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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine Luftzerlegungsanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, „Cryogenic Rectification“, beschrieben.
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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, also den Destillationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Destillationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
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Die Destillationssäulen der genannten Destillationssäulensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelsäulensysteme weisen eine sogenannte Hochdrucksäule (auch als Drucksäule, Mitteldrucksäule oder untere Säule bezeichnet) und eine sogenannte Niederdrucksäule (auch als obere Säule bezeichnet) auf. Das Druckniveau der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4 bis 6 bar, insbesondere etwa 5 bar. Die Niederdrucksäule wird auf einem Druckniveau von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, insbesondere etwa 1,5 bar, betrieben. In bestimmten Fällen, beispielsweise für Kombiprozesse mit integrierter Vergasung (engl. Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) können auch Drücke von 3 bis 4 bar in der Niederdrucksäule eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der genannten Säulen.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich insbesondere die Aufgabe, die Erstellung von Luftzerlegungsanlage einfacher zu gestalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung näher erläutert und nachfolgend verwendete Begriffe definiert.
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Die in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring in Abschnitt 2.2.5.6, „Apparatus“, beschrieben. Sofern die nachfolgenden Definitionen nicht hiervon abweichen, wird daher zum Sprachgebrauch, der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, ausdrücklich auf die zitierte Fachliteratur verwiesen.
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Flüssigkeiten und Gase können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder an mehreren Komponenten sein, wobei „reich“ für einen Gehalt von wenigstens 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und „arm“ für einen Gehalt von höchstens 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff „überwiegend“ kann der Definition von „reich“ entsprechen. Flüssigkeiten und Gase können ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen Gehalt in einer Ausgangsflüssigkeit oder einem Ausgangsgas beziehen, aus der oder dem die Flüssigkeit oder das Gas gewonnen wurde. Die Flüssigkeit oder das Gas ist „angereichert“, wenn diese oder dieses zumindest den 1,1-fachen, 1,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, und „abgereichert“, wenn diese oder dieses höchstens den 0,9-fachen, 0,5-fachen, 0,1-fachen, 0,01-fachen oder 0,001-fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf die Ausgangsflüssigkeit oder das Ausgangsgas enthält. Ist hier beispielsweise von „Sauerstoff“ oder „Stickstoff“ die Rede, sei hierunter auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, der reich an Sauerstoff oder Stickstoff ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss.
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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 ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei dem hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
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Sämtlicher Stickstoff, der der Hochdrucksäule entnommen und weder kondensiert und als Rücklauf in diese zurückgeführt noch kondensiert und als flüssiger Rücklauf auf die Niederdrucksäule verwendet wird, beeinträchtigt grundsätzlich die Trennung in der Niederdrucksäule, weil er dort nicht mehr als Rücklauf zur Verfügung steht. Solcher Stickstoff ist Stickstoff, der der Luftzerlegungsanlage in Form eines flüssigen oder gasförmigen Stickstoffprodukts entnommen wird (wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung typischerweise nicht der Fall), und der Stickstoff, der wie nachfolgend erläutert drosselentspannt und verworfen wird. Hierunter fällt aber auch innenverdichteter Stickstoff, also flüssiger Stickstoff, der der Hochdrucksäule entnommen, in einer Pumpe auf Druck gebracht und im Hauptwärmetauscher verdampft wird. Die Innenverdichtung ist auch beispielsweise bei Häring, Abschnitt 2.2.5.2, „Internal Compression“, erläutert.
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Unter einer „Argonausschleusung“ wird hier allgemein eine Maßnahme verstanden, bei der aus der Niederdrucksäule ein Fluid abgezogen wird, das gegenüber einer aus der Niederdrucksäule eingespeisten sauerstoffreichen Flüssigkeit, insbesondere dem Sumpfprodukt der Niederdrucksäule, an Argon angereichert ist, d.h. beispielsweise mindestens den doppelten, fünffachen oder zehnfachen Argongehalt aufweist. Eine Argonausschleusung umfasst ferner, zumindest einen Teil des in einem entsprechenden, abgezogenen Fluid enthaltenen Argons nicht mehr in die Niederdrucksäule zurückzuführen. Das Fluid wird insbesondere einer Argonabreicherung unterworfen und erst anschließend wieder in die Niederdrucksäule zurückgeführt. Klassische Arten einer Argonausschleusung sind eine Überführung eines entsprechenden Fluids in eine Rohargonsäule oder Argonausschleussäule, von der lediglich ein argonarmes, sauerstoffreiches Fluid wieder in die Niederdrucksäule zurückgeführt wird.
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Der vorteilhafte Effekt der Argonausschleusung ist darauf zurückzuführen, dass die Sauerstoff-Argon-Trennung für die ausgeschleuste Argonmenge in der Niederdrucksäule nicht mehr erforderlich ist. Das Abtrennen des Argons vom Sauerstoff in der Niederdrucksäule selbst ist grundsätzlich aufwendig und verlangt nach einer entsprechenden „Heiz“-Leistung des Hauptkondensators. Wird Argon ausgeschleust und unterbleibt damit die Sauerstoff-Argon-Trennung oder wird diese beispielsweise in eine Rohargonsäule oder Argonausschleussäule verlagert, muss die entsprechende Argonmenge nicht mehr im Sauerstoffabschnitt der Niederdrucksäule abgetrennt werden und die Heizleistung des Hauptkondensators kann reduziert werden. Daher kann, bei gleichbleibender Ausbeute an Sauerstoff, entweder mehr Luft in die Niederdrucksäule eingeblasen oder mehr Druckstickstoff aus der Hochdrucksäule entnommen werden, was wiederum energetische Vorteile bietet.
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In einer herkömmlichen Rohargonsäule kann Rohargon gewonnen und in einer nachgeschalteten Reinargonsäule zu einem Argonprodukt aufbereitet werden. Eine Argonausschleussäule dient hingegen vornehmlich zur Argonausschleusung zu dem oben erläuterten Zweck. Grundsätzlich kann unter einer „Argonausschleussäule“ eine Trennsäule zur Argon-Sauerstoff-Trennung verstanden werden, die nicht zur Gewinnung eines reinen Argonprodukts, sondern zur Ausschleusung von Argon der in Hochdrucksäule und Niederdrucksäule zu zerlegenden Luft dient. Ihre Schaltung unterscheidet sich nur wenig von der einer klassischen Rohargonsäule, allerdings enthält sie deutlich weniger theoretische Böden, nämlich weniger als 40, insbesondere zwischen 15 und 30. Wie eine Rohargonsäule ist der Sumpfbereich einer Argonausschleussäule mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule verbunden und die Argonausschleussäule wird durch einen Kopfkondensator gekühlt, auf dessen Verdampfungsseite typischerweise entspannte Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule bereitgestellt wird, einer Drosselentspannung auf das Druckniveau der Niederdrucksäule zuzuführen und in die Niederdrucksäule einzuspeisen.
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In den Destillationssäulen einer Luftzerlegungsanlage werden Packungen mit unterschiedlichen Packungsdichten eingesetzt. Die Packungsdichten sind standardisiert und typischerweise nur vergleichsweise grober Abstufung verfügbar. Ferner wird die höchste Trennleistung in der Niederdrucksäule typischerweise in deren unteren Bereich benötigt. Beides hat zur Folge, dass die Niederdrucksäule einer Luftzerlegungsanlage zumindest in einem mittleren Bereich Reserven in der Trennkapazität aufweist. Es ergeben sich, mit anderen Worten, in solchen Bereichen Überkapazitäten in der Trennleistung in der Niederdrucksäule, die für die hier eingespeiste Luft genutzt werden können. Auf diese Weise können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Kapazitzätsreserven genutzt werden.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem vor, das eine Hochdrucksäule, die auf einem ersten Druckniveau betrieben wird, und eine Niederdrucksäule, die auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben wird, umfasst. Wie bereits erwähnt, beträgt das typische Druckniveau einer Hochdrucksäule einer Luftzerlegungsanlage, und somit auch das erste Druckniveau im Rahmen der vorliegenden Erfindung, insbesondere 4 bis 6 bar, insbesondere etwa 5 bar. Die Niederdrucksäule wird, wie ebenfalls erwähnt, auf dem zweiten Druckniveau von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, insbesondere etwa 1,5 bar, betrieben. Im Rahmen der Erfindung wird unter Verwendung eines stickstoffreichen ersten Fluids, das der Hochdrucksäule auf dem ersten Druckniveau gasförmig entnommen wird, ein stickstoffreicher erster Stoffstrom gebildet. Unter Verwendung eines zweiten Fluids, das der Niederdrucksäule auf dem zweiten Druckniveau gasförmig entnommen wird, wird ein zweiter Stoffstrom gebildet.
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Eine „Bildung“ eines Stoffstroms „unter Verwendung“ eines Fluids kann dabei sowohl umfassen, dass für die Bereitstellung des Stoffstrom ausschließlich das genannte Fluid verwendet wird, als auch, dass der Stoffstrom aus mehreren Fluiden erzeugt wird. Wie auch nachfolgend erläutert und in der Figur veranschaulicht, kann ein „zweiter“ Stoffstrom im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise ausschließlich unter Verwendung von „Unreinstickstoff“ vom Kopf der Niederdrucksäule gebildet werden.
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Hochdrucksäule eingeleitet wird. Eine Argonausschleussäule weist typischerweise keinen Sumpfverdampfer auf.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass in einer Luftzerlegungsanlage, die primär zur Erzeugung reinen Sauerstoffs mit einem Gehalt von 99 bis 99,96% ausgebildet ist, der Hochdrucksäule Stickstoff in einer bestimmten Menge entnommen, einer Drosselentspannung zugeführt und verworfen werden kann.
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Hierdurch kommt es zwar nicht zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs, allerdings kann durch eine derartige Entnahme bei gleichem Säulendurchmesser der Niederdrucksäule die Kapazität der Luftzerlegungsanlage entsprechend der verworfenen Stickstoffmenge erhöht bzw. der Säulendurchmesser entsprechend verringert werden. Dies ist gerade bei standardisierten Säulendurchmessern von Vorteil, wie nachfolgend erläutert wird.
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Die Standardisierung einer Luftzerlegungsanlage umfasst typischerweise die Hochdrucksäule, den Hauptkondensator, die Niederdrucksäule und, soweit vorhanden, die Säulen des Argonsystems. Daher ergibt sich die maximale Kapazität, d.h. die maximal zerlegbare Luftmenge, aus den Standardabmessungen und dem Produktspektrum (d.h. der jeweiligen Mengen) der Luftprodukte, die der Rektifikation entnommen werden. Bei der regulären Auslegung einer Luftzerlegungsanlage werden die Bauteile, insbesondere die Destillationssäulen, derart dimensioniert, dass kein Produkt verworfen wird. Liegt das Produktspektrum außerhalb des bei der Standardisierung gewählten Produktspektrums, muss daher in einer herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen der Einsatz und damit die Kapazität reduziert werden. Durch das Verwerfen von Stickstoff im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist dies nicht mehr erforderlich. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, dass die Niederdrucksäule nicht unnötig groß ausgeführt werden muss bzw. bei Transportlimitierungen in der Höhe die Kapazität erhöht werden kann.
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Wie ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt wurde, ist es alternativ dazu oder zusätzlich möglich, Einsatzluft, die auf dem Druckniveau der Es ist jedoch auch möglich, einen entsprechenden „zweiten“ oder „weiteren“ Stoffstrom unter zusätzlicher Verwendung eines sauerstoffreichen Stroms zu bilden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden dabei der stickstoffreiche erste Stoffstrom und der zweite Stoffstrom dauerhaft dem Destillationssäulensystem entzogen. Hierunter sei verstanden, dass die genannten Stoffströme nicht in das Destillationssäulensystem oder einer ihrer Säulen zurückgeführt werden. Der stickstoffreiche erste Stoffstrom unterscheidet sich damit von Stoffströmen, in Form derer, wie insoweit bekannt, beispielsweise Druckstickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule abgezogen und in die Niederdrucksäule eingespeist werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der stickstoffreiche erste Stoffstrom zumindest zu einem Anteil einer Drosselentspannung zugeführt wird. Der drosselentspannte stickstoffreiche erste Stoffstrom oder dessen Teil wird dabei verworfen, d.h. er wird nicht als Produkt der Luftzerlegungsanlage genutzt. Die Menge des stickstoffreichen ersten Fluids, die der Hochdrucksäule entnommen wird, beträgt beispielsweise bis zu 20%, insbesondere bis zu 8%, und weiter insbesondere mindestens 1, 2, 3, 4 oder 5% der insgesamt in das Destillationssäulensystem eingespeisten Luftmenge.
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Bei einer „Drosselentspannung“ handelt es sich im Sprachgebrauch der vorliegenden Erfindung um eine Entspannung, bei dem ein Stoffstrom oder ein entsprechender Teil durch ein oder mehrere Drosselventil geführt wird und dabei eine Druckreduktion erfährt. Bei der Drosselentspannung kann, muss es sich aber nicht um die einzige Entspannung handeln, der der im vorliegenden Fall der stickstoffreiche erste Stoffstrom unterworfen wird. Eine Drosselentspannung erweist sich insbesondere bei kleineren Stickstoffmengen als ausgesprochen kosteneffizient.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Drosselentspannung auf ein drittes Druckniveau, das insbesondere größer oder gleich dem zweiten Druckniveau ist, d.h. insbesondere größer oder gleich dem Druckniveau des zweiten Stoffstroms bzw. der Niederdrucksäule, durchgeführt. Insbesondere entspricht das dritte Druckniveau dem zweiten Druckniveau. Auf diese Weise kann insbesondere der erste Stoffstrom oder dessen Anteil nach der Drosselentspannung dem zweiten Stoffstrom zugespeist werden. Beispielsweise ist es möglich, einen dadurch gebildeten Stoffstrom in einem Reinigungssystem der Luftzerlegungsanlage, beispielsweise als Regeneriergas für Adsorber, zu nutzen.
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Alternativ oder zusätzlich zur Drosselentspannung des ersten Stoffstroms ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass abgekühlte Druckluft auf dem ersten Druckniveau bereitgestellt und zu einem ersten Anteil in die Hochdrucksäule eingespeist und zu einem zweiten Anteil einer Drosselentspannung auf das zweite Druckniveau zugeführt und die Niederdrucksäule eingespeist wird. Die Bereitstellung der Druckluft auf dem ersten Druckniveau umfasst insbesondere, dass ein Teil einer in einem Hauptluftverdichter auf das erste Druckniveau verdichteten Einsatzluftmenge in einem Hauptwärmetauscher auf ein Temperaturniveau gebracht wird, das unter oder nahe der Verflüssigungstemperatur von Luft liegt. Die Vorteile einer entsprechenden Maßnahme wurden bereits zuvor erläutert.
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Grundsätzlich ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, die Drosselentspannung des ersten Stoffstroms vor („kalte Entspannung“) und/oder nach („warme Entspannung“) einer Erwärmung des ersten Stoffstroms oder entsprechender Anteile vorzunehmen. Die kalte Entspannung ist kostengünstiger, da auf diese Weise keine separate Passage im Hauptwärmetauscher bzw. keinen zusätzlicher Wärmetauscher benötigt wird. Eine warme Entspannung hat den Vorteil, dass der zweite Stoffstrom bei Bedarf auch zum Teil als Produkt unter Druck verwendet werden kann.
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Das stickstoffreiche erste Fluid wird dabei der Hochdrucksäule vorteilhafterweise auf einem ersten Temperaturniveau entnommen und der stickstoffreiche erste Stoffstrom wird auf dem ersten Temperaturniveau gebildet. Dieses erste Temperaturniveau entspricht damit der Temperatur des Fluids an der Entnahmestelle aus der Niederdrucksäule.
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Die erwähnte, im Rahmen der vorliegenden Erfindung mögliche Drosselentspannung vor einer Erwärmung umfasst beispielsweise, dass der stickstoffreiche erste Stoffstrom zu einem ersten Anteil auf dem ersten Temperaturniveau der Drosselentspannung zugeführt und nach der Drosselentspannung dem zweiten Stoffstrom zugespeist wird, und dass der stickstoffreiche erste Stoffstrom zu einem zweiten Anteil in einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage auf ein zweites Temperaturniveau oberhalb des ersten Temperaturniveaus erwärmt wird.
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In dieser Ausgestaltung, wie sie auch unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur gezeigt ist, wird vorteilhafterweise zweite (also erwärmte) Anteil des stickstoffreichen ersten Stoffstroms zumindest teilweise auf dem zweiten Temperaturniveau einer weiteren Drosselentspannung zugeführt und nach der weiteren Drosselentspannung einem weiteren Stoffstrom zugespeist, der unter Verwendung eines weiteren Fluids, das ebenfalls der Niederdrucksäule auf dem zweiten Druckniveau gasförmig entnommen wird, gebildet wird.
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Es ist alternativ dazu jedoch auch möglich, dass der stickstoffreiche erste Stoffstrom auf dem ersten Temperaturniveau vollständig der Drosselentspannung zugeführt und nach der Drosselentspannung dem zweiten Stoffstrom zugespeist wird. Ebenso kann der stickstoffreiche erste Stoffstrom in einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage vollständig auf ein zweites Temperaturniveau oberhalb des ersten Temperaturniveaus erwärmt wird und auf dem zweiten Temperaturniveau zumindest teilweise der Drosselentspannung zugeführt und nach der Drosselentspannung dem zweiten Stoffstrom zugespeist wird.
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Besondere Vorteile lassen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch eine Argonausschleusung erzielen, bei der der Niederdrucksäule ein an Argon angereichertes Fluid entnommen, unter Verwendung einer Argonausschleussäule oder Rohargonsäule an Argon abgereichert und zumindest zum Teil in die Niederdrucksäule zurückgespeist wird. Merkmale einer Rohargonsäule und einer Argonausschleussäule sowie die Vorteile der Argonausschleusung wurden bereits erläutert.
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Das zweite Fluid, das der Niederdrucksäule entnommen und bei der Bildung des zweiten Stoffstroms verwendet wird, kann insbesondere ein stickstoffreiches Fluid sein, das der Niederdrucksäule am Kopf entnommen wird, und das einen Gehalt von 96%... bis 99,999 Molprozent Stickstoff und ansonsten überwiegend Sauerstoff bzw. Argon aufweist. Wird kein reiner Stickstoff aus der Niederdrucksäule benötigt, wird vorteilhafterweise nur unreiner Stickstoff am Kopf abgezogen. Wird reiner Stickstoff benötigt, wird die Niederdrucksäule mit einem weiteren Abschnitt, wie auch in den Figuren dargestellt, ausgeführt. In letzterem Fall werden vorteilhafterweise zwei stickstoffreiche Fraktionen aus der Niederdrucksäule abgezogen. Der sogenannte unreine Stickstoff besitzt einen Stickstoffgehalt von ca. 96 bis 99,99 Molprozent der sogenannte unreine Stickstoff einen Gehalt von wenigstens 99,99% Molprozent bis 0,1 ppm Sauerstoff. Das zweite Fluid kann daher auch auch ein an Stickstoff angereichertes Fluid sein, das der Niederdrucksäule über einen Seitenabzug entnommen wird, und dasdaher einen entsprechend geringeren Gehalt an Stickstoff aufweist.
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Der zweite Stoffstrom kann ferner unter Verwendung eines zusätzlichen Fluids, das der Niederdrucksäule gasförmig entnommen wird, gebildet werden. Das zusätzliche Fluid kann ein sauerstoffreiches Fluid sein, das der Niederdrucksäule über einen Seitenabzug entnommen wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem, das eine Hochdrucksäule, die für einen Betrieb auf einem ersten Druckniveau eingerichtet ist, und eine Niederdrucksäule, die für einen Betrieb auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus eingerichtet ist, umfasst, wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung eines stickstoffreichen ersten Fluids, das der Hochdrucksäule auf dem ersten Druckniveau gasförmig entnommen wird, einen stickstoffreichen ersten Stoffstrom zu bilden, und wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung eines zweiten Fluids, das der Niederdrucksäule auf dem zweiten Druckniveau gasförmig entnommen wird, einen zweiten Stoffstrom zu bilden. Die erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage zeichnet sich durch Mittel aus, die dafür eingerichtet sind, den stickstoffreichen ersten Stoffstrom zumindest zu einem Anteil einer Drosselentspannung auf ein drittes Druckniveau, das größer oder gleich dem zweiten Druckniveau ist, zuzuführen. Alternativ oder zusätzlich dazu sind Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, abgekühlte Druckluft auf dem ersten Druckniveau bereitzstellen und zu einem ersten Anteil in die Hochdrucksäule einzuspeisen und zu einem zweiten Anteil einer Drosselentspannung auf das zweite Druckniveau zuzuführen und die Niederdrucksäule einzuspeisen.
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Die erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage, die vorteilhafterweise zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, wie es zuvor erläutert wurde, profitiert von den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens in seinen erläuterten Ausgestaltungen in gleicher Weise. Auf die obigen Erläuterungen wird daher ausdrücklich verwiesen.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage, die für einen Betrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingerichtet ist. Die Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet. Zu weiteren Details bezüglich der Funktion von Luftzerlegungsanlagen und ihrer Komponenten sei auf die zitierte Fachliteratur verwiesen (siehe beispielsweise Häring, 2.3A und zugehörige Erläuterungen).
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In der Luftzerlegungsanlage 100 wird Einsatzluft in Form eines Stoffstroms a (AIR) mittels eines Hauptluftverdichters 101 in einer Einsatzluftmenge über ein Filter 102 angesaugt, dort auf ein erstes Druckniveau verdichtet und einer Vorkühlung 103 sowie einer Aufreinigung 104 zugeführt. Die verdichtete, vorgekühlte und aufgereinigte Einsatzluft wird in Form eines Stoffstroms b in einem Booster 105 mit Nachkühler 106 weiter druckbeaufschlagt. Die Luftzerlegungsanlage 100 kann abweichend zu dem dargestellten Beispiel auch mit Haupt- und Nachverdichter ausgebildet sein.
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Ein erster Anteil der in dem Booster 105 weiter druckbeaufschlagten Einsatzluft wird in Form eines Stoffstroms c in einem Hauptwärmetauscher 107 auf ein Zwischentemperaturniveau abgekühlt und in einem Turboexpander 108, der mit dem Booster 105 gekoppelt ist, entspannt. Ein zweiter Anteil der in dem Booster 105 weiter druckbeaufschlagten Einsatzluft wird in Form eines Stoffstroms d in dem Hauptwärmetauscher 107 auf ein Endtemperaturniveau abgekühlt und in einem Drosselventil 109 entspannt. Die entspannte Einsatzluft der Stoffströme c und d wird zu einem Stoffstrom e vereinigt und zum Teil in Form eines Stoffstroms f in eine Hochdrucksäule 111 und zum Teil in Form eines Stoffstroms g in eine Niederdrucksäule 112 eines Destillationssäulensystems 10, das ferner eine Rohargonsäule 113 umfasst, eingespeist. Die Einspeisung des Stoffstroms g in die Niederdrucksäule 112 erfolgt unter Entspannung über ein Entspannungsventil 114.
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Aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 111 wird eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms h abgezogen, durch einen Unterkühler 115 geführt, zum Teil zur Kühlung in einem Kopfkondensator der Rohargonsäule 113 verwendet und schließlich insgesamt in die Niederdrucksäule 112 eingespeist.
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Vom Kopf der Hochdrucksäule 111 wird ein stickstoffreiches Fluid in Form eines Stoffstroms i abgezogen. Dieses wird zum Teil in Form eines Stoffstroms k in einem Hauptkondensator 116, der die Hochdrucksäule 111 und die Niederdrucksäule 112 wärmetauschend verbindet, verflüssigt. Hiervon wird ein erster Anteil in Form eines Stoffstroms I als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 111 zurückgeführt und ein zweiter Anteil in Form eines Stoffstroms m durch den Unterkühler 115 geführt und in die Niederdrucksäule 112 eingespeist.
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Der nicht in dem Hauptkondensator 116 verflüssigte Anteil des Stoffstroms i wird im dargestellten Beispiel zu einem ersten Anteil in Form eines Stoffstroms n dem Hauptwärmetauscher 107 zugeführt und dort erwärmt und zu einem zweiten Anteil in Form eines Stoffstroms o über ein Drosselventil 117 entspannt und einem Stoffstrom p zugespeist. Bei dem Stoffstrom p handelt es sich um einen Stoffstrom, der unter Verwendung von Unreinstickstoff, der der Niederdrucksäule 112 in Form eines Stoffstroms j entnommen und durch den Unterkühler 115 geführt wird, gebildet wird. Der Stoffstrom p umfasst im dargestellten Beispiel ferner sauerstoffreiches Fluid, das der Niederdrucksäule 112 in Form eines Stoffstroms z entnommen wird.
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Ein auf diese Weise gebildeter Sammelstrom q wird ebenfalls dem Hauptwärmetauscher 107 zugeführt und dort erwärmt. Der Sammelstrom q wird im dargestellten Beispiel anschließend zum Teil an die Atmosphäre (ATM) abgeblasen und zum Teil in der Vorkühlung 103 bzw. der Aufreinigung 104 eingesetzt. Auch nach der Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher 107 wird im dargestellten Beispiel ein Anteil des Stoffstroms r abgezweigt, über ein Entspannungsventil 118 entspannt und einem Stoffstrom s zugespeist. Bei dem Stoffstrom s handelt es sich um einen Stoffstrom, der unter Verwendung von weiterem stickstoffreichen Fluid, das der Niederdrucksäule 112 entnommen, durch den Unterkühler 115 geführt und in dem Hauptwärmetauscher 107 erwärmt wird, gebildet wird. Ein auf diese Weise gebildeter Sammelstrom t kann wie der Sammelstrom q verwendet werden.
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In beiden Fällen (d.h. der Zuspeisung eines Teils des Stoffstroms n stromauf des Wärmetauschers 107 und stromab des Wärmetauschers 107 zu einem weiteren Strom, hier dem Stoffstrom p und dem Stoffstrom s) wird ein Teil des entsprechenden stickstoffreichen Fluids verworfen. Beide Möglichkeiten können in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung alternativ eingesetzt werden. Ein verbleibender Rest des stickstoffreichen Fluids kann beispielsweise in Form eines Stoffstroms u als Dichtgas für die eingesetzten Verdichter (Sealgas) eingesetzt werden.
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Der Niederdrucksäule 112 wird sauerstoffreiche Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms v entnommen und mittels einer Pumpe 119 flüssig druckerhöht (Innenverdichtung). Ein Teil hiervon wird in Form in dem Hauptwärmetauscher 107 erwärmt, dadurch in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und als gasförmiges Sauerstoffdruckprodukt (GOX IC1) bereitgestellt. Ein weiterer Teil wird ggf. in dem Unterkühler 115 unterkühlt und als flüssiges Sauerstoffprodukt (GOX) bereitgestellt.
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Von einem Flüssigkeitsrückhaltebehälter am Kopf der Niederdrucksäule 112 kann ein stickstoffreiches Fluid flüssig abgezogen, zum Teil als Rücklauf auf die Niederdrucksäule 112 zurückgeführt und zum Teil in Form eines Stoffstroms w als flüssiges Stickstoffprodukt (LIN) bereitgestellt werden. Kopfgas vom Kopf der Rohargonsäule 113 wird verflüssigt, zum Teil als Rücklauf auf die Rohargonsäule 113 zurückgeführt und zum Teil in Form eines Stoffstroms x an die Atmosphäre abgeblasen. Aus der Rohargonsäule 113 kann ferner im dargestellten Beispiel ein argonreiches Fluid in Form eines Stoffstroms y flüssig abgezogen und als flüssiges Argonprodukt (LAR) bereitgestellt werden.
