DE102013002094A1 - Method for producing liquid and gaseous oxygen by low temperature separation of air in air separation system in industrial application, involves feeding feed air flow to portion in mixed column and to another portion in separating column - Google Patents

Method for producing liquid and gaseous oxygen by low temperature separation of air in air separation system in industrial application, involves feeding feed air flow to portion in mixed column and to another portion in separating column Download PDF

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Abstract

The method involves providing a liquid product quantity in an operating mode to be smaller than another liquid product quantity in another operating mode, where the former quantity corresponds to 0% to 2% of a quantity of an oxygen-rich liquid fraction that is evaporated in a mixed column (M). A feed air flow is completely fed into the column. The latter quantity corresponds to 1% to 5% of the quantity of the evaporated oxygen-rich liquid fraction. The feed air flow is fed to a portion in the mixed column and to another portion in a separating column (S2). An independent claim is also included for an air separation system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Produktion von Luftprodukten in einer Luftzerlegungsanlage und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage.The invention relates to a process for the production of air products in an air separation plant and to an air separation plant adapted for carrying out such a process.

Stand der TechnikState of the art

Die Herstellung von Sauerstoff oder entsprechenden Gemischen in flüssigem oder gasförmigem Zustand erfolgt üblicherweise durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen mit an sich bekannten Destillationssäulensystemen. Diese können als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein. Ferner können Vorrichtungen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.The production of oxygen or corresponding mixtures in the liquid or gaseous state is usually carried out by cryogenic separation of air in air separation plants with distillation column systems known per se. These can be designed as two-column systems, in particular as classic double-column systems, but also as three-column or multi-column systems. Furthermore, devices for obtaining further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon, may be provided.

Für eine Reihe industrieller Anwendungen wird zumindest nicht ausschließlich reiner Sauerstoff benötigt. Dies eröffnet die Möglichkeit, Luftzerlegungsanlagen hinsichtlich ihrer Erstellungs- und Betriebskosten, insbesondere ihres Energieverbrauchs, zu optimieren (siehe beispielsweise Kapitel 3.8 in Kerry, F. G.: Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification. Boca Raton: CRC Press, 2006 ).At least not exclusively pure oxygen is needed for a number of industrial applications. This opens up the possibility of optimizing air separation plants with regard to their production and operating costs, in particular their energy consumption (see, for example Chapter 3.8 in Kerry, FG: Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification. Boca Raton: CRC Press, 2006 ).

Hierzu können unter anderem Luftzerlegungsanlagen mit sogenannten Mischsäulen eingesetzt werden, wie sie seit längerem bekannt sind. Entsprechende Anlagen und Verfahren sind beispielsweise in DE 2 204 376 A1 (entspricht US 4 022 030 A ) US 5 454 227 A , US 5 490 391 A , DE 198 03 437 A1 , DE 199 51 521 A1 , EP 1 139 046 B1 ( US 2001/052244 A1 ), EP 1 284 404 A1 ( US 6 662 595 B2 ), DE 102 09 421 A1 , DE 102 17 093 A1 , EP 1 376 037 B1 ( US 6 776 004 B2 ), EP 1 387 136 A1 und EP 1 666 824 A1 offenbart.For this purpose, inter alia, air separation plants can be used with so-called mixing columns, as they have been known for some time. Corresponding plants and methods are for example in DE 2 204 376 A1 (equivalent to US 4 022 030 A ) US 5,454,227A . US 5,490,391 A . DE 198 03 437 A1 . DE 199 51 521 A1 . EP 1 139 046 B1 ( US 2001/052244 A1 ) EP 1 284 404 A1 ( US Pat. No. 6,662,595 B2 ) DE 102 09 421 A1 . DE 102 17 093 A1 . EP 1 376 037 B1 ( US Pat. No. 6,776,004 B2 ) EP 1 387 136 A1 and EP 1 666 824 A1 disclosed.

In eine Mischsäule werden in einem oberen Bereich eine sauerstoffreiche Flüssigfraktion und in einem unteren Bereich ein gasförmiger Luftstrom, sogenannte Mischsäulenluft, eingespeist und einander entgegengeschickt. Durch den intensiven Kontakt geht ein gewisser Anteil des leichter flüchtigen Stickstoffs aus der Mischsäulenluft in die sauerstoffreiche Flüssigfraktion über. Die sauerstoffreiche Flüssigfraktion wird dabei in der Mischsäule teilweise verdampft und an deren oberem Ende als sogenannter ”unreiner” Sauerstoff abgezogen. Der unreine Sauerstoff kann der Luftzerlegungsanlage als Gasprodukt entnommen werden. Die Mischsäulenluft ihrerseits wird verflüssigt, in gewissem Umfang mit Sauerstoff angereichert, und kann am unteren Ende der Mischsäule zusammen mit dem nicht verdampften Anteil der sauerstoffreichen Flüssigfraktion abgezogen und an energetisch und/oder trenntechnisch geeigneter Stelle in das verwendete Destillationssäulensystem eingespeist werden. Durch die Verwendung einer Mischsäule kann die für die Stofftrennung erforderliche Energie auf Kosten der Reinheit des gasförmigen Sauerstoffprodukts beträchtlich reduziert werden.In a mixing column, an oxygen-rich liquid fraction is fed into an upper region, and in a lower region, a gaseous air stream, so-called mixed column air, is fed in and directed towards each other. Due to the intensive contact, a certain proportion of the more volatile nitrogen from the mixed column air passes into the oxygen-rich liquid fraction. The oxygen-rich liquid fraction is partially vaporized in the mixing column and withdrawn at the upper end as so-called "impure" oxygen. The impure oxygen can be taken from the air separation plant as a gas product. The mixing column air in turn is liquefied, enriched to some extent with oxygen, and can be withdrawn at the lower end of the mixing column together with the unevaporated portion of the oxygen-rich liquid fraction and fed in energetically and / or separation appropriate place in the distillation column system used. By using a mixing column, the energy required for material separation can be significantly reduced at the expense of the purity of the gaseous oxygen product.

Nachteilig an bekannten Luftzerlegungsanlagen, die mit Mischsäulen arbeiten, ist die eingeschränkte Flexibilität im Betrieb. Der Kältebedarf wird in derartigen Anlagen durch die Entspannung der Mischsäulenluft gedeckt und ist damit stets mit der Menge des Gasprodukts gekoppelt. Damit können der Anlage aber keine nennenswerten Mengen an Flüssigprodukten entnommen werden, weil hierdurch eine entsprechende Kältemenge verlorengeht. Diese kann nicht gedeckt werden.A disadvantage of known air separation plants that work with mixing columns, the limited flexibility in operation. The refrigeration demand is covered in such systems by the relaxation of the mixed column air and is thus always coupled with the amount of gas product. However, the system can not be taken from significant quantities of liquid products, because this is lost a corresponding amount of cold. This can not be covered.

Die maximale Entnahmemenge von Flüssigstickstoff und Flüssigsauerstoff in Anlagen mit Mischsäulen ist daher, wie bei anderen typischen Gasanlagen auch, auf höchstens ca. 0,5% der insgesamt eingesetzten Luftmenge begrenzt.The maximum removal rate of liquid nitrogen and liquid oxygen in systems with mixing columns is therefore, as with other typical gas systems, limited to at most about 0.5% of the total amount of air used.

Es besteht daher der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur effizienten und flexiblen Erzeugung flüssiger und gasförmiger Luftprodukte, insbesondere bei Luftzerlegungsanlagen mit Mischsäulen.There is therefore a need for improved possibilities for the efficient and flexible production of liquid and gaseous air products, in particular in air separation plants with mixing columns.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Produktion von Luftprodukten in einer Luftzerlegungsanlage und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the invention proposes a method for the production of air products in an air separation plant and an air separation plant equipped for carrying out such a method with the features of the independent claims. Preferred embodiments are subject of the dependent claims and the following description.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Mischsäulenverfahren eignen sich insbesondere zur kryogenen Produktion von Sauerstoff mit einer Reinheit zwischen 80% und 98% in gasförmigem Zustand, hier kurz als ”Gasprodukt” bezeichnet. Insbesondere dann, wenn der geforderte Druck des Gasprodukts bei unter 3,0 bar liegt, bietet sich ein Verfahren mit Einblasung von verdichteter, abgekühlter Mischsäulenluft in die Mischsäule an.Mixed column methods are particularly suitable for the cryogenic production of oxygen with a purity between 80% and 98% in the gaseous state, here referred to as "gas product". In particular, when the required pressure of the gas product is below 3.0 bar, a method with injection of compressed, cooled mixed column air into the mixing column is suitable.

Die Mischsäulenluft wird hierzu kälteleistend entspannt. Das Sumpfprodukt der Mischsäule, also die dort verflüssigte Luft, die auf einen Gehalt von beispielsweise 60% mit Sauerstoff angereichert wurde und der nicht verdampfte Anteil der sauerstoffreichen Flüssigfaktion, wird dann in geeigneter Höhe in eine der verwendeten Trennsäulen eingespeist. Allerdings ist, wie erwähnt, die Kälteleistung der für die Einblasung verwendeten Expansionsturbine durch den Druck in der Mischsäule und durch die geforderte Produktmenge am Kopf der Mischsäule festgelegt. Eine zusätzliche Kälteproduktion, wie sie insbesondere für die Entnahme flüssiger Luftprodukte erforderlich ist, ist daher in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen mit Mischsäulen nicht möglich. Hier setzt die Erfindung an.The mixing column air is for this purpose relaxed cold. The bottom product of the mixing column, ie the air liquefied there, which has been enriched to a content of, for example, 60% with oxygen and the non-vaporized portion of the oxygen-rich liquid fraction, is then fed at a suitable level into one of the separation columns used. However, as mentioned, the cooling capacity set the expansion turbine used for the injection by the pressure in the mixing column and by the required amount of product at the top of the mixing column. An additional cooling production, as required in particular for the removal of liquid air products, is therefore not possible in conventional air separation plants with mixing columns. This is where the invention starts.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Luftprodukten, insbesondere flüssigem und gasförmigem Sauerstoff in unterschiedlicher Reinheit, aber auch anderer Luftprodukte wie flüssigem und gasförmigem Stickstoff, in einer Luftzerlegungsanlage mit einer ersten Trennsäule, einer zweiten Trennsäule und einer Mischsäule vorgeschlagen. Die Einsatzluft wird dabei, wie in Luftzerlegungsanlagen mit Mischsäulen insoweit bekannt, in Form zumindest eines ersten und eines zweiten jeweils verdichteten und abgekühlten Einsatzluftstroms bereitgestellt. Zur Verdichtung und/oder Abkühlung des ersten und des zweiten Einsatzluftstroms können zumindest teilweise gemeinsame oder getrennte Verdichter- und/oder Kühleinrichtungen verwendet werden, wie unten näher erläutert. Der erste und der zweite Einsatzluftstrom können bei unterschiedlichen Drücken bereitgestellt werden. Die zur Bereitstellung des ersten und des zweiten Einsatzluftstroms verwendete Einsatzluft wird zuvor in ebenfalls bekannten Aufreinigungseinrichtungen aufgereinigt.According to the invention, a process for the production of air products, in particular liquid and gaseous oxygen in different purity, but also other air products such as liquid and gaseous nitrogen, proposed in an air separation plant with a first separation column, a second separation column and a mixing column. As used in air separation plants with mixing columns, the feed air is provided in the form of at least a first and a second respectively compressed and cooled feed air stream. For compaction and / or cooling of the first and the second feed air stream, at least partially common or separate compressor and / or cooling devices can be used, as explained in more detail below. The first and second feed air streams may be provided at different pressures. The feed air used to provide the first and second feed airstreams is previously cleaned in well-known purification facilities.

In der ersten Trennsäule wird aus dem Einsatzluftstrom eine sauerstoffangereicherte Fraktion gewonnen, die zumindest teilweise in die zweite Trennsäule überführt wird. In der zweiten Trennsäule wird hieraus und gegebenenfalls aus weiteren in die zweite Trennsäule eingespeisten Strömen eine sauerstoffreiche Flüssigfraktion abgeschieden. In der Mischsäule wird zumindest ein Teil der sauerstoffreichen Flüssigfraktion gegen Luft des zweiten Einsatzluftstroms, herkömmlicherweise gegen dessen gesamte Luft, zu dem erläuterten Gasprodukt verdampft. Optional wird der zweiten Trennsäule ein Teil der sauerstoffreichen Flüssigfraktion entnommen und als Flüssigprodukt, beispielsweise als flüssiger Sauerstoff, bereitgestellt. Die entnommene und als Flüssigprodukt bereitgestellte Menge wird hier als ”Flüssigproduktmenge” bezeichnet.In the first separation column, an oxygen-enriched fraction is recovered from the feed air stream, which fraction is at least partially transferred to the second separation column. In the second separation column, an oxygen-rich liquid fraction is separated therefrom and, if appropriate, from further streams fed into the second separation column. In the mixing column at least a portion of the oxygen-rich liquid fraction is vaporized against air of the second feed air stream, conventionally against all of its air, to the illustrated gas product. Optionally, part of the oxygen-rich liquid fraction is taken from the second separation column and provided as a liquid product, for example as liquid oxygen. The withdrawn and provided as a liquid product amount is referred to herein as "liquid product amount".

Die Erfindung sieht nun den Betrieb einer derartigen Anlage in zwei Betriebsmodi vor, wobei die Flüssigproduktmenge in einem ersten Betriebsmodus geringer ist als die Flüssigproduktmenge in einem zweiten Betriebsmodus.The invention now provides the operation of such a system in two modes of operation, wherein the amount of liquid product in a first mode of operation is less than the amount of liquid product in a second mode of operation.

Die der zweiten Trennsäule entnommene Flüssigproduktmenge entspricht in dem ersten Betriebsmodus insbesondere 0% bis 2% der Menge der in der Mischsäule verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion, also eines gasförmigen Luftprodukts wie unreinem Sauerstoff. Die Flüssigproduktmenge entspricht in dem zweiten Betriebsmodus insbesondere 1% bis 10% der Menge der in der Mischsäule verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion. Die Prozentangaben beziehen sich hierbei auf die Flüssigfraktion in flüssigem Zustand und können Mol-, Gewichts- oder Volumenprozent darstellen. Wie erwähnt ist die Entnahme der sauerstoffreichen Flüssigfraktion optional. Dies wird von dem ersten Betriebsmodus abgedeckt, in dem die Flüssigproduktmenge auch 0% der in der Mischsäule verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion entsprechen kann. Je nach der spezifischen Ausgestaltung der verwendeten Luftzerlegungsanlage können auch andere Werte zweckmäßig sein. Beispielsweise können in ausgesprochenen Gasanlagen in dem ersten Betriebsmodus auch gegebenenfalls Mengen von 0,5%, 1% oder 1,5% als Flüssigproduktmenge entnommen werden. Andere Anlagen können beispielsweise auch erst ab einer Flüssigproduktmenge von 1,5%, 2% oder 2,5% im zweiten Betriebsmodus arbeiten. Auch die Obergrenze der Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus ist variabel und richtet sich nach der jeweils verwendeten Anlage. Die Obergrenze kann beispielsweise auch 7,5%, 5% oder 2,5% betragen. Bei einer typischen Luftzerlegungsanlage entspricht die maximale Flüssigproduktmenge in dem ersten Betriebsmodus ca. 1,5% der in der Mischsäule verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion, die maximale Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus entspricht ca. 5% dieser Menge.In the first mode of operation, the amount of liquid product taken from the second separation column corresponds in particular to 0% to 2% of the amount of the oxygen-rich liquid fraction vaporized in the mixing column, ie a gaseous air product such as impure oxygen. In the second operating mode, the amount of liquid product corresponds in particular to 1% to 10% of the amount of oxygen-rich liquid fraction evaporated in the mixing column. The percentages here refer to the liquid fraction in the liquid state and may represent molar, weight or volume percent. As mentioned, the removal of the oxygen-rich liquid fraction is optional. This is covered by the first mode of operation in which the amount of liquid product may also correspond to 0% of the oxygen-rich liquid fraction vaporized in the mixing column. Depending on the specific design of the air separation plant used, other values may also be expedient. For example, in particular gas installations in the first operating mode, quantities of 0.5%, 1% or 1.5% may also be withdrawn as a liquid product quantity. Other systems can, for example, only work from a liquid product quantity of 1.5%, 2% or 2.5% in the second operating mode. The upper limit of the liquid product quantity in the second operating mode is variable and depends on the particular system used. The upper limit may be, for example, 7.5%, 5% or 2.5%. In a typical air separation plant, the maximum amount of liquid product in the first mode of operation corresponds to about 1.5% of the oxygen-rich liquid fraction vaporized in the mixing column, the maximum amount of liquid product in the second mode of operation being about 5% of that amount.

Auch eine Bezugnahme auf die Menge der in die Anlage eingespeisten Einsatzluft kann vorteilhaft sein, weil diese üblicherweise gut definiert ist. So kann beispielsweise die Flüssigproduktmenge während eines Zeitabschnitts des ersten Betriebsmodus 0% bis 1% der während dieses Zeitabschnitts bereitgestellten Einsatzluft und während eines Zeitabschnitts des zweiten Betriebsmodus 0,5% bis 1% der während dieses Zeitabschnitts bereitgestellten Einsatzluft entsprechen. Da die Einsatzluft gasförmig zugeführt, die Flüssigproduktmenge aber flüssig entnommen wird, beziehen sich diese Werte beispielsweise auf eine molare oder Gewichtsbasis. Bei einer typischen Luftzerlegungsanlage entspricht die maximale Flüssigproduktmenge in dem ersten Betriebsmodus ca. 0,3% der während des entsprechenden Zeitabschnitts bereitgestellten Einsatzluft, die maximale Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus entspricht ca. 1% dieser Menge.Also, a reference to the amount of feed air fed into the system may be advantageous because it is usually well defined. For example, during a period of the first mode of operation, the amount of liquid product may correspond to 0% to 1% of the feed air provided during this period and 0.5% to 1% of the feed air provided during that period of time during a period of the second mode of operation. Since the feed air is supplied in gaseous form, but the amount of liquid product is removed in liquid form, these values relate, for example, to a molar or weight basis. In a typical air separation plant, the maximum liquid product amount in the first mode of operation is about 0.3% of the feed air provided during the corresponding period, the maximum amount of liquid product in the second mode of operation is about 1% of that amount.

In dem ersten Betriebsmodus wird gleichzeitig der zweite Einsatzluftstrom vollständig in die Mischsäule eingespeist. Der Begriff ”vollständige” Einspeisung meint hier eine Einspeisung, die bis auf etwaige Leckageverluste oder auch geringfügige anderweitig verwendete Mengen den gesamten zweiten Einsatzluftstrom, also zumindest 95%, 98% oder 99% des zweiten Einsatzluftstroms auf molarer, Gewichts- oder Volumenbasis umfasst. Dies entspricht der Verwendung des zweiten Einsatzluftstroms in herkömmlichen Verfahren bzw. Anlagen. Der zweite Einsatzluftstrom wird dort stets vollständig als Mischsäulenluft in die Mischsäule eingespeist und deckt durch seine Entspannung den gesamten Kältebedarf einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage. In dem zweiten Betriebsmodus wird der zweite Einsatzluftstrom zu einem ersten Teil in die Mischsäule und zu einem zweiten Teil in die zweite Trennsäule eingespeist.In the first operating mode, the second feed air stream is simultaneously fed completely into the mixing column. The term "complete" feed means here a feed which, except for any leakage losses or even minor amounts otherwise used, the entire second feed air stream, ie at least 95%, 98% or 99% of the second feed air stream on molar, weight or volume basis. This corresponds to the use of the second feed air flow in conventional processes or plants. The second feed air stream is always fed there completely as mixed column air in the mixing column and covers by its relaxation the entire refrigeration demand of a corresponding air separation plant. In the second operating mode, the second feed air stream is fed to a first part in the mixing column and to a second part in the second separation column.

Im Rahmen dieser Anmeldung ist von der Gewinnung von Luftprodukten, insbesondere von Sauerstoff- und Stickstoffprodukten die Rede. Ein ”Produkt” verlässt die erläuterte Anlage und wird beispielsweise in einem Tank eingelagert oder verbraucht. Es nimmt also nicht mehr nur ausschließlich an den anlageninternen Kreisläufen teil, kann jedoch vor dem Verlassen der Anlage entsprechend verwendet werden, beispielsweise als Kälteträger in einem Wärmetauscher. Der Begriff ”Produkt” umfasst also nicht solche Fraktionen oder Ströme, die in der Anlage selbst verbleiben und ausschließlich dort, beispielsweise als Rücklauf, Kühlmittel oder Spülgas, verwendet werden.In the context of this application, the extraction of air products, in particular of oxygen and nitrogen products is mentioned. A "product" leaves the described plant and is stored or consumed, for example, in a tank. So it no longer only participates exclusively in the plant-internal circuits, but can be used accordingly before leaving the plant, for example as a refrigerant in a heat exchanger. The term "product" thus does not include such fractions or streams that remain in the plant itself and are used exclusively there, for example as reflux, coolant or purge gas.

Der Begriff ”Produkt” beinhaltet ferner eine Mengenangabe. Geringe Mengen auch herkömmlicherweise in ausgesprochenen Gasanlagen anfallender und einer solchen Anlage gegebenenfalls entnehmbarer Flüssigfraktionen stellen damit keine ”Produkte” im Sinne dieser Anmeldung dar. Beispielsweise werden in bekannten Destillationssäulensystemen der Niederdrucktrennsäule geringe Mengen einer sich im Sumpf abscheidenden Flüssigfraktion entnommen, um unerwünschte Komponenten wie Methan zu entfernen. Hierbei handelt es sich nicht um ”Produkte” im Sinne dieser Anmeldung. Wie erläutert, wird durch die Entnahme von Flüssigprodukten einer Luftzerlegungsanlage eine beträchtliche Kältemenge ”entzogen”, die sonst durch Verdampfung dieser Flüssigprodukte zum Teil zurückgewonnen werden könnte. Eine derartige Entnahme wirkt sich jedoch erst ab einer bestimmten Entnahmemenge, also erst dann, wenn tatsächlich ein ”Produkt” im Sinne der oben getroffenen Definition entnommen wird, aus.The term "product" further includes a quantity. For example, in known distillation column systems of the low-pressure separation column, small amounts of a liquid fraction separating in the sump are removed in order to remove unwanted components such as methane remove. These are not "products" within the meaning of this application. As explained, the removal of liquid products from an air separation plant "extracts" a considerable amount of refrigerant, which otherwise could be recovered in part by evaporation of these liquid products. Such a removal, however, affects only from a certain withdrawal amount, so only when actually a "product" is taken in the sense of the above definition, from.

Der erste und der zweite Betriebsmodus werden vorzugsweise alternativ und in Abhängigkeit von einem Bedarf an Flüssigprodukt, beispielsweise zur Befüllung von Backuptanks, durchgeführt. Die verwendete Luftzerlegungsanlage weist vorteilhafterweise Mittel zum Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus und vorteilhafterweise auch zum Einstellen der Flüssigproduktmenge in zumindest dem zweiten Betriebsmodus auf.The first and second modes of operation are preferably performed alternatively and in response to a need for liquid product, for example, to fill backup tanks. The used air separation plant advantageously has means for switching between the first and the second operating mode and advantageously also for adjusting the liquid product quantity in at least the second operating mode.

Die in dem zweiten Betriebsmodus der zweiten Trennsäule entnommene Flüssigproduktmenge steht naturgemäß nicht mehr zur Einspeisung in die Mischsäule zur Verfügung. In herkömmlichen Verfahren bzw. Anlagen würde daher aufgrund der verringerten Menge des Gasprodukts auch zwangsläufig die erzielbare Kälteleistung verringert, da die ausschließliche Erzeugung der Kälteleistung dort durch die Mischsäulenluft erfolgt. Deren Menge muss aber in herkömmlichen Verfahren bzw. Anlagen bei einer Reduzierung des erzeugten Gasprodukts ebenfalls verringert werden und steht daher nicht mehr als Kältequelle zur Verfügung.The amount of liquid product withdrawn in the second operating mode of the second separation column is of course no longer available for feeding into the mixing column. In conventional methods or systems, therefore, the achievable cooling capacity would inevitably be reduced because of the reduced amount of the gas product, since the exclusive production of the cooling capacity takes place there through the mixing column air. However, their amount must also be reduced in conventional processes or plants with a reduction of the gas product produced and is therefore no longer available as a source of cold.

Die Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass, wie erwähnt, in dem zweiten Betriebsmodus der Einsatzluftstrom eben nurmehr zu einem Teil (hier als ”erster Anteil” bezeichnet) in die Mischsäule und im Übrigen (nämlich zu einem ”zweiten Anteil”) in die zweite Trennsäule eingespeist wird. Die Kälteleistung kann hierdurch auf dem gleichen Wert wie ohne eine nennenswerte Entnahme der sauerstoffreichen Flüssigfraktion aus der zweiten Trennsäule gehalten werden, obwohl die Menge des Gasprodukts hierbei verringert wird. Die Erfindung ermöglicht daher eine sehr vorteilhafte Entkopplung von Flüssig- und Gasproduktion in einer Luftzerlegungsanlage mit einer Mischsäule.The invention solves this problem in that, as mentioned, in the second mode of operation of the feed air flow just only to a part (referred to here as "first portion") in the mixing column and the rest (namely to a "second share") in the second Separation column is fed. The refrigeration capacity can thereby be maintained at the same level as without substantial removal of the oxygen-rich liquid fraction from the second separation column, although the amount of gas product is thereby reduced. The invention therefore enables a very advantageous decoupling of liquid and gas production in an air separation plant with a mixing column.

Die Erfindung kann in Luftzerlegungsanlagen zum Einsatz kommen, bei denen die erste Trennsäule bei einem ersten, höheren Trenndruck, die zweite Trennsäule bei einem zweiten, niedrigeren Trenndruck und die Mischsäule bei einem Mischsäulendruck zwischen dem ersten und dem zweiten Trenndruck betrieben wird. Entsprechende Luftzerlegungsanlagen und Verfahren sind grundsätzlich bekannt und beispielsweise in DE 102 09 421 A1 beschrieben. Beispielsweise können die erste und die zweite Trennsäule als sogenannte Hochdrucksäule einerseits und als sogenannte Niederdrucksäule andererseits ausgebildet sein. Die Hochdrucktrennsäule wird bisweilen auch als Mitteldrucksäule bezeichnet. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule, also der erste Trenndruck, beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Druck, dem zweiten Trenndruck, von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar betrieben. Der Druck der Mischsäule, hier als Mischsäulendruck bezeichnet, beträgt beispielsweise 2,7 bis 3,7 bar, vorzugsweise etwa 3,2 bar. Bei den hier angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke.The invention can be used in air separation plants in which the first separation column is operated at a first, higher separation pressure, the second separation column at a second, lower separation pressure and the mixing column at a mixing column pressure between the first and the second separation pressure. Corresponding air separation plants and methods are known in principle and, for example, in DE 102 09 421 A1 described. For example, the first and the second separation column can be designed as a so-called high-pressure column on the one hand and as a so-called low-pressure column on the other hand. The high pressure separation column is sometimes referred to as a medium pressure column. The operating pressure of the high-pressure column, ie the first separation pressure, is for example 4.3 to 6.9 bar, preferably about 5.0 bar. The low-pressure column is operated at a pressure, the second separation pressure, for example, 1.3 to 1.7 bar, preferably about 1.5 bar. The pressure of the mixing column, referred to herein as mixing column pressure, is for example 2.7 to 3.7 bar, preferably about 3.2 bar. The pressures given here are absolute pressures.

Wie erläutert, kann die Einsatzluft auf unterschiedlichen Druckstufen bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise wird der zweite Einsatzluftstrom zunächst auf einen Druck oberhalb des Mischsäulendrucks verdichtet und anschließend auf den Mischsäulendruck entspannt. Dies ermöglicht eine entsprechende Kälteproduktion in der Luftzerlegungsanlage und bietet sich, wie ebenfalls erläutert, an, wenn der geforderte Druck des Gasprodukts bei unter 3,0 bar liegt.As explained, the feed air can be provided at different pressure levels. Advantageously, the second feed air stream is first compressed to a pressure above the mixing column pressure and then expanded to the mixing column pressure. This allows a corresponding refrigeration in the air separation plant and offers, as also explained, when the required pressure of the gas product is less than 3.0 bar.

Zur weiteren Erhöhung der Flexibilität, aber auch zur Verbesserung der Ausfallsicherheit einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage kann der zweite Einsatzluftstrom mittels zumindest einer von zumindest zwei parallel zueinander angeordneten Entspannungseinrichtungen entspannt werden. Mit ”parallel angeordnet” ist hier gemeint, dass die zumindest zwei Entspannungseinrichtungen derart an eine Zuleitung für den zweiten Einsatzluftstrom der Einsatzluft angebunden sind, dass sie gleichzeitig, abwechselnd und/oder unabhängig voneinander mit dem zweiten Einsatzluftstrom gespeist werden können. Dies ermöglicht auch einen Backupbetrieb, wenn eine der Entspannungseinrichtungen ausfällt. Eine ”Entspannungseinrichtung” umfasst hier jede Einrichtung, die es ermöglicht, den Druck eines flüssigen oder gasförmigen Fluids von einer ersten, höheren Druckstufe auf eine zweite, niedrigere Druckstufe zu reduzieren.To further increase the flexibility, but also to improve the reliability of a corresponding air separation plant, the second feed air stream by means of at least one of at least two mutually parallel relaxation devices can be relaxed. By "arranged in parallel" is meant here that the at least two expansion devices are connected to a supply line for the second feed air stream of the feed air such that they can be fed simultaneously, alternately and / or independently with the second feed air stream. This also allows backup operation when one of the relaxation facilities fails. A "relaxation device" here includes any device that makes it possible to reduce the pressure of a liquid or gaseous fluid from a first, higher pressure level to a second, lower pressure level.

Mit besonderem Vorteil umfassen die zumindest zwei parallel zueinander angeordneten Entspannungseinrichtungen ein Entspannungsventil und eine Entspannungsmaschine. Durch das Verhältnis, in dem dabei das Entspannungsventil einerseits und die Entspannungsmaschine andererseits mit dem zweiten Einsatzluftstrom gespeist werden, kann auch die Kälteleistung eingestellt werden. Vorteilhafterweise erfolgt die Einstellung der Kälteleistung in Abhängigkeit von dem ersten und zweiten Betriebsmodus bzw. der entnommenen Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus, so dass sich die Kälteleistung gezielt an den Kältebedarf anpassen lässt.With particular advantage, the at least two relaxation devices arranged parallel to one another comprise an expansion valve and a relaxation machine. By the ratio in which the expansion valve on the one hand and the expansion machine on the other hand are fed with the second feed air flow, the cooling capacity can also be adjusted. Advantageously, the setting of the cooling capacity in dependence on the first and second operating mode or the withdrawn liquid product amount in the second operating mode, so that the cooling capacity can be adjusted specifically to the refrigeration demand.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst, den ersten Anteil und den zweiten Anteil des zweiten Einsatzluftstroms in dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Flüssigproduktmenge einzustellen. Wie erläutert, lässt sich hierdurch die Kälteleistung von der Menge des Gasprodukts entkoppeln, die durch den ersten Anteil des zweiten Einsatzluftstroms festgelegt ist.A particularly advantageous embodiment of the method according to the invention comprises setting the first portion and the second portion of the second feed air flow in the second operating mode as a function of the quantity of liquid product. As explained, this makes it possible to decouple the cooling capacity from the amount of the gas product, which is defined by the first portion of the second feed air flow.

Die Anforderungen industrieller Verbraucher an die Produkte von Luftzerlegungsanlagen und deren hierdurch bedingte Konstruktionsprinzipien unterscheiden sich mitunter beträchtlich. So sind für bestimmte Einsatzszenarien ausgesprochene Gasanlagen bekannt, in denen bevorzugt oder ausschließlich gasförmige Produkte, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff, gewonnen werden können. Andere Anwendungen erfordern hingegen Flüssigprodukte und damit ausgesprochene Flüssiganlagen.The requirements of industrial consumers for the products of air separation plants and their consequent design principles differ sometimes considerably. Thus, gas installations pronounced for certain application scenarios are known in which preferred or exclusively gaseous products, for example oxygen and / or nitrogen, can be obtained. Other applications, however, require liquid products and thus pronounced liquid systems.

Die Entnahme von Flüssigprodukten aus Gasanlagen ist in der Regel nur in sehr geringem Umfang möglich, auch wenn dort flüssige Fraktionen als Zwischenprodukte, beispielsweise in einer Trennsäule, anfallen. Die dort verwendeten Konstruktionsprinzipien können daher auch nicht ohne weiteres auf Flüssiganlagen übertragen werden. In Gasanlagen können die als Zwischenprodukte gewonnenen kryogenen Flüssigkeiten verdampft und zur Kühlung insbesondere der eingesetzten Luft verwendet werden. Wenn einer Luftzerlegungsanlage jedoch Flüssigprodukte, beispielsweise flüssiger Sauerstoff und/oder Stickstoff, entnommen werden sollen, wie dies im Rahmen der hier vorgeschlagenen Luftzerlegungsanlage im zweiten Betriebsmodus erfolgt, wird dem System diese Kältemenge entzogen. Die in Flüssiganlagen ”Fehlende” Kälte muss daher zusätzlich erzeugt werden, und zwar letztlich in Form von Verdichterleistung.The removal of liquid products from gas plants is usually possible only to a very limited extent, even if liquid fractions are obtained there as intermediates, for example in a separation column. Therefore, the design principles used there can not be readily transferred to liquid systems. In gas plants, the cryogenic liquids obtained as intermediates can be evaporated and used for cooling in particular the air used. If, however, liquid products, for example liquid oxygen and / or nitrogen, are to be taken from an air separation plant, as is done in the context of the air separation plant proposed here in the second operating mode, this amount of cold is withdrawn from the system. The "missing" in liquid systems cold must therefore be generated in addition, and ultimately in the form of compressor performance.

In herkömmlichen Anlagen mit Mischsäulen ist die Entnahme von nennenswerten Mengen flüssiger Fraktionen nicht möglich. Die dort erzeugbare Kältemenge richtet sich, wie erläutert, nach der Menge der in die Mischsäule entspannten Luft (der sogenannten Mischsäulenluft) und ist damit mit der Produktionsmenge des dort erhaltenen unreinen Sauerstoffprodukts gekoppelt. Eine Erhöhung der Kälteproduktion ist nicht möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es hingegen, auch bei einer primär als Gasanlage ausgebildeten Luftzerlegungsanlage vorhandene Flüssigtanks mittels der Luftzerlegungsanlage selbst zu füllen. Beispielsweise sind derartige Tanks als Backupspeicher vorgesehen, die für Fälle verwendet werden können, in denen die Luftzerlegungsanlage nicht in Betrieb ist, Verbraucher jedoch weiterhin entsprechende Produkte benötigen. Die Erfindung ermöglicht damit eine unabhängige Produktion von Flüssigprodukten, die nicht mehr durch die Menge des gasförmigen ”unreinen” Sauerstoffprodukts festgelegt ist.In conventional systems with mixing columns, the removal of significant quantities of liquid fractions is not possible. The amount of refrigerant which can be generated depends, as explained, on the amount of air released into the mixing column (the so-called mixed column air) and is thus coupled with the production quantity of the impure oxygen product obtained there. An increase in refrigeration production is not possible. By contrast, the method according to the invention makes it possible to fill existing liquid tanks by means of the air separation plant even in the case of an air separation plant designed primarily as a gas installation. For example, such tanks are provided as backup memories that can be used in cases where the air separation plant is not in operation, but consumers still need appropriate products. The invention thus enables an independent production of liquid products, which is no longer determined by the amount of gaseous "impure" oxygen product.

Eine zur Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage weist eine erste Trennsäule, eine zweite Trennsäule und eine Mischsäule auf. Sie verfügt ferner über Einspeisemittel, die dafür eingerichtet sind, den Einsatzluftstrom in dem ersten Betriebsmodus vollständig in die Mischsäule und in dem zweiten Betriebsmodus zu einem ersten Anteil in die Mischsäule und zu einem zweiten Anteil in die zweite Trennsäule einzuspeisen.An air separation plant configured for carrying out the method explained above has a first separation column, a second separation column and a mixing column. It also has feed means which are adapted to feed the feed air stream in the first operating mode completely into the mixing column and in the second operating mode to a first portion in the mixing column and to a second portion in the second separation column.

Vorteilhafterweise umfassen die Einspeisemittel zumindest eine Bypassleitung, die eine stromauf der Mischsäule angeordnete Einsatzluftleitung, die den zweiten Einsatzluftstrom führt, unter Umgehung der Mischsäule mit der zweiten Trennsäule verbindet. In einer derartigen Bypassleitung sind ferner vorteilhafterweise Stellmittel vorgesehen, mittels derer sich eine Menge des durch die Bypassleitung strömenden zweiten Anteils des zweiten Einsatzluftstroms einstellen lässt.Advantageously, the feed means comprise at least one bypass line which connects an inlet air line arranged upstream of the mixing column, which feed line leads the second feed air stream, with the second separation column bypassing the mixing column. In such a bypass line also advantageously actuating means are provided, by means of which can be set a quantity of flowing through the bypass line second portion of the second feed air flow.

Wie bereits erläutert, weist eine entsprechende Luftzerlegungsanlage Einspeisemittel auf, die vorteilhafterweise zumindest eine Entspannungseinrichtung umfassen. Die zumindest eine Entspannungseinrichtung ist dafür eingerichtet, den zweiten Einsatzluftstrom auf den Mischsäulendruck zu entspannen. As already explained, a corresponding air separation plant has feed means, which advantageously comprise at least one expansion device. The at least one expansion device is adapted to relax the second feed air stream to the mixing column pressure.

Besonders vorteilhaft ist eine Luftzerlegungsanlage, bei der die zumindest eine Entspannungseinrichtung ein Entspannungsventil und eine parallel zu diesem angeordnete Entspannungsmaschine umfasst. In dem Entspannungsventil kann der zweite Einsatzluftstrom isenthalp, in der Entspannungsmaschine arbeitsleistend entspannt werden. Die Entspannungsmaschine ist vorteilhafterweise als Gas-Entspannungsmaschine ausgebildet, also zur arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Einsatzluftstroms eingerichtet, der sich am Eintritt der Maschine im gasförmigen Zustand befindet. Der zweite Einsatzluftstrom tritt im Wesentlichen gasförmig oder vollständig gasförmig aus der Gas-Entspannungsmaschine aus. Der Flüssiganteil am Austritt beträgt maximal etwa 20%, vorzugsweise bis zu etwa 7%.Particularly advantageous is an air separation plant in which the at least one expansion device comprises an expansion valve and a relaxation machine arranged parallel thereto. In the expansion valve, the second feed air stream can be relaxed isenthalp, performing work in the expansion machine. The expansion machine is advantageously designed as a gas expansion machine, so set up for work-performing expansion of the second feed air stream, which is located at the inlet of the machine in the gaseous state. The second feed air stream exits substantially gaseous or completely gaseous from the gas expansion machine. The liquid content at the outlet is at most about 20%, preferably up to about 7%.

Entspannungsmaschinen werden vorzugsweise als Expansionsturbinen, auch als Turboexpander bezeichnet, realisiert. Eine Entspannungsmaschine wird zur Abfuhr der mechanischen Energie gebremst. Dies kann beispielsweise durch eine dissipative Bremse, einen Generator und/oder durch mechanische Kopplung mit einem Gasverdichter (Booster) und/oder einer Pumpe erfolgen. Beispielsweise kann man bei Verwendung einer Entspannungsmaschine die mechanische Energie aus der arbeitsleistenden Entspannung auch als elektrische Energie zurückgewinnen und über dem Umweg über das elektrische Versorgungsnetz und einen Elektromotor zum Antrieb geeigneter Einrichtungen einsetzen. Durch die Verwendung einer Entspannungsmaschine geht die bei der Entspannung freiwerdende Energie damit nicht verloren, sondern kann sinnvoll genutzt werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad entsprechender Luftzerlegungsanlagen.Relaxation machines are preferably realized as expansion turbines, also called turboexpanders. A relaxation machine is slowed down to dissipate the mechanical energy. This can be done for example by a dissipative brake, a generator and / or by mechanical coupling with a gas compressor (booster) and / or a pump. For example, you can recover the mechanical energy from the work-relaxing relaxation as electrical energy and use over the detour via the electrical supply network and an electric motor to drive suitable facilities when using a relaxation machine. By using a relaxation machine, the released during relaxation energy is not lost, but can be used effectively. This increases the efficiency of corresponding air separation plants.

Vorteilhafterweise ist wahlweise das Entspannungsventil und/oder die Entspannungsmaschine mit dem zweiten Einsatzluftstrom beschickbar, so dass sich die Kälte-, aber auch die Arbeitsleistung gezielt einstellen lassen.Advantageously, either the expansion valve and / or the expansion machine can be charged with the second feed air stream, so that it is possible to set the refrigeration work as well as the work output in a targeted manner.

Eine vorteilhafte Luftzerlegungsanlage weist ferner eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung auf, die dafür eingerichtet ist, die Luftzerlegungsanlage von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umzuschalten. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ist ferner vorteilhafterweise dazu ausgebildet, die Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus einzustellen. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung stellt dann in Abhängigkeit von der Flüssigproduktmenge vorteilhafterweise auch den ersten und den zweiten Anteil des zweiten Einsatzluftstroms und gegebenenfalls das Verhältnis, in dem das Entspannungsventil und/oder die Entspannungsmaschine mit dem zweiten Einsatzluftstrom beschickt werden, ein, um eine Kälte- und/oder Arbeitsleistung anzupassen.An advantageous air separation plant also has a control and / or regulating device, which is set up to switch the air separation plant from the first operating mode to the second operating mode. The control and / or regulating device is also advantageously designed to set the liquid product quantity in the second operating mode. The control and / or regulating device then sets depending on the amount of liquid product advantageously also the first and the second portion of the second feed air stream and optionally the ratio in which the expansion valve and / or the expansion machine are fed with the second feed air flow to one Adapt refrigeration and / or labor.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt.The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawing, which shows a preferred embodiment of the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. 1 shows an air separation plant according to a particularly preferred embodiment of the invention in a schematic representation.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

In 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet.In 1 an air separation plant according to a particularly preferred embodiment of the invention is shown and in total with 10 designated.

Der Luftzerlegungsanlage 10 wird über eine Leitung a verdichtete und aufgereinigte Luft AIR zugeführt. Die Verdichtung und Aufreinigung erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise in einem Hauptverdichter, dem Filteranlagen vor- und Luftwäscher bzw. Adsorptionseinrichtungen nachgeschaltet sind. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage 10 kann auch unter Verwendung von Haupt- und Nachverdichtern betrieben werden. Die zugeführte Luft AIR kann beispielsweise mit einem Druck von 5,6 bar in der Leitung a bereitgestellt werden. Der Druck ist nicht wesentlich höher als der erste Trenndruck in einer ersten Trennsäule S1.The air separation plant 10 is fed via a line a compressed and purified air AIR. The compaction and purification is carried out in a known manner, for example in a main compressor, the filter systems upstream and air scrubber or adsorption. A corresponding air separation plant 10 can also be operated using main and secondary compressors. The supplied air AIR can be provided, for example, with a pressure of 5.6 bar in the line a. The pressure is not significantly higher than the first separation pressure in a first separation column S1.

Die über die Leitung a in die Anlage 10 eingespeiste Luft wird einem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem abgekühlt. Über eine Leitung b kann diese Luft dem Wärmetauscher E1 zu einem Teil am kalten Ende und über eine Leitung c zu einem weiteren Teil bei einer Zwischentemperatur entnommen werden. Die Luft liegt in den Leitungen b und c aufgrund der Abkühlung und aufgrund von Druckverlusten jeweils bei einem Druck vor, der geringfügig niedriger ist als der Druck in der Leitung a. Die Luft in der Leitung b wird im Rahmen dieser Anmeldung als ”erster Einsatzluftstrom”, die Luft in der Leitung c als ”zweiter Einsatzluftstrom” bezeichnet.The over the line a in the plant 10 fed air is fed to a heat exchanger E1 and cooled in this. Via a line b, this air can be taken from the heat exchanger E1 to a part at the cold end and via a line c to another part at an intermediate temperature. The air is present in lines b and c due to the cooling and due to pressure losses each at a pressure which is slightly lower than the pressure in the line a. The air in the line b is referred to in the context of this application as "first feed air stream", the air in the line c as "second feed air stream".

Der Druck in der Leitung b entspricht dem Trenndruck einer ersten Trennsäule S1 und beträgt beispielsweise 5,4 bar. Der erste Einsatzluftstrom in der Leitung b wird in einen unteren Bereich der ersten Trennsäule S1 eingespeist. In dieser kann die eingespeiste Luft in bekannter Weise in eine stickstoffangereicherte Kopffraktion und eine sauerstoffangereicherte Sumpffraktion getrennt werden.The pressure in the line b corresponds to the separation pressure of a first separation column S1 and is for example 5.4 bar. The first feed air stream in the line b is fed into a lower region of the first separation column S1. In this, the injected air in a known manner in a nitrogen-enriched overhead fraction and an oxygen-enriched bottom fraction are separated.

Der zweite Einsatzluftstrom in der Leitung c, der bei der Zwischentemperatur dem Wärmetauscher E1 entnommen wurde, kann einer Entspannungsmaschine X1, die auch mit einem Energiewandler, beispielsweise einer Ölbremse oder einem Generator, gekoppelt sein kann, zugeführt werden. Die entsprechend entspannte Luft verlässt die Entspannungsmaschine X1 über eine Leitung d. Parallel zur Entspannungsmaschine X1 kann ein Entspannungsventil V1 vorgesehen sein, das über eine Leitung e gespeist werden kann. Die Leitung e mündet ebenfalls in die Leitung d. Dies entspricht einer parallelen Anordnung der Entspannungsmaschine X1 und des Entspannungsventils V1. Es kann vorgesehen sein, die Entspannungsmaschine X1 und das Entspannungsventil V1 wahlweise anzusteuern und/oder einen Anteil des über die Entspannungsmaschine X1 einerseits und das Entspannungsventil V1 andererseits entspannten zweiten Einsatzluftstroms einzustellen. Hierzu kann eine entsprechende Ansteuereinrichtung mit entsprechenden Stellmitteln (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Hierdurch lässt sich die Luftzerlegungsanlage 10 besonders flexibel betreiben. Die Entspannungsmaschine X1 und das Ventil V1 können auch wechselseitig als Backup vorgesehen sein. So kann das Ventil V1 dann zum Einsatz kommen, wenn die Entspannungsmaschine X1 ausfällt.The second feed air stream in the line c, which was taken from the heat exchanger E1 at the intermediate temperature, can be fed to an expansion machine X1, which can also be coupled to an energy converter, for example an oil brake or a generator. The correspondingly relaxed air leaves the expansion machine X1 via a line d. Parallel to the expansion machine X1 can be provided an expansion valve V1, which can be fed via a line e. The line e also flows into the line d. This corresponds to a parallel arrangement of the expansion machine X1 and the expansion valve V1. It can be provided to selectively actuate the expansion machine X1 and the expansion valve V1 and / or to adjust a portion of the second application air flow, which is relaxed via the expansion machine X1 on the one hand and the expansion valve V1 on the other hand. For this purpose, a corresponding drive means with corresponding adjusting means (not shown) may be provided. This allows the air separation plant 10 operate very flexibly. The expansion machine X1 and the valve V1 can also be mutually provided as a backup. Thus, the valve V1 can be used when the expansion machine X1 fails.

Der in der Leitung d nach der Entspannung in der Entspannungsmaschine X1 und/oder dem Ventil V1 bei einem reduzierten Druck, beispielsweise bei einem Druck von weniger als 3 bar, vorliegende zweite Einsatzluftstrom kann zumindest zu einem Teil über eine Leitung f in einen unteren Bereich einer Mischsäule M eingespeist werden. Die Mischsäule M wird im dargestellten Beispiel ebenfalls bei dem Druck von weniger als 3 bar betrieben. Der Betriebsdruck der Mischsäule wird hier als Mischsäulendruck bezeichnet. In herkömmlichen Anlagen wird der zweite Einsatzluftstrom stets vollständig in die Mischsäule M eingespeist.The second feed air stream present in the line d after the expansion in the expansion machine X1 and / or the valve V1 at a reduced pressure, for example at a pressure of less than 3 bar, can at least partly via a line f into a lower region of a Mixing column M are fed. The mixing column M is also operated at the pressure of less than 3 bar in the example shown. The operating pressure of the mixing column is referred to herein as mixing column pressure. In conventional systems, the second feed air stream is always fed completely into the mixing column M.

Über eine Leitung g kann in der erfindungsgemäßen Anlage jedoch ein Anteil des zweiten Einsatzluftstroms in der Leitung d mit einem entsprechenden Druck auch in eine zweite Trennsäule S2 eingespeist werden. Der in die zweite Trennsäule S2 eingespeiste Anteil der Luft aus der Leitung d, und damit auch der verbleibende, in die Mischsäule M eingespeiste Anteil des zweiten Einsatzluftstroms in der Leitung d, kann beispielsweise über ein Ventil V2 eingestellt werden.Via a line g, however, in the system according to the invention, a portion of the second feed air stream in the line d can be fed with a corresponding pressure into a second separation column S2. The portion of the air from the line d fed into the second separating column S2, and thus also the remaining portion of the second feed air stream in the line d fed into the mixing column M, can be adjusted via a valve V2, for example.

Die erste Trennsäule S1 wird in der dargestellten Anordnung auch als Hochdrucktrennsäule, die zweite Trennsäule S2 auch als Niederdrucktrennsäule bezeichnet.The first separation column S1 is also referred to in the illustrated arrangement as a high-pressure separation column, while the second separation column S2 is also referred to as a low-pressure separation column.

Wie erwähnt, kann in dem zweiten Betriebsmodus der Luftzerlegungsanlage 10 der zweite Einsatzluftstrom in der Leitung d in unterschiedlichen Einspeiseverhältnissen zwischen der Mischsäule M und der zweiten Trennsäule S2 verteilt werden. Hierdurch kann in dem zweiten Betriebsmodus die Flüssigproduktmenge des flüssigen Sauerstoffprodukts LOX variiert werden.As mentioned, in the second mode of operation of the air separation plant 10 the second feed air stream in the line d are distributed in different feed ratios between the mixing column M and the second separation column S2. As a result, in the second operating mode, the liquid product quantity of the liquid oxygen product LOX can be varied.

In die Mischsäule M kann über eine Leitung h und ein Ventil V3 ein sauerstoffreicher flüssiger Strom in einem oberen Bereich eingespeist und der über die Leitung f eingespeisten Luft bei dem Mischsäulendruck entgegengeschickt werden. Durch den intensiven Kontakt der Luft aus der Leitung f und des sauerstoffreichen flüssigen Stroms aus der Leitung h geht ein Teil des Stickstoffs in der Luft in den sauerstoffreichen Strom über. Der sauerstoffreiche Strom wird zum Teil verdampft, die Luft verflüssigt sich, wird gleichzeitig in gewissem Umfang mit Sauerstoff angereichert, und scheidet sich als Mischsäulensumpffraktion zusammen mit dem nicht verdampften sauerstoffreichen Strom in einem unteren Bereich der Mischsäule M an. Aus dem unteren Bereich der Mischsäule M kann die Mischsäulensumpffraktion über die Leitung i entnommen werden. Die Mischsäulensumpffraktion kann dann über ein Ventil V4 ebenfalls in die zweite Trennsäule S2 eingespeist werden.In the mixing column M can be fed via a line h and a valve V3, an oxygen-rich liquid stream in an upper region and fed against the fed via the line f air at the mixing column pressure. Due to the intensive contact of the air from the line f and the oxygen-rich liquid stream from the line h, part of the nitrogen in the air passes into the oxygen-rich stream. The oxygen-rich stream is partially vaporized, the air liquefies, is simultaneously enriched to some extent with oxygen, and separates as Mischsäulensumpffraktion together with the non-evaporated oxygen-rich stream in a lower region of the mixing column M. From the lower region of the mixing column M, the mixing column scum fraction can be removed via the line i. The mixing column sump fraction can then also be fed via a valve V4 into the second separation column S2.

Kopfseitig der Mischsäule M kann über eine Leitung k ein durch das Verdampfen des flüssigen sauerstoffreichen Stroms aus der Leitung h und den Austausch mit der Luft des zweiten Einsatzluftstroms aus der Leitung f erhaltener gasförmiger sauerstoffreicher Strom entnommen werden. Der gasförmige sauerstoffreiche Strom kann in dem Wärmetauscher E1 erwärmt und nach Bedarf über eine Leitung l und ein Ventil V5 bei einem entsprechenden Abgabedruck, beispielsweise bei 3 bar oder weniger, als gasförmiges Sauerstoffprodukt GOX (Gasprodukt) abgegeben werden.At the top of the mixing column M, a gaseous oxygen-rich stream obtained by evaporation of the liquid oxygen-rich stream from the line h and exchanged with the air of the second feed air stream from the line f can be taken off via a line k. The gaseous oxygen-rich stream can be heated in the heat exchanger E1 and discharged as required via a line l and a valve V5 at a corresponding discharge pressure, for example at 3 bar or less, as gaseous oxygen product GOX (gas product).

Aus der ersten Trennsäule S1 kann die stickstoffangereicherte Kopffraktion entnommen und über ein Leitungssystem m zu einem Teil in einem Wärmetauscher E2 kondensiert und in flüssiger Form wieder auf die erste Trennsäule S1 aufgegeben werden. Der Wärmetauscher E2 ist als Kopfkondensator ausgebildet und wird mit einer flüssigen, sauerstoffreichen Sumpffraktion der zweiten Trennsäule S2 gekühlt. Ein weiterer Anteil kann über eine Leitung n durch den Wärmetauscher E1 geführt und über ein Ventil V6 beispielsweise als Dichtgas SG oder unreines gasförmiges Stickstoffprodukt abgegeben werden.From the first separation column S1, the nitrogen-enriched overhead fraction can be removed and condensed via a line system m to a part in a heat exchanger E2 and be charged in liquid form back to the first separation column S1. The heat exchanger E2 is designed as a top condenser and is cooled with a liquid, oxygen-rich bottom fraction of the second separation column S2. Another portion can be passed through the heat exchanger E1 via a line n and discharged via a valve V6, for example as a sealing gas SG or impure gaseous nitrogen product.

Die sauerstoffangereicherte Sumpffraktion aus der ersten Trennsäule S1 kann über eine Leitung o entnommen, in einem als Unterkühler ausgebildeten Wärmetauscher E3 abgekühlt und über eine Leitung p und ein Ventil V7 ebenfalls in die zweite Trennsäule S2 eingespeist werden. The oxygen-enriched bottoms fraction from the first separation column S1 can be withdrawn via a line o, cooled in a heat exchanger E3 designed as a subcooler and likewise fed into the second separation column S2 via a line p and a valve V7.

In der zweiten Trennsäule S2 wird unter Verwendung der sauerstoffangereicherten Sumpffraktion aus der ersten Trennsäule S1, bzw. eines Teils hiervon, und unter Verwendung der weiteren eingespeisten Ströme eine sauerstoffreiche Sumpffraktion abgeschieden. Auch der zweite Anteil des zweiten Einsatzluftstroms kann über die Leitung g in die zweite Trennsäule S2 eingespeist (eingeblasen) werden.In the second separation column S2, using the oxygen-enriched bottom fraction from the first separation column S1, or a part thereof, and using the further fed streams, an oxygen-rich bottom fraction is deposited. Also, the second portion of the second feed air stream can be fed via line g in the second separation column S2 (blown).

Die sauerstoffreiche Sumpffraktion kann über eine Leitung q aus der zweiten Trennsäule S2 entnommen und unter Verwendung einer Pumpe P1 über eine Leitung r dem Wärmetauscher E3 zugeführt werden. Nach einer dort erfolgenden Erwärmung kann die sauerstoffreiche Sumpffraktion über die erläuterte Leitung h in den oberen Bereich der Mischsäule M eingespeist werden, so dass sie damit letztendlich zur Gewinnung des gasförmigen unreinen Sauerstoffprodukts GOX verwendet wird.The oxygen-rich bottom fraction can be taken from the second separation column S2 via a line q and fed to the heat exchanger E3 via a line r using a pump P1. After heating there, the oxygen-rich bottom fraction can be fed via the line h explained in the upper part of the mixing column M, so that it is thus ultimately used to obtain the gaseous impure oxygen product GOX.

Alternativ oder zumindest zu einem Anteil kann die über die Leitung q aus der zweiten Trennsäule S2 entnommene sauerstoffreiche Sumpffraktion auch stromab der Pumpe P1 über eine Leitung s und ein Ventil V8 als flüssiges Sauerstoffprodukt LOX der Luftzerlegungsanlage 10 entnommen werden. Dies erfolgt vorwiegend in dem zweiten Betriebsmodus. Über eine Bypassleitung t kann auch ein Teil hiervon stromauf des Ventils V5 in die Leitung l abgezweigt werden.Alternatively, or at least to a proportion, the oxygen-rich bottoms fraction removed via the line q from the second separation column S2 can also be downstream of the pump P1 via a line s and a valve V8 as the liquid oxygen product LOX of the air separation plant 10 be removed. This occurs predominantly in the second operating mode. Via a bypass line t, a part thereof can also be branched off into the line l upstream of the valve V5.

Eine weitere Fraktion kann über eine Leitung u aus der ersten Trennsäule S1 entnommen und nach Abkühlung in dem Wärmetauscher E3 über ein Ventil V9 in die zweite Trennsäule S2 eingespeist werden.A further fraction can be taken from the first separation column S1 via a line u and, after cooling in the heat exchanger E3, fed via a valve V9 into the second separation column S2.

Über eine Leitung v kann kopfseitig der zweiten Trennsäule S2 eine gasförmige Fraktion abgezogen, durch die Wärmetauscher E3 und E1 erwärmt, und aus der Luftzerlegungsanlage 10 über die Leitungen w und x mit entsprechenden Ventilen ausgeleitet werden. Diese Fraktion kann in der vorgeschalteten Luftreinigung eingesetzt und/oder an die Atmosphäre abgegeben werden.Via a line v can the head of the second separation column S2 deducted a gaseous fraction, heated by the heat exchanger E3 and E1, and from the air separation plant 10 via lines w and x are discharged with appropriate valves. This fraction can be used in the upstream air purification and / or released to the atmosphere.

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Claims (14)

Verfahren zur Herstellung von Luftprodukten (GOX, LOX) in einer Luftzerlegungsanlage (10) mit einer ersten Trennsäule (S1), einer zweiten Trennsäule (S2) und einer Mischsäule (M), bei dem Einsatzluft (AIR) in Form zumindest eines ersten und eines zweiten jeweils verdichteten und abgekühlten Einsatzluftstroms bereitgestellt wird, wobei in der ersten Trennsäule (S1) aus dem ersten Einsatzluftstrom eine sauerstoffangereicherte Fraktion gewonnen wird, die sauerstoffangereicherte Fraktion zumindest teilweise in die zweite Trennsäule (S2) überführt wird, in der zweiten Trennsäule (S2) eine sauerstoffreiche Flüssigfraktion abgeschieden wird, und in der Mischsäule (M) die sauerstoffreiche Flüssigfraktion zumindest teilweise gegen Luft des zweiten Einsatzluftstroms verdampft wird, wobei die sauerstoffreiche Flüssigfraktion der zweiten Trennsäule (S2) optional in einer Flüssigproduktmenge entnommen und als Flüssigprodukt (LOX) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigproduktmenge in einem ersten Betriebsmodus geringer ist als die Flüssigproduktmenge in einem zweiten Betriebsmodus, wobei die Flüssigproduktmenge in dem ersten Betriebsmodus 0% bis 2% der Menge der in der Mischsäule (M) verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion entspricht und der zweite Einsatzluftstrom vollständig in die Mischsäule (M) eingespeist wird, und wobei die Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus 1% bis 5% der Menge der in der Mischsäule (M) verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion entspricht und der zweite Einsatzluftstrom zu einem ersten Anteil in die Mischsäule (M) und zu einem zweiten Anteil in die zweite Trennsäule (S2) eingespeist wird.Process for the production of air products (GOX, LOX) in an air separation plant ( 10 ) with a first separation column (S1), a second separation column (S2) and a mixing column (M), in which feed air (AIR) is provided in the form of at least a first and a second respectively compressed and cooled feed air stream, wherein in the first separation column ( S1) from the first feed air stream, an oxygen-enriched fraction is obtained, the oxygen-enriched fraction is at least partially transferred to the second separation column (S2), in the second separation column (S2) an oxygen-rich liquid fraction is deposited, and in the mixing column (M) the oxygen-rich liquid fraction is at least partially vaporized against the air of the second feed air stream, wherein the oxygen-rich liquid fraction of the second separation column (S2) is optionally taken in a liquid product amount and provided as a liquid product (LOX), characterized in that the liquid product amount in a first operating mode is lower than the liquid product amount in a second mode of operation, wherein the liquid product amount in the first mode of operation corresponds to 0% to 2% of the amount of oxygen-rich liquid fraction vaporized in the mixing column (M) and the second feed air stream is completely fed to the mixing column (M), and wherein the amount of liquid product in corresponds to the second mode of operation 1% to 5% of the amount of oxygen-rich liquid fraction evaporated in the mixing column (M) and the second feed air stream to a first portion in the mixing column (M) and a second portion in the second separation column (S2) is fed. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Flüssigproduktmenge während eines Zeitabschnitts des ersten Betriebsmodus 0% bis 0,5% der während dieses Zeitabschnitts bereitgestellten Einsatzluft (AIR) und während eines Zeitabschnitts des zweiten Betriebsmodus 0,5% bis 1% der während dieses Zeitabschnitts bereitgestellten Einsatzluft (AIR) entspricht.The method of claim 1, wherein the amount of liquid product during a time period of the first mode of operation is 0% to 0.5% of the feed air (AIR) provided during that time period and 0.5% to 1% of that during that time period provided during a time period of the second mode of operation Application air (AIR) corresponds. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Trennsäule (S1) bei einem ersten, höheren Trenndruck, die zweite Trennsäule (S2) bei einem zweiten, niedrigeren Trenndruck und die Mischsäule (M) bei einem Mischsäulendruck zwischen dem ersten und dem zweiten Trenndruck betrieben wird.The method of claim 1 or 2, wherein the first separation column (S1) at a first, higher separation pressure, the second separation column (S2) at a second, lower separation pressure and the mixing column (M) at a mixing column pressure between the first and the second separation pressure is operated. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der zweite Einsatzluftstrom zunächst auf einen Druck oberhalb des Mischsäulendrucks verdichtet und anschließend auf den Mischsäulendruck entspannt wird.The method of claim 3, wherein the second feed air stream is first compressed to a pressure above the mixing column pressure and then expanded to the mixing column pressure. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der zweite Einsatzluftstrom mittels zumindest einer von zumindest zwei parallel zueinander angeordneten Entspannungseinrichtungen (V1, X1) entspannt wird.The method of claim 4, wherein the second feed air stream by means of at least one of at least two mutually parallel relaxation means (V1, X1) is relaxed. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die zumindest zwei parallel zueinander angeordneten Entspannungseinrichtungen (V1, X1) ein Entspannungsventil (V1) und eine Entspannungsmaschine (X1) umfassen.Method according to Claim 5, in which the at least two expansion devices (V1, X1) arranged parallel to one another comprise an expansion valve (V1) and a relaxation machine (X1). Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der zweite Einsatzluftstrom zu einstellbaren Anteilen in dem Entspannungsventil (V1) einerseits und in der Entspannungsmaschine (X1) andererseits entspannt wird.The method of claim 6, wherein the second feed air stream to adjustable portions in the expansion valve (V1) on the one hand and in the expansion machine (X1) on the other hand is relaxed. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der erste Anteil und der zweite Anteil des zweiten Einsatzluftstroms zumindest in dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Flüssigproduktmenge eingestellt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the first portion and the second portion of the second feed air stream are adjusted at least in the second operating mode depending on the liquid product amount. Luftzerlegungsanlage (10) mit einer ersten Trennsäule (S1), einer zweiten Trennsäule (S2) und einer Mischsäule (M), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist, mit Einspeisemitteln, die dafür eingerichtet sind, den zweiten Einsatzluftstrom in dem ersten Betriebsmodus vollständig in die Mischsäule (M) und in dem zweiten Betriebsmodus zu einem ersten Teil in die Mischsäule (M) und zu einem zweiten Teil in die zweite Trennsäule (S2) einzuspeisen.Air separation plant ( 10 ) having a first separation column (S1), a second separation column (S2) and a mixing column (M) arranged to carry out a method according to any one of the preceding claims, with feed means adapted to supply the second feed air stream in the first operating mode completely into the mixing column (M) and in the second mode of operation to feed a first part in the mixing column (M) and to a second part in the second separation column (S2). Luftzerlegungsanlage (10) nach Anspruch 9, bei der die Einspeisemittel zumindest eine Bypassleitung umfassen, die eine stromauf der Mischsäule (M) angeordnete Einsatzluftleitung, die mit dem zweiten Einsatzluftstrom speisbar ist, unter Umgehung der Mischsäule (M) mit der zweiten Trennsäule (S2) verbindet.Air separation plant ( 10 ) according to claim 9, wherein the feed means comprise at least one bypass line which connects an input air line upstream of the mixing column (M) which can be fed with the second feed air stream, bypassing the mixing column (M) with the second separation column (S2). Luftzerlegungsanlage (10) nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Einspeisemittel ferner zumindest eine Entspannungseinrichtung (V1, X1) umfassen, die dafür eingerichtet sind, den zweiten Einsatzluftstrom auf einen Mischsäulendruck zu entspannen, bei dem die Mischsäule (M) betreibbar ist.Air separation plant ( 10 ) according to claim 9 or 10, wherein the feed means further comprise at least one expansion device (V1, X1) adapted to relieve the second feed air stream to a mixing column pressure at which the mixing column (M) is operable. Luftzerlegungsanlage (10) nach Anspruch 11, bei dem die zumindest eine Entspannungseinrichtung (V1, X1) ein Entspannungsventil (V1) und eine parallel zu diesem angeordnete Entspannungsmaschine (X1) umfasst.Air separation plant ( 10 ) according to claim 11, wherein the at least one expansion device (V1, X1) comprises an expansion valve (V1) and a relaxation machine (X1) arranged parallel thereto. Luftzerlegungsanlage (10) nach Anspruch 12, bei dem wahlweise das Entspannungsventil (V1) und/oder die Entspannungsmaschine (X1) mit dem zweiten Einsatzluftstroms beschickbar ist.Air separation plant ( 10 ) according to claim 12, wherein optionally the expansion valve (V1) and / or the expansion machine (X1) can be charged with the second feed air flow. Luftzerlegungsanlage (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, die ferner eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) aufweist, die dafür eingerichtet ist, die Luftzerlegungsanlage (10) von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umzuschalten.Air separation plant ( 10 ) according to one of claims 9 to 13, further comprising a control and / or regulating device ( 20 ), that for it the air separation plant ( 10 ) to switch from the first operating mode to the second operating mode.
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