinigt werden. erfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem der erste Temperaturbereich -130 bis -70 °C, der zweite Temperaturbereich -178 bis -150 °C, der dritte Temperaturbereich -20 bis +30 °C und der vierte Temperaturbereich -130 bis -60 °C umfassen. erfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die vierteThe method of claim 4, wherein the fourth amount of air is expanded in the first time period to a first proportion at the temperature in the second temperature range using at least one expansion valve (9a) of the plurality of expansion valves (9a, 9b) and to a second proportion heated to the temperature in the third temperature range 16 and using at least one further expansion valve (9b) of the plurality of expansion valves (9a, 9b). Method according to Claim 6, in which the first and second portions of the fourth quantity of air are combined after expansion to a mixed temperature in a fourth temperature range. experienced according to one of claims 4 to 7, in which the first temperature range -130 to -70 °C, the second temperature range -178 to -150 °C, the third temperature range -20 to +30 °C and the fourth temperature range -130 to include -60 °C. learn according to any one of the preceding claims, wherein the fourth
Luftmenge nach der Entspannung auf den Druck in dem dritten Druckbereich aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird. Luftzerlegungsanlage (100, 200), die zur Tieftemperaturzerlegung von Luft eingerichtet ist und ein Rektifikationskolonnensystem (10) mit einer für einen Betrieb in einem ersten Druckbereich zwischen 3 und 7 bar eingerichteten Rektifikationskolonne (11) aufweist, wobei die Luftzerlegungsanlage (100, 200) dafür eingerichtet ist, Amount of air after expansion to the pressure in the third pressure range from the air separation plant (100, 200) is discharged. Air separation plant (100, 200) which is set up for the low-temperature separation of air and has a rectification column system (10) with a rectification column (11) set up for operation in a first pressure range between 3 and 7 bar, the air separation plant (100, 200) for this is set up,
- eine erste Luftmenge auf einen Druck in einem zweiten Druckbereich zwischen 10 und 50 bar zu verdichten, - to compress a first amount of air to a pressure in a second pressure range between 10 and 50 bar,
- eine zweite Luftmenge, die eine Teilmenge der auf den Druck in dem zweiten Druckbereich verdichteten ersten Luftmenge ist, auf einen Druck in dem ersten Druckbereich zu entspannen, - to expand a second quantity of air, which is a subset of the first quantity of air compressed to the pressure in the second pressure range, to a pressure in the first pressure range,
- eine dritte Luftmenge, die eine Teilmenge der auf den Druck in dem ersten Druckbereich entspannten zweiten Luftmenge ist, in die erste Rektifikationskolonne (11) einzuspeisen, und 17 - A third quantity of air, which is a partial quantity of the second quantity of air expanded to the pressure in the first pressure range, is fed into the first rectification column (11), and 17
- eine vierte Luftmenge, die eine Teilmenge der auf den Druck in dem ersten Druckbereich entspannten zweiten Luftmenge ist, auf einen Druck in einem dritten Druckbereich zwischen 1 und 2 bar zu entspannen, dadurch gekennzeichnet, dass - to expand a fourth quantity of air, which is a partial quantity of the second quantity of air that has been expanded to the pressure in the first pressure range, to a pressure in a third pressure range of between 1 and 2 bar, characterized in that
- die Luftzerlegungsanlage (100, 200) dafür eingerichtet ist, die Entspannung der vierten Luftmenge auf den Druck in dem dritten Druckbereich zumindest zeitweise ohne Verwendung einer Entspannungsturbine vorzunehmen, sowie eine Regeleinrichtung aufweist, die bewirkt , dass - the air separation plant (100, 200) is set up to expand the fourth quantity of air to the pressure in the third pressure range at least temporarily without using an expansion turbine, and has a control device which causes that
- die Entspannung der vierten Luftmenge auf den Druck in dem dritten Druckbereich in einem ersten Zeitraum ohne Verwendung einer Entspannungsturbine und in einem zweiten Zeitraum unter Verwendung einer Entspannungsturbine (7) vorgenommen wird und dass - the fourth quantity of air is expanded to the pressure in the third pressure range in a first period of time without using an expansion turbine and in a second period of time using an expansion turbine (7) and that
- die Entspannung der vierten Luftmenge auf den Druck in dem dritten Druckbereich in dem zweiten Zeitraum unter Verwendung einer oder mehrerer Entspannungsturbinen (7) und in dem ersten Zeitraum unter Umgehung der einen oder der mehreren Entspannungsturbinen (7) unter Verwendung eines oder mehrerer Entspannungsventile (9, 9a, 9b) vorgenommen wird. . Luftzerlegungsanlage (100, 200) nach Anspruch 10, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist. - expanding the fourth quantity of air to the pressure in the third pressure range in the second period using one or more expansion turbines (7) and in the first period bypassing the one or more expansion turbines (7) using one or more expansion valves (9 , 9a, 9b) is carried out. . Air separation plant (100, 200) according to Claim 10, which is set up for carrying out a method according to one of Claims 1 to 9.
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