DE102013019504A1 - Verfahren zur Gewinnung eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft und Luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verfahren zur Gewinnung eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft und Luftzerlegungsanlage Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Gewinnung eines flüssigen Stickstoffprodukts (LIN) durch Tieftemperaturzerlegung von Luft (AIR) in einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (30), das genau zwei Destillationssäulen (31, 32), nämlich eine Hochdrucksäule (31) und eine Niederdrucksäule (32), die jeweils einen als Badverdampfer ausgebildeten Kopfkondensator (33, 34) mit einem Verflüssigungsraum und einem Verdampfungsraum aufweisen, vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst unter anderem, einen gereinigten Einsatzluftstrom (b) in einem ersten turbinengetriebenen Verdichter (22) von einem ersten Druckniveau, das ein Hauptluftverdichter (12) bereitstellt, auf ein zweites Druckniveau und danach in einem zweiten turbinengetriebenen Verdichter (23) von dem zweiten auf ein drittes Druckniveau zu einem verdichteten Einsatzluftstrom (c) zu verdichten, wobei die gesamte Luft des verdichteten Einsatzluftstroms (c) danach einem Hauptwärmetauscher (21) zugeführt und in diesem abgekühlt wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine Luftzerlegungsanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt. Derartige Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den Destillationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand (beispielsweise flüssigem Sauerstoff, LOX, gasförmigem Sauerstoff, GOX, flüssigem Stickstoff, LIN und/oder gasförmigem Stickstoff, GAN), also den Destillationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Destillationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein (siehe hierzu beispielsweise F. G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, Boca Raton: CRC Press, 2006; Kapitel 3: Air Separation Technology).
  • Die Destillationssäulensysteme werden bei unterschiedlichen Betriebsdrücken in ihren Destillationssäulen betrieben. Bekannte Doppelsäulensysteme weisen beispielsweise eine sogenannte Hochdrucksäule und eine sogenannte Niederdrucksäule auf. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Betriebsdruck von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar betrieben. Bei den hier und im Folgenden angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke.
  • Bei der Luftzerlegung können auch sogenannte High-Air-Pressure-Verfahren (HAP) eingesetzt werden. Bei einem HAP-Verfahren, das bei einem Doppelsäulensystem verwendet wird, wird die gesamte, der Luftzerlegungsanlage zugeführte bzw. die in einem entsprechenden Verfahren insgesamt eingesetzte Luft (hier als Einsatzluft bezeichnet) in einem Haupt(luft)verdichter auf einen Druck verdichtet, der deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied beträgt mindestens 4 bar und beispielsweise zwischen 6 und 16 bar oder auch deutlich mehr.
  • In HAP-Verfahren kann die im Hauptverdichter verdichtete Luftmenge von der Prozessluftmenge entkoppelt werden. In einem derartigen Fall wird nur ein Teil der auf den genannten Druck verdichteten Gesamtluftmenge als sogenannte Prozessluft genutzt, also für die eigentliche Rektifikation verwendet und in die Hochdrucksäule eingespeist. Ein weiterer Teil wird zur Gewinnung von Kälte entspannt, wobei die Kältemenge unabhängig von der Prozessluft eingestellt werden kann. Eine derartige Entkopplung ist jedoch nicht in allen HAP-Verfahren vorgesehen. HAP-Verfahren sind aus der EP 2 466 236 A1 , der EP 2 458 311 A1 und der US 5 329 776 A bekannt.
  • Entsprechend dem in einer Luftzerlegungsanlage hauptsächlich zu produzierenden Produkt, dessen gewünschtem Aggregatzustand und/oder seiner benötigten Reinheit können Luftzerlegungsanlagen baulich und/oder betrieblich optimiert werden, um beispielsweise besonders geringe Erstellungs- und Betriebskosten zu ermöglichen. Beispielsweise ist aus der EP 2 312 247 A1 bekannt, in einer Luftzerlegungsanlage zur Herstellung eines flüssigen Stickstoffprodukts ein Destillationssäulensystem zu verwenden, das genau zwei Destillationssäulen aufweist. Hierbei handelt es sich um eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule. Weitere Destillationssäulen werden, zumindest zur Stickstoff/Sauerstoff-Trennung, nicht verwendet. Zusätzliche Destillationssäulen für zusätzliche Trennaufgaben, beispielsweise zur Edelgasgewinnung, können jedoch grundsätzlich vorgesehen sein.
  • Ferner offenbart die EP 2 312 247 A1 auch die Kopplung der Hochdrucksäule mit einem einzigen Kopfkondensator, der zur Verflüssigung eines gasförmigen Kopfprodukts der Hochdrucksäule eingerichtet ist. Der Kopfkondensator ist als Bad- bzw. Kondensatorverdampfer ausgebildet und umfasst einen Verflüssigungsraum und einen einzigen Verdampfungsraum. Es werden keine weiteren Kondensatoren zur Verflüssigung eines Kopfprodukts der Hochdrucksäule eingesetzt. Der Kopfkondensator der Hochdrucksäule wird mit verflüssigter Luft als Kühlmedium betrieben. Hierbei handelt es sich um einen Teil der Einsatzluft, der zusammen mit der gasförmig in die Hochdrucksäule einzuspeisenden Luft im Hauptverdichter verdichtet und zumindest zum Teil im Hauptwärmetauscher abgekühlt wurde. Der Kopfkondensator der Hochdrucksäule wird also nicht mit einem Sumpfprodukt der Niederdrucksäule als Kühlmedium betrieben, wie dies beispielsweise bei herkömmlichen Doppelsäulensystemen mit innen- oder außenliegendem Hauptkondensator (siehe unten) der Fall ist.
  • Weitere Verfahren, bei denen wie in der EP 2 312 247 A1 überwiegend oder ausschließlich ein flüssiges Stickstoffprodukt erzeugt wird, und bei denen Kälte in einem Hauptwärmetauscher auf einen unter Hochdruck stehenden Luftstrom übertragen wird, sind auch aus der EP 0 316 768 A2 (1), der US 5 660 059 A und der DE 10 2004 046 344 A1 bekannt.
  • Die zuletzt genannten Druckschriften zeigen jedoch konventionelle Zweisäulensysteme, in denen im Gegensatz zu der EP 2 312 247 A1 der Kopfkondensator der Hochdrucksäule durch ein flüssiges Sumpfprodukt der Niederdrucksäule gekühlt wird. Nachteil dieser herkömmlichen Verfahren ist die hohe Vorverflüssigung der in das Destillationssäulensystem insgesamt eingeleiteten Luft. Dies führt zu einer verminderten Trennleistung und damit zu einem relativ hohen Energieverbrauch des Systems.
  • Die EP 2 312 247 A1 schafft zwar bereits beträchtliche Verbesserungen gegenüber solchen Verfahren, dennoch besteht weiterhin der Bedarf, insbesondere die Erstellungs- und Betriebskosten einer solchen Anlage zu reduzieren.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deren Grundlagen und die verwendeten Begriffe erläutert.
  • Eine ”Luftzerlegungsanlage” wird mit ggf. getrockneter und aufgereinigter Luft beschickt, die zumindest mittels eines ”Hauptverdichters” in Form zumindest eines Druckluftstroms bereitgestellt wird. Eine Luftzerlegungsanlage weist, wie erwähnt, ein Destillationssäulensystem zur Zerlegung der Luft, insbesondere in Stickstoff und Sauerstoff, in einer ”Zerlegungseinheit” auf. Die Zerlegungseinheit umfasst zumindest Destillationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und ggf. weitere Destillationssäulen, beispielsweise zur Gewinnung von Edelgasen. Im Gegensatz hierzu umfasst eine reine ”Luftverflüssigungsanlage” kein Destillationssäulensystem, also keine Zerlegungseinheit, sondern nur eine kryogene Verflüssigungseinheit. Im Übrigen kann ihr Aufbau jenem einer Luftzerlegungsanlage entsprechen.
  • Die Destillationssäulen von Destillationssäulensystemen bei Luftzerlegungsanlagen sind zumindest teilweise mit einem ”Kopfkondensator” ausgestattet. Dies gilt zumindest für die Hochdrucksäule klassischer Doppelsäulensysteme. Der Kopfkondensator, der beispielsweise als Kondensatorverdampfer ausgebildet ist, wird hier üblicherweise auch als ”Hauptkondensator” bezeichnet. In einem Kondensatorverdampfer wird eine zu verdampfende Flüssigkeit (”Kühlmedium”) in einem Verdampfungsraum zumindest teilweise gegen ein gasförmiges Fluid in einem Verflüssigungsraum verdampft. Das gasförmige Fluid verflüssigt sich hierdurch zumindest teilweise. Bei herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen wird im Hauptkondensator ein gasförmiges Kopfprodukt (sogenannter Kopfstickstoff) der Hochdrucksäule verflüssigt und ein Sumpfprodukt der Niederdrucksäule, die oberhalb der Hochdrucksäule angeordnet ist, verdampft. Ein derartiger Hauptkondensator wird häufig innerhalb der Niederdrucksäule angeordnet (innenliegender Hauptkondensator) alternativ kann er in einem separaten Behälter außerhalb der Niederdrucksäule untergebracht und über Leitungen mit dieser verbunden werden (außenliegender Hauptkondensator). Für entsprechende Kondensatoren wird eine Vielzahl unterschiedlicher Bezeichnungen verwendet.
  • Ein ”Kondensatorverdampfer” weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden jeweils durch Gruppen von Passagen (Verflüssigungs- bzw. Verdampfungspassagen) gebildet, die untereinander in fluidischer Verbindung stehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation eines ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung eines zweiten Fluidstroms. Die beiden Fluidströme stehen dabei in indirektem Wärmetausch. Entsprechende Verdampfer werden auch als Badverdampfer bzw. Badkondensatoren bezeichnet.
  • Ein ”Verdichter” ist eine Vorrichtung, die zum Verdichten wenigstens eines gasförmigen Stroms von wenigstens einem Eingangsdruck, bei dem dieser dem Verdichter zugeführt wird, auf wenigstens einen Enddruck, bei dem dieser dem Verdichter entnommen wird, eingerichtet ist. Ein Verdichter bildet eine bauliche Einheit, die jedoch mehrere ”Verdichterstufen” in Form von Kolben-, Schrauben- und/oder Schaufelrad- bzw. Turbinenanordnungen (also Axial- oder Radialverdichterstufen) aufweisen kann. Dies gilt auch insbesondere für den ”Haupt(luft)verdichter” einer Luftbehandlungsanlage, der sich dadurch auszeichnet, dass durch diesen die gesamte oder der überwiegende Anteil der in die Luftbehandlungsanlage eingespeisten Luftmenge, also der Einsatzluftstrom, verdichtet wird. Ein ”Nachverdichter”, in dem typischerweise ein Teil der im Hauptverdichter verdichteten Luftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird, ist häufig ebenfalls mehrstufig ausgebildet. Insbesondere werden entsprechende Verdichterstufen mittels eines gemeinsamen Antriebs, beispielsweise über eine gemeinsame Welle, angetrieben. Auch der Haupt- und der Nachverdichter können gemeinsam mit einer Welle angetrieben werden. In diesem Zusammenhang wird dann der Begriff ”Kombiverdichter” verwendet.
  • Ein ”Luftprodukt” ist jedes Produkt, das zumindest durch Verdichten und Abkühlen von Luft und insbesondere, jedoch nicht notwendigerweise, durch eine anschließende Tieftemperaturrektifikation hergestellt werden kann. Insbesondere kann es sich hierbei um flüssigen oder gasförmigen Sauerstoff (LOX, GOX), flüssigen oder gasförmigen Stickstoff (LIN, GAN), flüssiges oder gasförmiges Argon (LAR, GAR), flüssiges oder gasförmiges Xenon, flüssiges oder gasförmiges Krypton, flüssiges oder gasförmiges Neon, flüssiges oder gasförmiges Helium usw. handeln, aber auch beispielsweise um Flüssigluft (LAIR). Die Begriffe ”Sauerstoff”, ”Stickstoff” usw. bezeichnen dabei jeweils auch tiefkalte Flüssigkeiten oder Gase, die die jeweils genannte Luftkomponente in einer Menge aufweisen, die oberhalb jener atmosphärischer Luft liegt. Es muss sich also nicht um reine Flüssigkeiten oder Gase mit hohen Gehalten handeln.
  • Unter einer ”tiefkalten” Flüssigkeit, bzw. einem entsprechenden Fluid, flüssigen Luftprodukt, Strom usw. wird ein flüssiges Medium verstanden, dessen Siedepunkt deutlich unterhalb der jeweiligen Umgebungstemperatur, beispielsweise bei 200 K oder weniger, insbesondere bei 220 K oder weniger, liegt. Beispiele für tiefkalte Medien sind flüssige Luft, flüssiger Sauerstoff und flüssiger Stickstoff im obigen Sinn.
  • Ein Fluid, das bei einer Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur und einem Druck oberhalb des kritischen Drucks vorliegt, befindet sich im überkritischen Zustand. Wird die Temperatur bis auf einen Wert unterhalb der kritischen Temperatur abgesenkt, geht das zuvor im überkritischen Zustand vorliegende Fluid in einen flüssigen Zustand über. Da jedoch im überkritischen Zustand nicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase unterschieden werden kann, handelt es sich hierbei nicht um eine ”Verflüssigung” im eigentlichen Sinn, das Fluid wird ”pseudoverflüssigt”. Dennoch soll auch eine derartige ”Pseudoverflüssigung” im Rahmen dieser Anmeldung unter den Begriff ”Verflüssigung” fallen. Eine Verflüssigung liegt also immer dann vor, wenn ein Fluid ausgehend von einem nicht oder nicht eindeutig flüssigen Zustand in den flüssigen Zustand übergeht. Entsprechendes gilt für den Begriff ”Verdampfung”, der auch eine ”Pseudoverdampfung”, also den Übergang vom flüssigen in den überkritischen Zustand einschließt.
  • Eine ”Entspannungsturbine” bzw. ”Entspannungsmaschine”, die über eine gemeinsame Welle mit weiteren Entspannungsturbinen oder Energiewandlern wie Ölbremsen, Generatoren oder Verdichtern gekoppelt sein kann, ist zur Entspannung eines gasförmigen oder zumindest teilweise flüssigen Stroms eingerichtet. Insbesondere können Entspannungsturbinen zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung als Turboexpander ausgebildet sein. Wird ein Verdichter mit einer oder mehreren Entspannungsturbinen angetrieben, jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors, zugeführte Energie, wird der Begriff ”turbinengetriebener” Verdichter oder alternativ ”Booster” verwendet. Anordnungen aus turbinengetriebenen Verdichtern und Entspannungsturbinen werden auch als ”Boosterturbinen” bezeichnet.
  • Ein ”Wärmetauscher” dient zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei z. B. im Gegenstrom zueinander geführten Strömen, beispielsweise einem warmen Druckluftstrom und einem oder mehreren kalten Strömen oder einem tiefkalten flüssigen Luftprodukt und einem oder mehreren warmen Strömen. Ein Wärmetauscher kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z. B. aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Ein Wärmetauscher, beispielsweise auch der in einer Luftbehandlungsanlage eingesetzte ”Hauptwärmetauscher”, der sich dadurch auszeichnet, dass durch ihn der Hauptanteil der abzukühlenden bzw. zu erwärmenden Ströme abgekühlt bzw. erwärmt wird, weist ”Passagen” auf, die als voneinander getrennte Fluidkanäle mit Wärmeaustauschflächen ausgebildet sind.
  • Flüssige und gasförmige Ströme können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei ”reich” für einen Gehalt von wenigstens 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9%, 99,99% oder 99,999% und ”arm” für einen Gehalt von höchstens 10%, 5%, 1%, 0,1%, 0,01% oder 0,001% auf molarer, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann.
  • Flüssige und gasförmige Ströme können im hier verwendeten Sprachgebrauch ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen entsprechenden Gehalt in einem Ausgangsgemisch beziehen, aus dem der flüssige oder gasförmige Strom erhalten wurde. Der flüssige oder gasförmige Strom ist ”angereichert”, wenn dieser zumindest den 1,1-fachen, 1,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, ”abgereichert”, wenn er höchstens den 0,9-fachen, 0,5-fachen, 0,1-fachen, 0,01-fachen oder 0,001-fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf das Ausgangsgemisch, enthält. Ein typisches Ausgangsgemisch ist die einer Luftzerlegungsanlage zugeführte Einsatzluft.
  • Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe ”Druckniveau” und ”Temperaturniveau”, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ±1%, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten, ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei den hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung geht von einem an sich bekannten Verfahren zur Gewinnung eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem aus, das genau zwei Destillationssäulen umfasst. Hierbei handelt es sich, wie einleitend unter Bezugnahme auf die EP 2 312 247 A1 erläutert, um eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule. Diese weisen jeweils einen als Badverdampfer ausgebildeten Kopfkondensator mit einem Verflüssigungsraum und einem Verdampfungsraum auf. Bei den Kopfkondensatoren handelt es sich also um Kondensatorverdampfer.
  • Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein Verfahren zur Gewinnung eines flüssigen Stickstoffprodukts (LIN) beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch zur Gewinnung von gasförmigem Druckstickstoff (PGAN) und durch Innenverdichtung hergestelltem gasförmigem Druckstickstoff (GAN IC) verwendet werden kann, wobei die Menge an gasförmigem Stickstoff, die entnommen wird (d. h. die Gesamtmenge an PGAN und GAN IC) kleiner oder gleich der Menge des flüssigen Stickstoffprodukts (LIN) ist. Es handelt sich damit immer um Verfahren zur Gewinnung (zumindest) eines flüssigen Stickstoffprodukts.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden keine weiteren Kondensatoren zur Verflüssigung von Kopfgas der Hochdrucksäule eingesetzt. Insbesondere weist der Kopfkondensator der Hochdrucksäule auch nur einen einzigen Verdampfungsraum auf, d. h. alle Teile des Verdampfungsraums stehen miteinander in fluidischer Verbindung. Der Kopfkondensator der Hochdrucksäule wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere nicht mit mehreren Kühlmedien unterschiedlicher Zusammensetzung betrieben, sondern vorzugsweise nur mit einem einzigen Kühlmedium. Es versteht sich, dass ein ”einziges Kühlmedium” auch aus mehreren Fluidströmen gebildet werden kann, sofern es sich anschließend in dem Kopfkondensator oder bereits stromauf hiervon zu dem ”einzigen Kühlmedium” vermischt. Im Regelfall weist der Kopfkondensator der Hochdrucksäule auch nur einen einzigen Verflüssigungsraum auf, in dem zumindest ein Teil des Kopfprodukts der Hochdrucksäule, wie unten erläutert, verflüssigt wird.
  • Wie in der EP 2 312 247 A1 wird also im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine klassische Doppelsäule durch zwei Säulen ersetzt, die beide einen Kopfkondensator aufweisen. Verdichtete Einsatzluft wird dabei zumindest teilweise in den Kopfkondensator der Hochdrucksäule bzw. dessen Verdampfungsraum eingeleitet und bewirkt dort, als Kühlmedium, die Erzeugung von flüssigem Stickstoff aus dem Kopfprodukt der Hochdrucksäule, welcher als Rücklauf auf die Hochdrucksäule aufgegeben, in die Niederdrucksäule eingespeist und/oder direkt als flüssiges Stickstoffprodukt entnommen werden kann. Bereits hierdurch wird eine besonders effiziente Nutzung der in einem entsprechenden Strom enthaltenen Kälte erzielt. Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen sei auf die EP 2 312 247 A1 verwiesen.
  • Ein entsprechendes Verfahren umfasst insbesondere, Luft eines Einsatzluftstroms in einem Hauptluftverdichter auf ein erstes Druckniveau zu verdichten und danach in einer Reinigungseinrichtung unter Erhalt eines gereinigten Einsatzluftstroms zu reinigen. Luft des gereinigten Einsatzluftstroms wird danach unter Verwendung eines ersten und eines zweiten turbinengetriebenen Verdichters (Boosters, s. o.) und unter Erhalt eines verdichteten Einsatzluftstroms weiter verdichtet. Danach wird Luft des verdichteten Einsatzluftstroms auf unterschiedliche Temperaturniveaus abgekühlt und teilweise in die Hochdrucksäule und in den Verdampfungsraum von deren Kopfkondensator entspannt.
  • Insbesondere umfasst ein solches Verfahren eine Einspeisung eines durch eine entsprechende Abkühlung verflüssigten verdichteten Einsatzluftstroms in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators der Hochdrucksäule. Ein solcher Strom kann dabei direkt oder indirekt in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators der Hochdrucksäule eingespeist werden. Im ersteren Fall wird der Strom unmittelbar stromab einer Entspannung, beispielsweise mittels eines Drosselventils, in den Verdampfungsraum überführt. Der in den Kopfkondensator eingespeiste Strom kann dabei durch den gesamten entspannten und zuvor verflüssigten Anteil des Einsatzluftstroms gebildet werden oder durch einen Teil, der unmittelbar nach der Entspannung abgezweigt wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann eine Phasentrennung vorgenommen werden. Hierbei wird der verflüssigte Anteil des Einsatzluftstroms nochmals in einen flüssigen Anteil und einen gasförmigen Anteil getrennt. Ersterer wird hierzu nach der Entspannung an einer Zwischenstelle in die Hochdrucksäule eingespeist. Die gasförmigen Anteile gehen in den Gasraum der Hochdrucksäule über, der zur Einspeisung in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators vorgesehene Anteil kann an dieser Zwischenstelle aus einer hier angeordneten Auffangeinrichtung für Flüssigkeit (auch als Tasse) bezeichnet, wieder entnommen werden. Die genannte Zwischenstelle befindet sich beispielsweise unmittelbar oberhalb des sechsten bis zwölften, beispielsweise des achten bis elften theoretischen Bodens von unten, vorausgesetzt die Hochdrucksäule weist insgesamt beispielsweise 40 bis 90, insbesondere 40 bis 60 theoretische Böden auf.
  • Weitere Anteile des verdichteten Einsatzluftstroms können auf abweichende Temperaturniveaus abgekühlt und auf andere Weise entspannt werden. Sie werden anschließend zumindest teilweise gasförmig in die Hochdrucksäule eingeleitet.
  • Unter Verwendung der in die Hochdrucksäule entspannten Luft des verdichteten Einsatzluftstroms wird dort zumindest ein stickstoffangereichertes Kopfprodukt und ein sauerstoffangereichertes Sumpfprodukt erzeugt. Das Kopfprodukt der Hochdrucksäule wird zumindest teilweise in dem Verflüssigungsraum ihres Kopfkondensators verflüssigt, wie bereits erläutert, und danach in die Niederdrucksäule entspannt. Das Sumpfprodukt der Hochdrucksäule andererseits wird zumindest teilweise in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators der Hochdrucksäule und/oder der Niederdrucksäule entspannt und damit dort als Kühlmedium verwendet, wie der zuvor erläuterte verflüssigte Anteil der Luft des verdichteten Einsatzluftstroms.
  • Die Niederdrucksäule wird zumindest teilweise mit einem in dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators der Hochdrucksäule erzeugten Verdampfungsprodukt gespeist, das zumindest teilweise in die Niederdrucksäule überführt wird. In der Niederdrucksäule wird unter Verwendung dieses Verdampfungsprodukts und unter Verwendung des Kopfprodukts der Hochdrucksäule, das wie erläutert verflüssigt wurde, bzw. eines Teils hiervon, zumindest ein stickstoffangereichertes Kopfprodukt erzeugt. Dieses wird ebenfalls zumindest teilweise verflüssigt, jedoch im Verflüssigungsraum des Kopfkondensators der Niederdrucksäule, und zumindest zum Teil als das flüssige Stickstoffprodukt abgegeben.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den gereinigten Einsatzluftstrom in dem ersten turbinengetriebenen Verdichter von dem ersten auf ein zweites Druckniveau und danach in dem zweiten turbinengetriebenen Verdichter von dem zweiten auf ein drittes Druckniveau zu dem verdichteten Einsatzluftstrom zu verdichten, wobei die gesamte Luft des verdichteten Einsatzluftstroms danach einem Hauptwärmetauscher zugeführt und in diesem abgekühlt wird. Im Gegensatz zu dem aus der EP 2 312 247 A1 bekannten Verfahren wird also die Luft nach der Verdichtung in dem Hauptverdichter, durch welche sie auf das erste (dort niedrigere) Druckniveau gebracht wird, vor der weiteren Verdichtung in dem ersten und dem zweiten turbinengetriebenen Verdichter keinen weiteren druckbeeinflussenden Maßnahmen mehr unterworfen. Insbesondere ist die Verwendung eines Kreislaufverdichters, wie er in der EP 2 312 247 A1 verwendet wird, in Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht vorgesehen. Auf diese Weise werden beträchtliche Einsparungen bei der Erstellung entsprechender Anlagen erzielt. Etwaige Verringerungen in der Energieeffizienz werden durch diese Einsparungen mehr als aufgewogen. Eine derartige Anlage erweist sich ferner als weniger wartungsanfällig. Die hierzu im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils verwendeten Druck- und Temperaturniveaus werden unten im Detail erläutert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ferner auf eine Vorkühlung der Einsatzluft verzichtet werden. Durch das niedrigerer Effektivvolumen der verdichteten Luft bauen die Komponenten im warmen Teil der Luftzerlegungsanlage kleiner.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhafterweise zumindest ein erster Teilstrom des verdichteten Einsatzluftstroms auf einem ersten Temperaturniveau und ein zweiter Teilstrom des verdichteten Einsatzluftstroms auf einem zweiten Temperaturniveau dem Hauptwärmetauscher entnommen. Das erste Temperaturniveau liegt dabei unterhalb und das zweite Temperaturniveau oberhalb einer Verflüssigungstemperatur der Luft auf dem dritten Druckniveau, bei dem die Luft in den Hauptwärmetauscher eingespeist wird. Mit anderen Worten wird der erste Teilstrom des verdichteten Einsatzluftstroms verflüssigt oder pseudoverflüssigt, der zweite Teilstrom liegt nach der Entnahme aus dem Hauptwärmetauscher bei dem genannten Druckniveau oberhalb seiner Verflüssigungstemperatur, also im gasförmigen oder überkritischen Zustand vor. Das dritte Druckniveau liegt beispielsweise oberhalb des kritischen Drucks der wichtigsten Luftkomponenten Stickstoff und Sauerstoff, die ”Verflüssigungstemperatur” entspricht dabei der kritischen Temperatur. Der erste Teilstrom wird damit pseudoverflüssigt, der zweite bleibt im überkritischen Zustand.
  • Der erste Teilstrom, also der (pseudo)verflüssigte Teilstrom, wird ausgehend von dem ersten Temperaturniveau und dem dritten Druckniveau vorteilhafterweise in die Hochdrucksäule und/oder in den Verdampfungsraum ihres Kopfkondensators entspannt. Wie bereits erwähnt, kann eine direkte oder indirekte Einspeisung des ersten Teilstroms in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators der Hochdrucksäule erfolgen, wobei eine Phasentrennung an einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule erfolgen kann. Eine derartige direkte und indirekte Einspeisung sei von einer ”Entspannung in die Hochdrucksäule und/oder in den Verdampfungsraum ihres Kopfkondensators” umfasst.
  • Ferner wird vorteilhafterweise der zweite Teilstrom, also der zunächst noch nicht verflüssigte Teilstrom, ausgehend von dem zweiten Temperaturniveau und dem dritten Druckniveau mittels zumindest einer Entspannungsturbine des ersten turbinengetriebenen Verdichters, die zugleich diesen Verdichter antreibt, auf ein viertes Druckniveau entspannt. Bei dem ersten Teilstrom handelt es sich damit um ein Äquivalent eines ”Drosselstroms” bei herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen, der zweite Teilstrom bildet entsprechend einen ”Turbinenstrom”.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird also die für die Produktverflüssigung benötigte Kälte mittels Turbinen bereitgestellt, wobei neben der bereits erwähnten Entspannungsturbine des ersten turbinengetriebenen Verdichters eine Entspannungsturbine des zweiten turbinengetriebenen Verdichters vorgesehen ist (siehe unten). Die beiden Entspannungsturbinen treiben die entsprechenden turbinengetriebenen Verdichter, die in Reihe geschaltet sind und damit unterschiedliche Eintrittsdrücke (nämlich auf dem ersten Druckniveau und auf dem zweiten Druckniveau) aufweisen. Grundsätzlich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Verschaltungen möglich. Vorteile ergeben sich insbesondere dann, wenn die Kälteleistung der verwendeten Entspannungsturbinen, in das System über entsprechende turbinengetriebene Verdichter rückgeführt wird.
  • Bei der erwähnten Entspannung auf das vierte Druckniveau in der Entspannungsturbine des ersten turbinengetriebenen Verdichters wird die Luft des zweiten Teilstroms teilweise verflüssigt und danach in einen flüssigen Anteil und einen gasförmigen Anteil getrennt. Dies kann in einem Flüssigkeitsabscheider erfolgen.
  • Nach der hierdurch erfolgten Phasentrennung wird vorteilhafterweise der flüssige Anteil ausgehend von dem vierten Druckniveau in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators der Hochdrucksäule entspannt. Auf diese Weise steht weiteres Kühlmedium zum Betrieb des Kopfkondensators der Hochdrucksäule bereit.
  • Vorteilhafterweise wird der gasförmige Anteil hingegen zu einem ersten Anteil in die Hochdrucksäule eingespeist und zu einem zweiten Anteil in dem Hauptwärmetauscher erwärmt und danach in einer Entspannungsturbine des zweiten turbinengetriebenen Verdichters weiter entspannt. Auf diese Weise kann zusätzliche Kälte generiert werden, deren Menge unabhängig von der in der Luftzerlegungsanlage tatsächlich zerlegten, d. h. in weitere Luftprodukte aufgetrennten Luftmenge (”Prozessluft”) ist.
  • Weiter ist vorteilhaft, wenn das Sumpfprodukt der Niederdrucksäule zumindest teilweise in den Verdampfungsraum ihres Kopfkondensators entspannt wird. Auf diese Weise kann auch dieser Kopfkondensator auf einfache und energieeffiziente Weise betrieben werden.
  • Ein in dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators der Niederdrucksäule erzeugtes Verdampfungsprodukt wird zumindest teilweise erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet. Dieses wird typischerweise verworfen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner vorteilhafterweise die Verwendung eines Unterkühlungsgegenströmers, in dem das Verdampfungsprodukt aus dem Kopfkondensator der Niederdrucksäule teilweise gegen das im dem Verflüssigungsraum ihres Kopfkondensators verflüssigte Kopfprodukt und/oder gegen das Sumpfprodukt der Hochdrucksäule erwärmt wird. Die entsprechende Kälte lässt sich hierdurch besonders effizient nutzen.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorteilhafterweise folgende Druckniveaus verwendet:
    Erstes Druckniveau: 12 bis 35 bar, vorzugsweise 16 bis 28 bar, insbesondere 20 bis 25 bar, beispielsweise 22 bar. Zweites Druckniveau: erstes Druckniveau multipliziert mit einem Faktor von 1,3 bis 1,8 (bei einem ersten Druckniveau von 22 bar beispielsweise 29 bis 40 bar, insbesondere ca. 31,8 bar). Drittes Druckniveau: zweites Druckniveau multipliziert mit einem Faktor von Faktor 1,3 bis 1,8 (bei einem ersten Druckniveau von 22 bar und einem zweiten Druckniveau von ca. 31,8 beispielsweise ca. 42,8 bar). Viertes Druckniveau: 4 bis 7 bar, insbesondere 5,7 bar.
  • Vorteilhafterweise werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ferner folgende Temperaturniveaus verwendet:
    Erstes Temperaturniveau: 95 K bis 120 K. Zweites Temperaturniveau: 95 K bis 120 K, insbesondere ca. 100 K.
  • Eine erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehene Luftzerlegungsanlage weist Mittel zur Gewinnung eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft auf. Sie weist ein Destillationssäulensystem auf, das genau zwei Destillationssäulen umfasst, nämlich eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule. Diese weisen jeweils einen als Badverdampfer ausgebildeten Kopfkondensator auf. Zumindest der Kopfkondensator der Hochdrucksäule besitzt einen einzigen Verflüssigungsraum und einen einzigen Verdampfungsraum.
  • Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage umfasst sämtliche Mittel, die sie zur Durchführung eines zuvor erläuterten Verfahrens befähigen. Insbesondere ist eine derartige Luftzerlegungsanlage zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor erläutert wurde.
  • Die Erfindung und Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • In 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms dargestellt und mit 100 bezeichnet.
  • Die Luftzerlegungsanlage 100 umfasst einen Anlagenteil 10 zur Vorbehandlung von Luft, einen als Kältesystem ausgebildeten Anlagenteil 20 zum Abkühlen der Luft und einen als Destillationssäulensystem ausgebildeten Anlagenteil 30 zur Zerlegung der Luft in die gewünschten Komponenten.
  • In dem Anlagenteil 10 wird Einsatzluft AIR als Einsatzluftstrom a über ein Filter 11 einem Hauptverdichter 12 zugeführt und dort auf das oben angegebene erste Druckniveau verdichtet. Die Verdichtungswärme wird in einer oder mehreren Vorkühleinrichtungen 13 abgeführt, stromab derer der Einsatzluftstrom a etwa bei Umgebungstemperatur vorliegt.
  • Nach dem Durchlaufen weiterer Einrichtungen, beispielsweise eines Wasserabscheiders 14 zum Abscheiden von Wasser H2O wird der Einsatzluftstrom, hier weiter mit a bezeichnet, einer Reinigungseinrichtung 15 zugeführt, die beispielsweise zwei im Wechselbetrieb beschickte Adsorberbehälter umfasst. Diese können beispielsweise mit Molekularsieb gefüllt sein.
  • Der gereinigte Einsatzluftstrom, nun mit b bezeichnet, wird dem als Kältesystem ausgebildeten Anlagenteil 20 zugeführt. Dieser umfasst einen Hauptwärmetauscher 21, zwei turbinengetriebene Verdichter 22 und 23 mit jeweils einem Nachkühler (ohne Bezeichnung) sowie einen Flüssigkeitsabscheider 24. Wie erläutert, wird unter einem turbinengetriebenen Verdichter (Booster) im Rahmen der vorliegenden Anmeldung eine Kombination aus einem Verdichter und einer oder mehreren Entspannungsmaschinen verstanden, wobei der Verdichter mittels der einen oder mehreren Entspannungsmaschinen, jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors zugeführte Energie betrieben wird.
  • Der gereinigte Einsatzluftstrom b wird in der Luftzerlegungsanlage 100 dabei zunächst in dem turbinengetriebenen Verdichter 22 und danach in dem turbinengetriebenen Verdichter 23 verdichtet. Verdichtungswärme wird jeweils in den entsprechenden Nachkühlern abgeführt. Der gereinigte Einsatzluftstrom b wird somit seriell in dem turbinengetriebenen Verdichtern 22 und 23 weiter verdichtet. In einem hier verwendeten HAP-Verfahren erfolgt die Verdichtung, wie erwähnt, auf einen Druck, der deutlich über dem Betriebsdruck der unten erläuterten Hochdrucksäule liegt. In der Luftzerlegungsanlage 100 handelt es sich um die zuvor erläuterten zweiten und dritten Druckniveaus oder Druckniveaus von mindestens 25 bar, insbesondere zwischen 25 und 72 bar, vorzugsweise zwischen 35 und 50 bar. Die genannten Drücke liegen über den kritischen Drücken von Stickstoff bzw. Luft.
  • Der entsprechend verdichtete Einsatzluftstrom, nun mit c bezeichnet, wird dem Hauptwärmetauscher 21 an dessen warmen Ende zugeführt. Ein Teilstrom d durchläuft den Hauptwärmetauscher 21 bis zu dessen kaltem Ende und wird anschließend in den als Destillationssäulensystem ausgebildeten Anlagenteil 30 überführt (siehe unten). Ein weiterer Teilstrom e wird dem Hauptwärmetauscher 21 bei einer Zwischentemperatur entnommen, in der Entspannungsmaschine des turbinengetriebenen Verdichters 22 teilweise entspannt und in den Flüssigkeitsabscheider 24 überführt. Ein flüssiger Anteil vom Sumpf des Flüssigkeitsabscheiders 24 (Strom f) wird vollständig, ein gasförmiger Anteil vom Kopf des Flüssigkeitsabscheiders 24 teilweise (Strom g) in den als Destillationssäulensystem ausgebildeten Anlagenteil 30 überführt. Der gasförmige Anteil vom Kopf des Flüssigkeitsabscheiders 24 wird teilweise auch (Strom h) dem Hauptwärmetauscher 21 an dessen kaltem Ende zugeführt, dem Hauptwärmetauscher 21 bei einer Zwischentemperatur entnommen, in der Entspannungsturbine des turbinengetriebenen Verdichters 23 entspannt, und schließlich als Teil des Stroms i an die Atmosphäre ATM abgeblasen und/oder als Regeneriergas in der Reinigungseinrichtung 15 verwendet. Zu Erwärmung des Regeneriergases ist ein beispielsweise elektrisch betriebener Heizer 16 vorgesehen.
  • Der als Destillationssäulensystem ausgebildete Anlagenteil 30 umfasst eine Hochdrucksäule 31 und eine Niederdrucksäule 32, die jeweils Kopfkondensatoren 33 und 34 aufweisen, einen Unterkühlungsgegenströmer 35 sowie einen Stickstoffunterkühler 36. Aufgrund der zuvor erläuterten Behandlung in dem als Kältesystem ausgebildeten Anlagenteil 20 (die oben genannten Drücke liegen oberhalb der kritischen Drücke für Stickstoff und Sauerstoff) liegt der Strom d pseudoverflüssigt vor und wird über ein entsprechendes Entspannungsventil (ohne Bezeichnung) in die Hochdrucksäule 31 eingespeist. Der Strom d wird auch als Drosselstrom bezeichnet.
  • Er umfasst etwas mehr als die Hälfte der Luftmenge des Einsatzluftstroms a bzw. des gereinigten Einsatzluftstroms b. Der Strom g liegt aufgrund der Entspannung in der Entspannungsturbine des turbinengetriebenen Verdichters 22 etwa bei dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 31 vor. Seine Temperatur liegt wenige Grad über der Tautemperatur. Der Strom f liegt ebenfalls bei dem genannten Druck vor, seine Temperatur liegt jedoch geringfügig unterhalb der Tautemperatur.
  • Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule 31 liegt zwischen 5,5 und 7,0 bar. Die Hochdrucksäule 31 ist derart ausgebildet, dass sich in ihrem Sumpf ein sauerstoffangereichertes Sumpfprodukt und an ihrem Kopf ein stickstoffangereichertes Kopfprodukt bildet. Der Strom g wird gasförmig unmittelbar oberhalb des Sumpfs der Hochdrucksäule 31 in diese eingespeist. Der Strom d wird in einer vorgegebenen Höhe in die Hochdrucksäule 31 eingespeist, ein in etwa derselben Höhe entnommenes Verflüssigungsprodukt (bei dem es sich überwiegend um den flüssigen Anteil des Stroms d handelt, der nicht in den Gasraum der Hochdrucksäule 31 übergeht) wird als Strom j mit dem Strom f vereinigt und nach einer Entspannung auf einen Druck von unterhalb von 4 bar in entsprechenden Entspannungsventilen (ohne Bezeichnung) als Kühlmedienstrom in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 33 der Hochdrucksäule 31 eingespeist. Es handelt sich also um eine ”indirekte” Einspeisung des Stroms d in den Kopfkondensator 33 der Hochdrucksäule 31. Der Kopfkondensator 33 der Hochdrucksäule 31 ist, wie auch der Kopfkondensator 34 der Niederdrucksäule 32, als Badkondensator ausgebildet.
  • Ein Teil des stickstoffangereicherten Kopfprodukts vom Kopf der Hochdrucksäule 31 wird in dem Kopfkondensator 33 der Hochdrucksäule 31 verflüssigt (Strom k), teilweise wieder am Kopf der Hochdrucksäule 31 aufgegeben und teilweise durch den Unterkühlungsgegenströmer 35 geführt und in die Niederdrucksäule 32 entspannt (Strom l). Der Strom l wird dabei am Kopf der Niederdrucksäule 32 flüssig aufgegeben. Ein weiterer Anteil (Strom m) des stickstoffangereicherten Kopfprodukts vom Kopf der Hochdrucksäule 31 wird in dem Hauptwärmetauscher 21 erwärmt und kann beispielsweise als gasförmiges Stickstoffprodukt PGAN bereitgestellt werden. Das stickstoffangereicherte Kopfprodukt der Hochdrucksäule 31, und damit die Ströme k bis m, bestehen aus praktisch reinem Stickstoff. Die Menge des Stroms k, der in dem Kopfkondensator 33 verflüssigt wird, beträgt auf molarer Basis etwas weniger als die Hälfte des Einsatzluftstroms a.
  • Das sauerstoffangereicherte Sumpfprodukt der Hochdrucksäule 31 wird zum Teil als Strom n aus der Hochdrucksäule abgezogen und ebenfalls durch den Unterkühlungsgegenströmer 35 geführt. Der Strom n wird im dargestellten Beispiel zum Teil in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 33 der Hochdrucksäule 31 und zum Teil in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 34 der Niederdrucksäule 32 eingespeist.
  • Das aus den Strömen f und j sowie dem entsprechenden Anteil des Stroms n gebildete Kühlmedium im Verdampfungsraum des Kopfkondensators 33 der Hochdrucksäule 31 wird dort nahezu vollständig verdampft. Der erzeugte Dampf wird als Strom o direkt in den Sumpfbereich der Niederdrucksäule 32 überführt.
  • Ein sauerstoffangereichertes Sumpfprodukt vom Sumpf der Niederdrucksäule 32 wird teilweise als Strom p in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 34 der Niederdrucksäule 32 überführt. Der Kopfkondensator 34 der Niederdrucksäule 32 wird bei einem Druck von beispielsweise 1,4 bis 1,6 bar betrieben. Der Strom p wird daher in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 34 der Niederdrucksäule 32 entspannt. Dies gilt ebenso für eine relativ kleine Menge einer flüssig dem Verflüssigungsraum des Kopfkondensators 33 der Hochdrucksäule 31 entnommenen Flüssigkeit (Strom q). Die Entnahme des Stroms q erfolgt im Wesentlichen zum Spülen und Regeln des Füllstands des Kopfkondensators 33 der Hochdrucksäule 31.
  • Kaltes Gas aus dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators 34 der Niederdrucksäule 32 wird als Strom r zunächst durch den Unterkühlungsgegenströmer 35 geleitet und kühlt dabei die Ströme l und n. Der Strom r wird anschließend mit einem Strom s (siehe unten) vereinigt, in dem Hauptwärmetauscher 21 erwärmt und zur Bildung des bereits erläuterten Stroms i verwendet. Aus dem Verflüssigungsraum des Kopfkondensators 34 der Niederdrucksäule 32 kann eine Spülmenge als flüssiger Strom t (Purge) entnommen werden.
  • Wie im Fall der Hochdrucksäule 31 wird auch am Kopf der Niederdrucksäule 32 ein stickstoffangereichertes Kopfprodukt entnommen und in dem Kopfkondensator 34 der Niederdrucksäule 32 verflüssigt (Strom u). Ein Teil des Stroms u (ohne Bezeichnung) kann als Rücklauf am Kopf der Niederdrucksäule aufgegeben werden, ein weiterer Anteil (Strom v) wird in dem Stickstoffunterkühler 36 unterkühlt und als flüssiges Stickstoffprodukt (LIN to Tank) bereitgestellt. Der Stickstoffunterkühler 36 kann mit einem entspannten Anteil 36 des Stroms v betrieben werden. Es lassen sich auch beliebige andere Unterkühlerverschaltungen realisieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2466236 A1 [0005]
    • EP 2458311 A1 [0005]
    • US 5329776 A [0005]
    • EP 2312247 A1 [0006, 0007, 0008, 0009, 0010, 0025, 0028, 0028, 0035, 0035]
    • EP 0316768 A2 [0008]
    • US 5660059 A [0008]
    • DE 102004046344 A1 [0008]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • F. G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, Boca Raton: CRC Press, 2006; Kapitel 3: Air Separation Technology [0002]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Gewinnung eines flüssigen Stickstoffprodukts (LIN) durch Tieftemperaturzerlegung von Luft (AIR) in einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (30), das genau zwei Destillationssäulen (31, 32) umfasst, nämlich eine Hochdrucksäule (31) und eine Niederdrucksäule (32), die jeweils einen als Badverdampfer ausgebildeten Kopfkondensator (33, 34) mit einem Verflüssigungsraum und einem Verdampfungsraum aufweisen, wobei – Luft eines Einsatzluftstroms (a) in einem Hauptverdichter (11) auf ein erstes Druckniveau verdichtet und danach in einer Reinigungseinrichtung (15) unter Erhalt eines gereinigten Einsatzluftstroms (b) gereinigt wird, – Luft des gereinigten Einsatzluftstroms (b) danach unter Verwendung eines ersten und eines zweiten turbinengetriebenen Verdichters (22, 23) und unter Erhalt eines verdichteten Einsatzluftstroms (c) weiter verdichtet wird, – Luft des verdichteten Einsatzluftstroms (c) danach auf unterschiedliche Temperaturniveaus abgekühlt und teilweise in die Hochdrucksäule (31) und in den Verdampfungsraum ihres Kopfkondensators (33) entspannt wird, – unter Verwendung der in die Hochdrucksäule (31) entspannten Luft des verdichteten Einsatzluftstroms (c) dort zumindest ein stickstoffangereichertes Kopfprodukt und ein sauerstoffangereichertes Sumpfprodukt erzeugt wird, – das stickstoffangereicherte Kopfprodukt der Hochdrucksäule (31) zumindest teilweise in dem Verflüssigungsraum ihres Kopfkondensators (33) verflüssigt und danach in die Niederdrucksäule (32) entspannt wird, – das sauerstoffangereicherte Sumpfprodukt der Hochdrucksäule (31) zumindest teilweise in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators (33, 34) der Hochdrucksäule (31) und/oder der Niederdrucksäule (32) entspannt wird, – ein in dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators (33) der Hochdrucksäule (31) erzeugtes Verdampfungsprodukt zumindest teilweise in die Niederdrucksäule (32) eingespeist wird, – in der Niederdrucksäule (31) unter Verwendung des Verdampfungsprodukts und des Kopfprodukts der Hochdrucksäule (31) zumindest ein stickstoffangereichertes Kopfprodukt erzeugt wird, und – das Kopfprodukt der Niederdrucksäule (32) zumindest teilweise in dem Verflüssigungsraum ihres Kopfkondensators (34) verflüssigt und als das flüssige Stickstoffprodukt (LIN) abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass – der gereinigte Einsatzluftstrom (b) in dem ersten turbinengetriebenen Verdichter (22) von dem ersten auf ein zweites Druckniveau und danach in dem zweiten turbinengetriebenen Verdichter (23) von dem zweiten auf ein drittes Druckniveau zu dem verdichteten Einsatzluftstrom (c) verdichtet wird, wobei die gesamte Luft des verdichteten Einsatzluftstroms (c) danach einem Hauptwärmetauscher (21) zugeführt und in diesem abgekühlt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest ein erster Teilstrom (d) des verdichteten Einsatzluftstroms (c) auf einem ersten Temperaturniveau und ein zweiter Teilstrom (e) des verdichteten Einsatzluftstroms (c) auf einem zweiten Temperaturniveau dem Hauptwärmetauscher (21) entnommen wird, wobei das erste Temperaturniveau unterhalb und das zweite Temperaturniveau oberhalb einer Verflüssigungstemperatur der Luft auf dem dritten Druckniveau liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Teilstrom (d) ausgehend von dem ersten Temperaturniveau und dem dritten Druckniveau in die Hochdrucksäule (31) und/oder in den Verdampfungsraum ihres Kopfkondensators (33) entspannt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der zweite Teilstrom (e) ausgehend von dem zweiten Temperaturniveau und dem dritten Druckniveau mittels zumindest einer Entspannungsturbine des ersten turbinengetriebenen Verdichters (22) auf ein viertes Druckniveau entspannt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Luft des zweiten Teilstroms (e) bei der Entspannung auf das vierte Druckniveau teilweise verflüssigt wird und danach in einen flüssigen Anteil und einen gasförmigen Anteil getrennt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der flüssige Anteil ausgehend von dem vierten Druckniveau in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators (33) der Hochdrucksäule (31) entspannt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der gasförmige Anteil zu einem ersten Anteil in die Hochdrucksäule (31) eingespeist und zu einem zweiten Anteil in dem Hauptwärmetauscher erwärmt und danach in einer Entspannungsturbine des zweiten turbinengetriebenen Verdichters (22) weiter entspannt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Sumpfprodukt der Niederdrucksäule (32) zumindest teilweise in den Verdampfungsraum ihres Kopfkondensators (34) entspannt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein in dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators (34) der Niederdrucksäule (32) erzeugtes Verdampfungsprodukt zumindest teilweise erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verdampfungsprodukt zumindest des Kopfkondensators (34) der Niederdrucksäule (32) teilweise in einem Unterkühlungsgegenströmer (35) gegen das in dem Verflüssigungsraum des Kopfkondensators (33) der Hochdrucksäule (31) verflüssigte Kopfprodukt und/oder das Sumpfprodukt der Hochdrucksäule (31) erwärmt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Druckniveau 12 bis 35 bar, das zweite Druckniveau dem mit einem Faktor von 1,3 bis 1,8 multiplizierten ersten Druckniveau, das dritte Druckniveau dem mit einem Faktor von 1,3 bis 1,8 multiplizierten zweiten Druckniveau und das vierte Druckniveau 4 bis 8 bar beträgt.
  12. Luftzerlegungsanlage (100), die Mittel zur Gewinnung eines flüssigen Stickstoffprodukts (LIN) durch Tieftemperaturzerlegung von Luft (AIR) aufweist, mit einem Destillationssäulensystem (30), das genau zwei Destillationssäulen (31, 32) umfasst, nämlich eine Hochdrucksäule (31) und eine Niederdrucksäule (32), die jeweils einen als Badverdampfer ausgebildeten Kopfkondensator (33, 34) mit einem Verflüssigungsraum und einem Verdampfungsraum aufweisen, wobei die Luftzerlegungsanlage (100) umfasst: – einen Hauptluftverdichter (11) und eine Reinigungseinrichtung (15), die dafür eingerichtet sind, Luft eines Einsatzluftstroms (a) auf ein erstes Druckniveau zu verdichten und unter Erhalt eines gereinigten Einsatzluftstroms (b) zu reinigen, – einen ersten und einen zweiten turbinengetriebenen Verdichter (22, 23), die dafür eingerichtet sind, Luft des gereinigten Einsatzluftstroms (b) danach unter Erhalt eines verdichteten Einsatzluftstroms (c) weiter zu verdichten, – Mittel, die dafür eingerichtet sind, Luft des verdichteten Einsatzluftstroms (c) danach auf unterschiedliche Temperaturniveaus zu kühlen und teilweise in die Hochdrucksäule (31) und teilweise in den Verdampfungsraum ihres Kopfkondensators (33) zu entspannen, – Mittel, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung der in die Hochdrucksäule (31) entspannten Luft des verdichteten Einsatzluftstroms (c) dort zumindest ein stickstoffangereichertes Kopfprodukt und ein sauerstoffangereichertes Sumpfprodukt zu erzeugen, – Mittel, die dafür eingerichtet sind, das Kopfprodukt der Hochdrucksäule (31) zumindest teilweise in dem Verflüssigungsraum ihres Kopfkondensators (33) zu verflüssigen und danach in die Niederdrucksäule (32) zu entspannen, – Mittel, die dafür eingerichtet sind, das Sumpfprodukt der Hochdrucksäule (31) zumindest teilweise in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators (33, 34) der Hochdrucksäule (31) und/oder der Niederdrucksäule (32) zu entspannen, – Mittel, die dafür eingerichtet sind, in dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators (33) der Hochdrucksäule (31) ein Verdampfungsprodukt zu erzeugen und dieses in die Niederdrucksäule (32) einzuspeisen, – Mittel, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung des Verdampfungsprodukts und des Kopfprodukts der Hochdrucksäule (31) dort zumindest ein stickstoffangereichertes Kopfprodukt zu erzeugen, und – Mittel, die dafür eingerichtet sind, das Kopfprodukt der Niederdrucksäule (32) in dem Verflüssigungsraum ihres Kopfkondensators (34) zumindest teilweise zu verflüssigen und als das flüssige Stickstoffprodukt (LIN) abzugeben, gekennzeichnet durch – Mittel, die dafür eingerichtet sind, den gereinigten Einsatzluftstrom (b) in dem ersten turbinengetriebenen Verdichter (22) von dem ersten auf ein zweites Druckniveau und danach in dem zweiten turbinengetriebenen Verdichter (23) von dem zweiten auf ein drittes Druckniveau zu dem verdichteten Einsatzluftstrom (c) zu verdichten, und Mittel, die dafür eingerichtet sind, die gesamte Luft des verdichteten Einsatzluftstroms (c) danach einem Hauptwärmetauscher (21) zuzuführen und in diesem abzukühlen.
  13. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 12, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist.
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