EP2789958A1 - Method for the low-temperature decomposition of air and air separation plant - Google Patents

Method for the low-temperature decomposition of air and air separation plant Download PDF

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EP2789958A1
EP2789958A1 EP13001857.5A EP13001857A EP2789958A1 EP 2789958 A1 EP2789958 A1 EP 2789958A1 EP 13001857 A EP13001857 A EP 13001857A EP 2789958 A1 EP2789958 A1 EP 2789958A1
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EP
European Patent Office
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pressure
oxygen
intermediate pressure
column
enriched fraction
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13001857.5A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Haag
Stefan Lochner
Frank Stumpf-Marquardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
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    • F25J2240/04—Multiple expansion turbines in parallel
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    • F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop

Definitions

  • the invention relates to a process for the cryogenic separation of air and an air separation plant adapted to carry out such a process.
  • the present application relates in particular to the air separation according to the so-called SPECTRA method, such as, inter alia, in US Pat EP 0 412 793 B2 , of the EP 0 773 417 B1 , of the EP 0 780 648 B1 , of the EP 0 807 792 B1 , of the EP 0 932 004 A2 , of the US 2007/204652 A1 or the DE 10 2007 051 184 A1 disclosed.
  • SPECTRA method such as, inter alia, in US Pat EP 0 412 793 B2 , of the EP 0 773 417 B1 , of the EP 0 780 648 B1 , of the EP 0 807 792 B1 , of the EP 0 932 004 A2 , of the US 2007/204652 A1 or the DE 10 2007 051 184 A1 disclosed.
  • the SPECTRA process cools compressed and pre-cleaned air to a temperature suitable for rectification, usually at or near its dew point. It is thereby partially liquefied. The air is then fed into a rectification column and rectified there. Bottom side of the rectification column oxygen-enriched, liquid fractions, head-side nitrogen-enriched, gaseous fractions can be removed. The degree of enrichment depends on the extraction level.
  • the rectification column is taken off a first and a second oxygen-enriched fraction, expanded to an intermediate pressure and then evaporated in a condenser evaporator, which acts as a top condenser of the rectification column.
  • the evaporative refrigeration is used in the overhead condenser to cool a nitrogen-rich fraction, which is also taken from the rectification column.
  • the vaporized first oxygen-enriched fraction is further depressurized in a recuperation machine (booster turbine), whereby exchange losses can be compensated and optionally for product liquefaction, e.g. for nitrogen liquefaction, needed refrigeration can be generated.
  • the first oxygen-enriched fraction can then be discharged below the outlet pressure of the expansion machine, usually under atmospheric pressure or slightly above it, and used, for example, as regeneration gas for adsorption devices for pre-cleaning the feed air.
  • the vaporized second oxygen-enriched fraction is recompressed, cooled, and fed back to the rectification column.
  • a cold compressor can be used for recompression.
  • the expansion machine and the cold compressor may be mechanically interconnected.
  • the invention therefore has the object of improving processes for the cryogenic separation of air and correspondingly operated air separation plants, in particular those with expansion machines.
  • the present invention is based on a conventional process for the cryogenic separation of air, in which, as explained above, it is compressed, cooled and rectified in at least one rectification column.
  • at least one first oxygen-enriched fraction is taken from the at least one rectification column and released from a column pressure to an intermediate pressure and from the intermediate pressure to a final pressure.
  • the column pressure corresponds to the usual operating pressure of the rectification column, as explained below.
  • the invention it is proposed, at least temporarily, to depressurize the first oxygen-enriched fraction from the intermediate pressure to the final pressure at least two, each coupled to a cold compressor, i.
  • a cold compressor i.
  • relaxation machines may be fully connected in parallel, i. have the same inlet and outlet temperatures and pressures.
  • Such an arrangement can be structurally particularly simple and inexpensive to implement, because a variety of components can be designed identical.
  • Corresponding partial flows can also be distributed, for example, via simple branches to be implemented to the mentioned expansion machines.
  • expansion machine in the context of this application refers to a device by means of which the energy released during a relaxation of a fluid can be converted into a mechanical movement and thus taken from a corresponding system.
  • Known relaxation machines are also known as turboexpanders.
  • a "combined with a cold compressor” relaxation machine can directly drive a corresponding cold compressor.
  • a braking device e.g. an oil brake, be provided.
  • the solution proposed according to the invention reduces the power which has to be removed via each individual expansion machine and possibly has to be “destroyed” in an oil brake. Correspondingly more power is available for the operation of the respective cold compressor, which is also mechanically connected to the expansion machine available.
  • the at least two expansion machines each coupled with cold compressors, alternately or simultaneously (in parallel). As explained, this is at least temporarily a fully parallel operation with the same inlet and outlet temperatures and pressures appropriate.
  • the at least two expansion machines each coupled with cold compressors are structurally identical, they can be operated completely redundantly, so that maintenance and / or repair of one of the two machines can be carried out while the other is in regular operation.
  • at least one of the at least two expansion machines mentioned can, for example, also be switched on only in case of high load. Under normal load, two or more expansion machines can also be operated in partial load operation so that their life is extended.
  • the at least two expansion machines can also be constructed differently, so that operation in a first operating state with a first expansion machine and operation in a second operating state with a second expansion machine can be carried out.
  • a method according to the invention advantageously comprises, as column pressure, a pressure of 6 to 20 bar, for example 9 bar, as intermediate pressure a pressure of 2 to 9 bar, for example 4 bar and / or as final pressure a pressure of 0.5 to 1.5 bar, for example, of 1.3 bar to use.
  • the pressures stated in this application are absolute pressures.
  • the method can be adapted to any requirements. Due to the relaxation of the column pressure to the intermediate pressure released cold can be used advantageously for cooling of corresponding fractions, such as a nitrogen fraction. If the aforementioned first oxygen-rich fraction is expanded to a final pressure of, for example, 1.3 bar, it can be fed into a corresponding adsorption device for purification of the air used without further adjustments. It is there, for example, used for the regeneration of the molecular sieves used.
  • a second oxygen-enriched fraction is withdrawn from the at least one rectification column and expanded from the column pressure to the or a further intermediate pressure and then recompressed to the column pressure.
  • at least two cold compressors are used for recompression, these being the cold compressors respectively coupled to the aforementioned at least two expansion machines.
  • the invention thus also proposes the parallel use of a plurality of devices according to an advantageous embodiment. Also with regard to these cold compressors, the advantages explained above with regard to redundancy and / or partial load behavior result.
  • the energy released during the relaxation can therefore advantageously be used at least partially for recompression.
  • the energy released during the expansion from the intermediate pressure to the final pressure, minus the power taken from the oil brake and from losses, is supplied to the respective cold compressor.
  • a mechanical connection which is provided in each case between the cold compressor and expansion machine, may comprise a braking device, which may be designed, for example, as an oil brake.
  • the performance of the braking device serves to cover the cold balance.
  • oil brakes are usually used.
  • one or more relaxation machines may be provided which may be equipped with another braking device, e.g. a generator, as previously mentioned and explained below, are equipped.
  • At least one further expansion machine is used at least temporarily, which is mechanically coupled to a generator, it is possible to recover further energy, e.g. can be used for cooling or compression.
  • the further expansion machine can be switched on when needed and / or operated permanently.
  • Particularly advantageous is the use of such an arrangement whenever at least temporarily the refrigeration demand can not be covered by one or more oil brakes (per expansion machine).
  • oil brakes per expansion machine
  • At least one condenser evaporator to relax the first and / or the second oxygen-enriched fraction from the column pressure to the intermediate pressure or the intermediate pressure and the further intermediate pressure, as explained.
  • This is designed in particular as a head capacitor.
  • a nitrogen-rich fraction which can also be removed from the rectification column.
  • a corresponding nitrogen-rich fraction can be removed after cooling in the condenser and optionally liquefaction of the air separation plant.
  • An air separation plant is set up to carry out the method explained above.
  • At least one rectification column of the air separation plant can at least be taken from a first oxygen-enriched fraction and expanded from a column pressure to an intermediate pressure and from the intermediate pressure to a final pressure.
  • the air separation plant has at least two expansion machines, which are set up to relax the first oxygen-enriched fraction from the intermediate pressure to the final pressure and are each coupled to a cold compressor.
  • FIG. 1 an air separation plant according to the prior art is shown schematically and designated 100 in total.
  • the air separation plant 100 is designed for the cryogenic separation of air according to the SPECTRA method.
  • the air separation plant 100 has a main heat exchanger 1 and a rectification column 2.
  • the main heat exchanger 1 has a so-called warm end 11 and a so-called cold end 12.
  • the main heat exchanger 1 may also be composed of a plurality of individual heat exchangers or heat exchanger blocks and forms in this case a main heat exchanger complex.
  • the rectification column 2 has a head region 21 and a bottom region 22.
  • compressed and pre-cleaned air A is passed through a valve 101 via lines a and b from the hot end 11 to the cold end 12 through the main heat exchanger 1.
  • the air A is thereby cooled to a temperature suitable for rectification, which is normally at or near its dew point. It is thereby partially liquefied.
  • the air A is then fed into the rectification column 2 and rectified there in the usual way.
  • the feeding of the air A takes place, for example, some practical or theoretical plates above the bottom portion 22.
  • the operating pressure of the rectification column 2 referred to in this application as "column pressure" is 6 to 20 bar, for example 9 bar.
  • these oxygen-enriched, liquid fractions, head-side nitrogen-enriched gaseous fractions can be removed.
  • a nitrogen-enriched fraction can be taken from the rectification column 2 via a line c, a first oxygen-enriched fraction via a line e and a second oxygen-enriched fraction via a line d.
  • the degree of oxygenation depends on the extraction level. As explained, the oxygen-enriched fractions used in the context of this application can also be taken at the same level or together.
  • the oxygen-enriched fractions can be guided at the cold end 12 through the main heat exchanger 1 and supercooled. Subsequently, the fractions can be fed via lines g and f to a condenser evaporator designed as a top condenser 3 and vaporized there. By means of expansion valves 111 and 112, the fractions are previously expanded to an intermediate pressure of 2 to 9 bar, for example 4 bar.
  • the lines e and d can be performed without the detour shown on the main heat exchanger 1 directly into the top condenser 3. Other variants are possible.
  • the rectification column 2 are removed and evaporated. This fraction can then be divided into the first and the second oxygen-enriched fraction.
  • the first oxygen-enriched fraction is fed in gaseous form to the main heat exchanger 1 via a line I, where it is heated to an intermediate temperature.
  • a line m at least part of the first oxygen-enriched fraction can subsequently be fed to a relaxation machine 5, which can be in the form of a turboexpander (booster turbine), where it can be expanded to over 300 mbar above atmospheric pressure, for example.
  • a turboexpander boost turbine
  • a further part of the first oxygen-enriched fraction removed from the main heat exchanger at the intermediate temperature may, if required, be expanded alternatively or additionally via a valve 104.
  • the first oxygen-enriched fraction which has been expanded by means of the expansion machine 5 or the valve 104 is then guided through the main heat exchanger 1 via lines n and o from the cold end 12 to the warm end 11 and heated.
  • a suitably heated fraction B can for example be blown off to the atmosphere and / or, if appropriate after further heating, used as regeneration gas in a cleaning device for the air A.
  • the second oxygen-enriched fraction is supplied via one or more h lines gaseously to a cold compressor 4 and recompressed there to about the said column pressure of the rectification column 2.
  • the second oxygen-enriched fraction is recooled via lines i and k in the main heat exchanger 1 again to approximately the operating temperature of the rectification column 2 and fed to the bottom side via a valve 102 in this.
  • a gaseous portion can also be returned via a line shown in dashed lines and another valve 103 in the cold compressor 4 for pump prevention, this is the so-called Boosterbypass.
  • the expansion machine 5 may be mechanically connected to the cold compressor 4 via a braking device 6.
  • the braking device 6 may be formed, for example, as an oil brake.
  • the nitrogen-enriched gaseous fraction withdrawn in the head region 21 of the rectification column 2 can be led in part via the lines p and q from the cold end 12 to the warm end 11 through the main heat exchanger 1. Via a valve 105, the system 100 can thus be taken from gaseous nitrogen C.
  • Another portion of the nitrogen-enriched fraction can be passed through the top condenser 3 via lines r and s and cooled there with the evaporative cooling resulting from the evaporation of the first and second oxygen-rich fractions. Subsequently, a portion of the liquid cooled stream is fed to a heat exchanger 9 and further cooled in countercurrent to a relaxed over a valve 106 portion thereof. Via a line u and a valve 107 can in this way the plant 100, a liquid nitrogen product D are removed. A relaxed by means of the valve 106 portion can also be supplied to the line n and used as previously explained. Via a line t, part of the fraction cooled in the top condenser 3 can be fed back into the head region 21 of the separating column 2.
  • valve 108 and a conduit v may be provided, over which non-supercooled liquid nitrogen may be withdrawn as product from the system. Via a line w and a valve 109 can be blown off into a gaseous flushing fraction F from the line h to the atmosphere.
  • the line x can be used for feeding liquid nitrogen G via a valve 110. Further valves 111 and 112 serve to reduce the pressure of the fluid flows in the respective lines f and g.
  • FIG. 2 an air separation plant according to a particularly preferred embodiment of the invention is shown schematically and designated 10 in total.
  • the air separation plant 10 has the components of the air separation plant 100.
  • two cold compressors 4 instead of only one cold compressor 4 and only one relaxation machine 5 coupled thereto and only one respective braking device 6, two cold compressors 4, two expansion machines 5 and two brake devices 6 are provided according to the embodiment of the invention.
  • the two cold compressors 4 and the two expansion machines 5 are coupled as shown. Also several corresponding units can be provided. These may be structurally identical or deviating from each other.
  • the expansion machines 5 Via the line m or corresponding branches, the expansion machines 5 can be supplied with the same or differently adjustable streams of the second oxygen-enriched fraction removed from the main heat exchanger 1 at the intermediate temperature. The same applies to the first oxygen-rich fraction fed via the line h and the cold compressors 4.
  • a further improvement results when providing a further expansion machine 7, which can be supplied via the line m, a further part of the extracted at the intermediate temperature of the main heat exchanger second oxygen-enriched fraction.
  • the further expansion machine 7 may be mechanically coupled to a generator 8, for example.
  • About the generator 8 can be recovered here in the relaxation released power.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft (A), bei dem die Luft (A) verdichtet, abgekühlt und in wenigstens einer Rektifikationskolonne (2) rektifiziert wird, wobei der wenigstens einen Rektifikationskolonne (2) zumindest eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen und von einem Säulendruck auf einen Zwischendruck und von dem Zwischendruck auf einen Enddruck entspannt wird, wobei zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck zumindest zeitweise wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter (4) gekoppelte Entspannungsmaschinen (5) verwendet werden. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (10) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.The invention relates to a process for the cryogenic separation of air (A), in which the air (A) is compressed, cooled and rectified in at least one rectification column (2), wherein the at least one rectification column (2) at least a first oxygen-enriched fraction removed and a column pressure is released to an intermediate pressure and from the intermediate pressure to a final pressure, wherein for relaxation of the first oxygen-enriched fraction from the intermediate pressure to the final pressure, at least two expansion machines (5) each coupled to a cold compressor (4) are used. A corresponding air separation plant (10) is also an object of the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage.The invention relates to a process for the cryogenic separation of air and an air separation plant adapted to carry out such a process.

Stand der TechnikState of the art

Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind beispielsweise bekannt aus Hausen, H. und Linde, H.: Tieftemperaturtechnik. Erzeugung sehr tiefer Temperaturen, Gasverflüssigung und Zerlegung von Gasgemischen. 2. Auflage. Berlin, New York: Springer 1985. Seiten 281 - 337 .For example, methods and apparatus for cryogenic separation of air are known Hausen, H. and Linde, H .: Cryogenic technology. Generation of very low temperatures, gas liquefaction and decomposition of gas mixtures. 2nd Edition. Berlin, New York: Springer 1985. Pages 281 - 337 ,

Die vorliegende Anmeldung betrifft insbesondere die Luftzerlegung nach dem sogenannten SPECTRA-Verfahren, wie unter anderem auch in der EP 0 412 793 B2 , der EP 0 773 417 B1 , der EP 0 780 648 B1 , der EP 0 807 792 B1 , der EP 0 932 004 A2 , der US 2007/204652 A1 oder der DE 10 2007 051 184 A1 offenbart.The present application relates in particular to the air separation according to the so-called SPECTRA method, such as, inter alia, in US Pat EP 0 412 793 B2 , of the EP 0 773 417 B1 , of the EP 0 780 648 B1 , of the EP 0 807 792 B1 , of the EP 0 932 004 A2 , of the US 2007/204652 A1 or the DE 10 2007 051 184 A1 disclosed.

Wie bei anderen Luftzerlegungsverfahren auch wird beim SPECTRA-Verfahren verdichtete und vorgereinigte Luft auf eine für die Rektifikation geeignete Temperatur abgekühlt, die normalerweise an oder nahe ihrem Taupunkt liegt. Sie wird hierdurch teilweise verflüssigt. Die Luft wird anschließend in eine Rektifikationskolonne eingespeist und dort rektifiziert. Bodenseitig können der Rektifikationskolonne sauerstoffangereicherte, flüssige Fraktionen, kopfseitig stickstoffangereicherte, gasförmige Fraktionen entnommen werden. Der Grad der Anreicherung richtet sich nach der Entnahmehöhe.As with other air separation processes, the SPECTRA process cools compressed and pre-cleaned air to a temperature suitable for rectification, usually at or near its dew point. It is thereby partially liquefied. The air is then fed into a rectification column and rectified there. Bottom side of the rectification column oxygen-enriched, liquid fractions, head-side nitrogen-enriched, gaseous fractions can be removed. The degree of enrichment depends on the extraction level.

Beim SPECTRA-Verfahren werden der Rektifikationskolonne eine erste und eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen, auf einen Zwischendruck entspannt und anschließend in einem Kondensatorverdampfer, der als Kopfkondensator der Rektifikationskolonne wirkt, verdampft. Die Verdampfungskälte wird in dem Kopfkondensator zur Kühlung einer stickstoffreichen Fraktion, die ebenfalls der Rektifikationskolonne entnommen wird, verwendet.In the SPECTRA process, the rectification column is taken off a first and a second oxygen-enriched fraction, expanded to an intermediate pressure and then evaporated in a condenser evaporator, which acts as a top condenser of the rectification column. The evaporative refrigeration is used in the overhead condenser to cool a nitrogen-rich fraction, which is also taken from the rectification column.

Die verdampfte erste sauerstoffangereicherte Fraktion wird in einer Entspannungsmaschine (Boosterturbine) arbeitsleistend weiter entspannt, wodurch Austauschverluste ausgeglichen werden können und gegebenenfalls für die Produktverflüssigung, z.B. zur Stickstoffverflüssigung, benötigte Kälte erzeugt werden kann. Die erste sauerstoffangereicherte Fraktion kann anschließend unter dem Austrittsdruck der Entspannungsmaschine, üblicherweise unter Atmosphärendruck oder leicht darüber, abgegeben und beispielsweise als Regeneriergas für Adsorptionseinrichtungen zur Vorreinigung der Einsatzluft genutzt werden. Die verdampfte zweite sauerstoffangereicherte Fraktion wird rückverdichtet, abgekühlt, und in die Rektifikationskolonne rückgespeist. Zur Rückverdichtung kann ein Kaltverdichter verwendet werden. Die Entspannungsmaschine und der Kaltverdichter können mechanisch miteinander verbunden sein.The vaporized first oxygen-enriched fraction is further depressurized in a recuperation machine (booster turbine), whereby exchange losses can be compensated and optionally for product liquefaction, e.g. for nitrogen liquefaction, needed refrigeration can be generated. The first oxygen-enriched fraction can then be discharged below the outlet pressure of the expansion machine, usually under atmospheric pressure or slightly above it, and used, for example, as regeneration gas for adsorption devices for pre-cleaning the feed air. The vaporized second oxygen-enriched fraction is recompressed, cooled, and fed back to the rectification column. For recompression a cold compressor can be used. The expansion machine and the cold compressor may be mechanically interconnected.

Aus der US 2007/0204652 A1 ist bekannt, zur Entspannung der verdampften ersten sauerstoffangereicherten Fraktion zwei Entspannungsmaschinen zu verwenden, von denen eine mit einem Kaltverdichter, wie zuvor erläutert, und eine mit einem Generator mechanisch verbunden ist. Hierdurch kann zusätzliche Kälte gewonnen werden. Schwierigkeiten ergeben sich beim SPECTRA-Verfahren unter anderem aufgrund der Beanspruchung der Entspannungsmaschinen im Betrieb. Diese müssen für stark schwankende und teilweise sehr hohe Durchsätze eingerichtet sein. Insbesondere beim Hin- und Herfahren zwischen Flüssig- und Gasfällen, wie unten noch näher erläutert, können Probleme auftreten.From the US 2007/0204652 A1 It is known to use for relaxation of the vaporized first oxygen-enriched fraction two expansion machines, one of which is mechanically connected to a cold compressor, as explained above, and one with a generator. As a result, additional cold can be obtained. Difficulties arise in the SPECTRA process, among other things, due to the stress on the expansion machines during operation. These must be set up for strongly fluctuating and sometimes very high throughputs. In particular, when going back and forth between liquid and gas, as explained in more detail below, problems may occur.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und entsprechend betriebene Luftzerlegungsanlagen, insbesondere solche mit Entspannungsmaschinen, zu verbessern.The invention therefore has the object of improving processes for the cryogenic separation of air and correspondingly operated air separation plants, in particular those with expansion machines.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for the cryogenic separation of air and an air separation unit configured for carrying out such a method are proposed with the features of the independent patent claims. Preferred embodiments are the subject of the respective dependent claims and the following description.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die vorliegende Erfindung geht von einem herkömmlichen Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft aus, bei dem diese, wie eingangs erläutert, verdichtet, abgekühlt und in wenigstens einer Rektifikationskolonne rektifiziert wird. Insbesondere bei den erläuterten SPECTRA-Verfahren wird der wenigstens einen Rektifikationskolonne zumindest eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen und von einem Säulendruck auf einen Zwischendruck und von dem Zwischendruck auf einen Enddruck entspannt. Der Säulendruck entspricht dabei dem üblichen Betriebsdruck der Rektifikationskolonne, wie unten erläutert.The present invention is based on a conventional process for the cryogenic separation of air, in which, as explained above, it is compressed, cooled and rectified in at least one rectification column. In particular, in the case of the SPECTRA method explained, at least one first oxygen-enriched fraction is taken from the at least one rectification column and released from a column pressure to an intermediate pressure and from the intermediate pressure to a final pressure. The column pressure corresponds to the usual operating pressure of the rectification column, as explained below.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck zumindest zeitweise wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter gekoppelte, d.h. beispielsweise über eine Welle verbundene, Entspannungsmaschinen einzusetzen. Diese können vollständig parallel geschaltet sein, d.h. gleiche Ein- und Austrittstemperaturen und -drücke aufweisen. Eine derartige Anordnung lässt sich baulich besonders einfach und kostengünstig umsetzen, weil eine Vielzahl an Komponenten identisch ausgelegt werden kann. Entsprechende Teilströme können auch beispielsweise über einfach zu realisierende Verzweigungen auf die genannten Entspannungsmaschinen verteilt werden.According to the invention, it is proposed, at least temporarily, to depressurize the first oxygen-enriched fraction from the intermediate pressure to the final pressure at least two, each coupled to a cold compressor, i. For example, to use connected via a wave, relaxation machines. These may be fully connected in parallel, i. have the same inlet and outlet temperatures and pressures. Such an arrangement can be structurally particularly simple and inexpensive to implement, because a variety of components can be designed identical. Corresponding partial flows can also be distributed, for example, via simple branches to be implemented to the mentioned expansion machines.

Der Begriff "Entspannungsmaschine" bezeichnet im Rahmen dieser Anmeldung eine Vorrichtung, mittels derer die bei einer Entspannung eines Fluids frei werdende Energie in eine mechanische Bewegung umgesetzt und damit einem entsprechenden System entnommen werden kann. Bekannte Entspannungsmaschinen werden auch als Turboexpander bezeichnet. Eine "mit einem Kaltverdichter gekoppelte" Entspannungsmaschine kann direkt einen entsprechenden Kaltverdichter antreiben. Gegebenenfalls kann eine Bremseinrichtung, z.B. eine Ölbremse, vorgesehen sein.The term "expansion machine" in the context of this application refers to a device by means of which the energy released during a relaxation of a fluid can be converted into a mechanical movement and thus taken from a corresponding system. Known relaxation machines are also known as turboexpanders. A "combined with a cold compressor" relaxation machine can directly drive a corresponding cold compressor. Optionally, a braking device, e.g. an oil brake, be provided.

Bei den herkömmlichen SPECTRA-Verfahren dient die Verwendung von Entspannungsmaschinen dazu, bei der Entspannung frei werdende Energie zumindest teilweise zurückzugewinnen. Wie erwähnt, kommt es jedoch insbesondere aufgrund der ausgeprägten Schwankungen in den Durchsätzen sowie beim Hin- und Herfahren zwischen Flüssig- und Gasfällen zu Problemen.In the conventional SPECTRA processes, the use of expansion machines serves to at least partially recover energy released during relaxation. As mentioned above, however, problems arise, in particular due to the pronounced fluctuations in the throughputs as well as the reciprocation between liquid and gas cases.

Soll in herkömmlichen Anlagen nämlich viel flüssiger Stickstoff produziert werden, ist hierzu eine vergleichsweise große Kälteleistung erforderlich. Damit muss dem System entsprechend Leistung über die Entspannungsmaschinen, z.B. mittels einer Ölbremse, entnommen werden. Damit steht aber für den jeweiligen Kaltverdichter entsprechend weniger Leistung zur Verfügung. Bei gleichem Druckverhältnis sinkt daher der Durchsatz und damit auch der Wirkungsgrad entsprechend der Auslegung. Dieser Nachteil lässt sich auch durch die Bereitstellung einer zusätzlichen, mit einem Generator gekoppelten Entspannungsmaschine, wie sie beispielsweise in der eingangs erläuterten US 2007/0204652 A1 gezeigt ist, nicht lösen.If much liquid nitrogen is to be produced in conventional plants, a comparatively large cooling capacity is required for this purpose. Thus, according to the system, power must be taken out via the expansion machines, for example by means of an oil brake. However, this means that correspondingly less power is available for the respective cold compressor. At the same pressure ratio, therefore, the throughput and thus the efficiency decreases according to the interpretation. This disadvantage can also be overcome by the provision of an additional relaxation machine coupled to a generator, as described, for example, in the opening paragraph US 2007/0204652 A1 shown, do not solve.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist hingegen die Leistung, die über jede einzelne Entspannungsmaschine entnommen und gegebenenfalls in einer Ölbremse "vernichtet" werden muss, sehr viel geringer. Entsprechend mehr Leistung steht zum Betrieb des jeweiligen Kaltverdichters, der mit der Entspannungsmaschine ebenfalls mechanisch verbunden ist, zur Verfügung.By contrast, the solution proposed according to the invention reduces the power which has to be removed via each individual expansion machine and possibly has to be "destroyed" in an oil brake. Correspondingly more power is available for the operation of the respective cold compressor, which is also mechanically connected to the expansion machine available.

Es ist zwar möglich, herkömmliche Anlagen mit unterschiedlichen Betriebspunkten, beispielsweise zu jeweils ca. 50% der Zeit, zu fahren. Hierbei leidet aufgrund der schlechteren Wirkungsgrade jedoch die Effizienz. Verwendet man hingegen, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, zumindest zeitweise wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter gekoppelte Entspannungsmaschinen, kann die Effizienz bei entsprechender Auslegung stark verbessert werden. Hinzu kommt, dass dem System an jeweils einer Entspannungsmaschine nicht beliebig Leistung entnommen werden kann. So ist beispielsweise die Leistung bekannter Ölbremsen begrenzt. Dies wiederum begrenzt die Flüssigproduktionskapazität der Anlage. Schon bei der Verwendung von zwei Entspannungsmaschinen verdoppelt sich diese Kapazität. Die Erfindung ist jedoch nicht auf zwei Entspannungsmaschinen beschränkt, so dass eine weitere Effizienzsteigerung möglich ist. Beispielsweise können zwei oder mehr Entspannungsmaschinen, die mit Kaltverdichtern und gegebenenfalls Ölbremsen gekoppelt sind, und eine Entspannungsmaschine, die mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist, eingesetzt werden.Although it is possible to drive conventional systems with different operating points, for example, about every 50% of the time. However, efficiency suffers due to the poorer efficiencies. If, however, as proposed according to the invention, at least temporarily at least two expansion machines each coupled to a cold compressor, the efficiency can be greatly improved with appropriate design. In addition, the system can not be taken any performance on each of a relaxation machine. For example, the performance of known oil brakes is limited. This in turn limits the liquid production capacity of the plant. Even with the use of two expansion machines, this capacity doubles. However, the invention is not limited to two expansion machines, so that a further increase in efficiency is possible. For example, two or more expansion machines coupled to cold compressors and optionally oil brakes, and a relaxation machine coupled to an electric generator may be used.

Insgesamt kann festgestellt werden, dass herkömmliche Anlagen zur Durchführung des SPECTRA-Verfahrens bisweilen über mehrere Jahre im 50%-Teillastbetrieb betrieben werden. Hierbei nimmt der Wirkungsgrad einer Entspannungsmaschine, wie erläutert, jedoch sehr stark ab. Werden zwei oder mehr Entspannungsmaschinen verwendet, ist die Effizienz auch im 50%-Teillastbetrieb hingegen wesentlich höher.Overall, it can be stated that conventional systems for carrying out the SPECTRA method are sometimes operated over a period of several years in the 50% partial load mode. Here, the efficiency of a relaxation machine, such as explained, but very strong. If two or more expansion machines are used, the efficiency is much higher, even at 50% full load.

Die Nachteile des Standes der Technik werden damit durch die erfindungsgemäße Verwendung von wenigstens zwei jeweils mit Kaltverdichtern gekoppelter Entspannungsmaschinen, die zumindest zeitweise parallel betrieben werden können, überwunden. Insbesondere kann durch die Verwendung von zwei oder mehr mit Kaltverdichtern gekoppelten Entspannungsmaschinen auch das Teillastverhalten signifikant verbessert werden, weil eine einzelne Entspannungsmaschine nicht permanent an ihrer oberen Auslegungsgrenze betrieben werden muss. Diese kann insbesondere in größeren Anlagen erreicht werden.The disadvantages of the prior art are thus overcome by the inventive use of at least two each with cold compressors coupled relaxation machines that can be operated at least temporarily in parallel. In particular, by using two or more expansion machines coupled with cold compressors, it is also possible to significantly improve the partial load behavior because a single expansion machine does not have to be permanently operated at its upper design limit. This can be achieved in particular in larger plants.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass geringer dimensionierte Entspannungsmaschinen, die jedoch im Parallelbetrieb gefahren werden können, kostengünstiger in der Herstellung bzw. Anschaffung sind. Entsprechende Anlagen können bei Bereitstellung mehrerer derartiger Entspannungsmaschinen beliebig an die jeweiligen Lastanforderungen angepasst werden. Sie sind nicht mehr durch die maximale Größe entsprechender Einrichtungen beschränkt. Luftzerlegungsanlagen, die erfindungsgemäß erstellt werden, können modular erweitert und damit auch nachträglich an erhöhte Durchsätze angepasst werden. Durch eine geringere Beanspruchung der Entspannungsmaschinen ergibt sich eine verbesserte Dauerfestigkeit und eine geringere Wartungs- bzw. Reparaturanfälligkeit. Die erfindungsgemäß erstellten Luftzerlegungsanlagen können damit deutlich kostengünstiger und zuverlässiger betrieben werden.Another advantage results from the fact that less dimensioned expansion machines, which can be operated in parallel operation, are less expensive to manufacture or purchase. Corresponding systems can be adapted as desired to the respective load requirements when providing a plurality of such expansion machines. They are no longer limited by the maximum size of such facilities. Air separation plants, which are created according to the invention, can be modularly expanded and thus subsequently adapted to increased throughputs. Lower stress on the expansion machines results in improved fatigue strength and lower maintenance and repair susceptibility. The inventively produced air separation plants can thus be operated much cheaper and more reliable.

Besonders vorteilhaft ist es, die wenigstens zwei jeweils mit Kaltverdichtern gekoppelten Entspannungsmaschinen wahlweise abwechselnd oder gleichzeitig (parallel) zu betreiben. Wie erläutert, ist hierbei zumindest zeitweise ein vollständig paralleler Betrieb mit gleichen Ein- und Austrittstemperaturen und -drücken zweckmäßig. Insbesondere dann, wenn die wenigstens zwei jeweils mit Kaltverdichtern gekoppelten Entspannungsmaschinen baulich identisch ausgebildet sind, können diese völlig redundant betrieben werden, so dass eine Wartung und/oder Reparatur einer der beiden Maschinen vorgenommen werden kann, während die andere regulär in Betrieb ist. Zumindest eine der wenigstens zwei genannten Entspannungsmaschinen kann jedoch beispielsweise auch nur im Hochlastfall zugeschaltet werden. Bei normaler Last können auch zwei oder mehrere Entspannungsmaschinen im Teillastbetrieb gefahren werden, so dass sich deren Lebensdauer verlängert. Die wenigstens zwei Entspannungsmaschinen können auch baulich unterschiedlich ausgebildet sein, so dass ein Betrieb in einem ersten Betriebszustand mit einer ersten Entspannungsmaschine und ein Betrieb in einem zweiten Betriebszustand mit einer zweiten Entspannungsmaschine erfolgen werden kann.It is particularly advantageous to operate the at least two expansion machines, each coupled with cold compressors, alternately or simultaneously (in parallel). As explained, this is at least temporarily a fully parallel operation with the same inlet and outlet temperatures and pressures appropriate. In particular, when the at least two expansion machines each coupled with cold compressors are structurally identical, they can be operated completely redundantly, so that maintenance and / or repair of one of the two machines can be carried out while the other is in regular operation. However, at least one of the at least two expansion machines mentioned can, for example, also be switched on only in case of high load. Under normal load, two or more expansion machines can also be operated in partial load operation so that their life is extended. The at least two expansion machines can also be constructed differently, so that operation in a first operating state with a first expansion machine and operation in a second operating state with a second expansion machine can be carried out.

Wenngleich im Rahmen dieser Anmeldung überwiegend von zwei mit Kaltverdichtern gekoppelten Entspannungsmaschinen die Rede ist, sei zu verstehen gegeben, dass auch mehrere Entspannungsmaschinen eingesetzt werden können.Although in the context of this application predominantly of two coupled with cold compressors relaxation machines is mentioned, it should be understood that several relaxation machines can be used.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst vorteilhafterweise, als Säulendruck einen Druck von 6 bis 20 bar, beispielsweise von 9 bar, als Zwischendruck ein Druck von 2 bis 9 bar, beispielsweise von 4 bar und/oder als Enddruck einen Druck von 0,5 bis 1,5 bar, beispielsweise von 1,3 bar, zu verwenden. Bei den im Rahmen dieser Anmeldung angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke.A method according to the invention advantageously comprises, as column pressure, a pressure of 6 to 20 bar, for example 9 bar, as intermediate pressure a pressure of 2 to 9 bar, for example 4 bar and / or as final pressure a pressure of 0.5 to 1.5 bar, for example, of 1.3 bar to use. The pressures stated in this application are absolute pressures.

Innerhalb der genannten Druckbereiche kann das Verfahren beliebig an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Durch die Entspannung von dem Säulendruck auf den Zwischendruck kann freiwerdende Kälte vorteilhafterweise zur Kühlung von entsprechenden Fraktionen, beispielsweise einer Stickstofffraktion, verwendet werden. Wird die erwähnte erste sauerstoffreiche Fraktion auf einen Enddruck von beispielsweise 1,3 bar entspannt, kann diese ohne weitere Anpassungen in eine entsprechende Adsorptionseinrichtung zur Aufreinigung der verwendeten Luft eingespeist werden. Sie wird dort z.B. zur Regenerierung der verwendeten Molsiebe verwendet.Within the specified pressure ranges, the method can be adapted to any requirements. Due to the relaxation of the column pressure to the intermediate pressure released cold can be used advantageously for cooling of corresponding fractions, such as a nitrogen fraction. If the aforementioned first oxygen-rich fraction is expanded to a final pressure of, for example, 1.3 bar, it can be fed into a corresponding adsorption device for purification of the air used without further adjustments. It is there, for example, used for the regeneration of the molecular sieves used.

Vorteilhafterweise wird der wenigstens einen Rektifikationskolonne eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen und von dem Säulendruck auf den oder einen weiteren Zwischendruck entspannt und anschließend auf den Säulendruck rückverdichtet. Zum Rückverdichten werden zumindest zeitweise wenigstens zwei Kaltverdichter verwendet, wobei es sich hierbei um die jeweils mit den zuvor erwähnten wenigstens zwei Entspannungsmaschinen gekoppelten Kaltverdichter handelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen SPECTRA-Verfahren schlägt die Erfindung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung also auch hier die parallele Verwendung von mehreren Vorrichtungen vor. Auch bezüglich dieser Kaltverdichter ergeben sich die zuvor erläuterten Vorteile hinsichtlich Redundanz und/oder Teillastverhalten.Advantageously, a second oxygen-enriched fraction is withdrawn from the at least one rectification column and expanded from the column pressure to the or a further intermediate pressure and then recompressed to the column pressure. At least temporarily, at least two cold compressors are used for recompression, these being the cold compressors respectively coupled to the aforementioned at least two expansion machines. In contrast to conventional SPECTRA methods, the invention thus also proposes the parallel use of a plurality of devices according to an advantageous embodiment. Also with regard to these cold compressors, the advantages explained above with regard to redundancy and / or partial load behavior result.

Die bei der Entspannung frei werdende Energie kann daher vorteilhafterweise zumindest teilweise zur Rückverdichtung verwendet werden. In der Regel wird die bei der Entspannung von dem Zwischendruck auf den Enddruck freiwerdende Energie dabei, abzüglich der über die Ölbremse entnommenen Leistung und von Verlusten, dem jeweiligen Kaltverdichter zugeführt.The energy released during the relaxation can therefore advantageously be used at least partially for recompression. As a rule, the energy released during the expansion from the intermediate pressure to the final pressure, minus the power taken from the oil brake and from losses, is supplied to the respective cold compressor.

Eine mechanische Verbindung, die jeweils zwischen Kaltverdichter und Entspannungsmaschine vorgesehen ist, kann eine Bremseinrichtung umfassen, die beispielsweise als Ölbremse ausgebildet sein kann. Die Leistung der Bremseinrichtung dient der Deckung der Kältebilanz. Sind nur mit Kaltverdichtern gekoppelte Entspannungsmaschinen vorgesehen, werden in der Regel Ölbremsen verwendet. Zusätzlich können jedoch eine oder mehrere Entspannungsmaschinen vorgesehen sein, die mit einer anderen Bremseinrichtung, z.B. einem Generator, wie zuvor erwähnt und nachfolgend noch erläutert, ausgerüstet sind.A mechanical connection, which is provided in each case between the cold compressor and expansion machine, may comprise a braking device, which may be designed, for example, as an oil brake. The performance of the braking device serves to cover the cold balance. Are provided with cold compressors coupled relaxation machines, oil brakes are usually used. In addition, however, one or more relaxation machines may be provided which may be equipped with another braking device, e.g. a generator, as previously mentioned and explained below, are equipped.

Wird zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck zumindest zeitweise wenigstens eine weitere Entspannungsmaschine verwendet, die mit einem Generator mechanisch gekoppelt ist, kann weitere Energie zurückgewonnen werden, die z.B. zur Kühlung oder Verdichtung eingesetzt werden kann. Auch die weitere Entspannungsmaschine kann bei Bedarf zugeschaltet und/oder dauerhaft betrieben werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer solchen Anordnung immer dann, wenn zumindest zeitweise der Kältebedarf nicht durch eine oder mehrere Ölbremsen (pro Entspannungsmaschine) gedeckt werden kann. Wie oben erwähnt, ist die Leistung bekannter Ölbremsen begrenzt. Eine Generatorturbine kann dauerhaft betrieben und zur Deckung der Kältebilanz verwendet werden. Hierdurch kann Energie genutzt werden, die über die Ölbremse "vernichtet", d.h. in Wärme umgesetzt werden würde.If, for the purpose of relaxing the first oxygen-enriched fraction from the intermediate pressure to the final pressure, at least one further expansion machine is used at least temporarily, which is mechanically coupled to a generator, it is possible to recover further energy, e.g. can be used for cooling or compression. The further expansion machine can be switched on when needed and / or operated permanently. Particularly advantageous is the use of such an arrangement whenever at least temporarily the refrigeration demand can not be covered by one or more oil brakes (per expansion machine). As mentioned above, the performance of known oil brakes is limited. A generator turbine can be operated permanently and used to cover the cold balance. As a result, it is possible to use energy which is "destroyed" by the oil brake, i. would be converted into heat.

Vorteilhaft kann auch sein, zur Entspannung der ersten und/oder der zweiten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Säulendruck auf den Zwischendruck oder den Zwischendruck und den weiteren Zwischendruck, wie erläutert, wenigstens einen Kondensatorverdampfer zu verwenden. Dieser ist insbesondere als Kopfkondensator ausgebildet.It can also be advantageous to use at least one condenser evaporator to relax the first and / or the second oxygen-enriched fraction from the column pressure to the intermediate pressure or the intermediate pressure and the further intermediate pressure, as explained. This is designed in particular as a head capacitor.

Dies ist insbesondere zur Kühlung einer stickstoffreichen Fraktion vorteilhaft, die ebenfalls der Rektifikationskolonne entnommen werden kann. Eine entsprechende stickstoffreiche Fraktion kann nach Kühlung in dem Kondensator und gegebenenfalls Verflüssigung der Luftzerlegungsanlage entnommen werden.This is particularly advantageous for cooling a nitrogen-rich fraction, which can also be removed from the rectification column. A corresponding nitrogen-rich fraction can be removed after cooling in the condenser and optionally liquefaction of the air separation plant.

Eine erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage ist zur Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens eingerichtet. Wenigstens einer Rektifikationskolonne der Luftzerlegungsanlage kann dabei zumindest eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen werden und von einem Säulendruck auf einen Zwischendruck und von dem Zwischendruck auf einen Enddruck entspannt werden. Die Luftzerlegungsanlage weist wenigstens zwei Entspannungsmaschinen auf, die zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck eingerichtet und jeweils mit einem Kaltverdichter gekoppelt sind. Die Luftzerlegungsanlage profitiert von den zuvor erläuterten Vorteilen, so dass auf diese ausdrücklich verwiesen werden kann.An air separation plant according to the invention is set up to carry out the method explained above. At least one rectification column of the air separation plant can at least be taken from a first oxygen-enriched fraction and expanded from a column pressure to an intermediate pressure and from the intermediate pressure to a final pressure. The air separation plant has at least two expansion machines, which are set up to relax the first oxygen-enriched fraction from the intermediate pressure to the final pressure and are each coupled to a cold compressor. The air separation plant benefits from the advantages explained above, so that it can be expressly referred to.

Die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Figuren gezeigt und werden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.The invention and preferred embodiments of the invention are shown in the attached figures and will be explained in more detail with reference to the figures.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

  • Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß dem Stand der Technik.
  • Figur 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Brief description of the drawings
  • FIG. 1 shows an air separation plant according to the prior art.
  • FIG. 2 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention.

In den Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird verzichtet.In the figures, the same or corresponding elements are indicated by identical reference numerals. A repeated explanation is omitted.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß dem Stand der Technik schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Luftzerlegungsanlage 100 ist zur Tieftemperaturzerlegung von Luft nach dem SPECTRA-Verfahren eingerichtet.In FIG. 1 an air separation plant according to the prior art is shown schematically and designated 100 in total. The air separation plant 100 is designed for the cryogenic separation of air according to the SPECTRA method.

Die Luftzerlegungsanlage 100 weist einen Hauptwärmetauscher 1 und eine Rektifikationskolonne 2 auf. Der Hauptwärmetauscher 1 verfügt über ein sogenanntes warmes Ende 11 und ein sogenanntes kaltes Ende 12. Der Hauptwärmetauscher 1 kann auch aus mehreren einzelnen Wärmetauschern oder Wärmetauscherblöcken zusammengesetzt sein und bildet in diesem Fall einen Hauptwärmetauscherkomplex. Die Rektifikationskolonne 2 weist einen Kopfbereich 21 und einen Bodenbereich 22 auf.The air separation plant 100 has a main heat exchanger 1 and a rectification column 2. The main heat exchanger 1 has a so-called warm end 11 and a so-called cold end 12. The main heat exchanger 1 may also be composed of a plurality of individual heat exchangers or heat exchanger blocks and forms in this case a main heat exchanger complex. The rectification column 2 has a head region 21 and a bottom region 22.

In bekannter Weise auf einen Druck von 6 bis 20 bar, beispielsweise 9 bar, verdichtete und vorgereinigte Luft A wird über ein Ventil 101 über Leitungen a und b vom warmen Ende 11 zum kalten Ende 12 durch den Hauptwärmetauscher 1 geführt. Die Luft A wird hierdurch auf eine für die Rektifikation geeignete Temperatur abgekühlt, die normalerweise an oder nahe ihrem Taupunkt liegt. Sie wird hierdurch teilweise verflüssigt.In a known manner to a pressure of 6 to 20 bar, for example 9 bar, compressed and pre-cleaned air A is passed through a valve 101 via lines a and b from the hot end 11 to the cold end 12 through the main heat exchanger 1. The air A is thereby cooled to a temperature suitable for rectification, which is normally at or near its dew point. It is thereby partially liquefied.

Die Luft A wird anschließend in die Rektifikationskolonne 2 eingespeist und dort in üblicher Weise rektifiziert. Die Einspeisung der Luft A erfolgt beispielsweise einige praktische oder theoretische Böden oberhalb des Bodenbereichs 22. Der Betriebsdruck der Rektifikationskolonne 2, im Rahmen dieser Anmeldung als "Säulendruck" bezeichnet beträgt 6 bis 20 bar, beispielsweise 9 bar. Bodenseitig der Rektifikationskolonne 2 können dieser sauerstoffangereicherte, flüssige Fraktionen, kopfseitig stickstoffangereicherte gasförmige Fraktionen entnommen werden. Eine stickstoffangereicherte Fraktion kann der Rektifikationskolonne 2 beispielsweise über eine Leitung c, eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion über eine Leitung e und eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion über eine Leitung d entnommen werden. Der Grad der Sauerstoffanreicherung richtet sich nach der Entnahmehöhe. Wie erläutert, können die im Rahmen dieser Anmeldung verwendeten sauerstoffangereicherten Fraktionen auch in gleicher Höhe oder gemeinsam entnommen werden.The air A is then fed into the rectification column 2 and rectified there in the usual way. The feeding of the air A takes place, for example, some practical or theoretical plates above the bottom portion 22. The operating pressure of the rectification column 2, referred to in this application as "column pressure" is 6 to 20 bar, for example 9 bar. On the bottom side of the rectification column 2, these oxygen-enriched, liquid fractions, head-side nitrogen-enriched gaseous fractions can be removed. A nitrogen-enriched fraction can be taken from the rectification column 2 via a line c, a first oxygen-enriched fraction via a line e and a second oxygen-enriched fraction via a line d. The degree of oxygenation depends on the extraction level. As explained, the oxygen-enriched fractions used in the context of this application can also be taken at the same level or together.

Die sauerstoffangereicherten Fraktionen können am kalten Ende 12 durch den Hauptwärmetauscher 1 geführt und unterkühlt werden. Anschließend können die Fraktionen über Leitungen g und f einem als Kopfkondensator 3 ausgebildeten Kondensatorverdampfer zugeführt und dort verdampft werden. Über Entspannungsventile 111 und 112 werden die Fraktionen zuvor auf einen Zwischendruck von 2 bis 9 bar, beispielsweise 4 bar, entspannt. Die Leitungen e und d können auch ohne den gezeigten Umweg über den Hauptwärmetauscher 1 direkt in den Kopfkondensator 3 geführt sein. Auch andere Varianten sind möglich. So kann zunächst nur eine sauerstoffangereicherte Fraktion der Rektifikationskolonne 2 entnommen und verdampft werden. Diese Fraktion kann anschließend in die erste und die zweite sauerstoffangereicherte Fraktion aufgeteilt werden.The oxygen-enriched fractions can be guided at the cold end 12 through the main heat exchanger 1 and supercooled. Subsequently, the fractions can be fed via lines g and f to a condenser evaporator designed as a top condenser 3 and vaporized there. By means of expansion valves 111 and 112, the fractions are previously expanded to an intermediate pressure of 2 to 9 bar, for example 4 bar. The lines e and d can be performed without the detour shown on the main heat exchanger 1 directly into the top condenser 3. Other variants are possible. Thus, initially only one oxygen-enriched fraction the rectification column 2 are removed and evaporated. This fraction can then be divided into the first and the second oxygen-enriched fraction.

Die erste sauerstoffangereicherte Fraktion wird nach der Verdampfung über eine Leitung I gasförmig dem Hauptwärmetauscher 1 zugeführt und dort auf eine Zwischentemperatur angewärmt. Über eine Leitung m kann zumindest ein Teil der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion anschließend einer Entspannungsmaschine 5, die als Turboexpander (Boosterturbine) ausgebildet sein kann, zugeführt und dort arbeitsleistend auf beispielsweise ca. 300 mbar über Atmosphärendruck entspannt werden.After evaporation, the first oxygen-enriched fraction is fed in gaseous form to the main heat exchanger 1 via a line I, where it is heated to an intermediate temperature. Via a line m, at least part of the first oxygen-enriched fraction can subsequently be fed to a relaxation machine 5, which can be in the form of a turboexpander (booster turbine), where it can be expanded to over 300 mbar above atmospheric pressure, for example.

Ein weiterer Teil der bei der Zwischentemperatur dem Hauptwärmetauscher entnommenen ersten sauerstoffangereicherten Fraktion kann bei Bedarf alternativ oder zusätzlich über ein Ventil 104 entspannt werden.A further part of the first oxygen-enriched fraction removed from the main heat exchanger at the intermediate temperature may, if required, be expanded alternatively or additionally via a valve 104.

Die über die Entspannungsmaschine 5 oder das Ventil 104 entspannte erste sauerstoffangereicherte Fraktion wird anschließend über Leitungen n und o vom kalten Ende 12 zum warmen Ende 11 durch den Hauptwärmetauscher 1 geführt und erwärmt. Eine entsprechend erwärmte Fraktion B kann beispielsweise an die Atmosphäre abgeblasen und/oder, gegebenenfalls nach einer weiteren Erwärmung, als Regeneriergas in einer Reinigungseinrichtung für die Luft A verwendet werden.The first oxygen-enriched fraction which has been expanded by means of the expansion machine 5 or the valve 104 is then guided through the main heat exchanger 1 via lines n and o from the cold end 12 to the warm end 11 and heated. A suitably heated fraction B can for example be blown off to the atmosphere and / or, if appropriate after further heating, used as regeneration gas in a cleaning device for the air A.

Nach der Verdampfung wird die zweite sauerstoffangereicherte Fraktion über eine oder mehrere Leitungen h gasförmig einem Kaltverdichter 4 zugeführt und dort auf etwa den genannten Säulendruck der Rektifikationskolonne 2 rückverdichtet. Nach der Rückverdichtung wird die zweite sauerstoffangereicherte Fraktion über Leitungen i und k im Hauptwärmetauscher 1 erneut auf etwa die Betriebstemperatur der Rektifikationskolonne 2 rückgekühlt und bodenseitig über ein Ventil 102 in diese eingespeist. Ein gasförmiger Anteil kann auch über eine gestrichelt dargestellte Leitung und ein weiteres Ventil 103 in den Kaltverdichter 4 zur Pumpverhütung zurückgeführt werden, dabei handelt es sich um den sogenannten Boosterbypass.After evaporation, the second oxygen-enriched fraction is supplied via one or more h lines gaseously to a cold compressor 4 and recompressed there to about the said column pressure of the rectification column 2. After recompression, the second oxygen-enriched fraction is recooled via lines i and k in the main heat exchanger 1 again to approximately the operating temperature of the rectification column 2 and fed to the bottom side via a valve 102 in this. A gaseous portion can also be returned via a line shown in dashed lines and another valve 103 in the cold compressor 4 for pump prevention, this is the so-called Boosterbypass.

Die Entspannungsmaschine 5 kann über eine Bremseinrichtung 6 mechanisch mit dem Kaltverdichter 4 verbunden sein. Die Bremseinrichtung 6 kann beispielsweise als Ölbremse ausgebildet sein.The expansion machine 5 may be mechanically connected to the cold compressor 4 via a braking device 6. The braking device 6 may be formed, for example, as an oil brake.

Die im Kopfbereich 21 der Rektifikationskolonne 2 entnommene stickstoffangereicherte gasförmige Fraktion kann zu einem Teil über die Leitungen p und q vom kalten Ende 12 zum warmen Ende 11 durch den Hauptwärmetauscher 1 geführt werden. Über ein Ventil 105 kann der Anlage 100 damit gasförmiger Stickstoff C entnommen werden.The nitrogen-enriched gaseous fraction withdrawn in the head region 21 of the rectification column 2 can be led in part via the lines p and q from the cold end 12 to the warm end 11 through the main heat exchanger 1. Via a valve 105, the system 100 can thus be taken from gaseous nitrogen C.

Ein weiterer Teil der stickstoffangereicherten Fraktion kann über Leitungen r und s durch den Kopfkondensator 3 geführt und dort mit der aus der Verdampfung der ersten und der zweiten sauerstoffreichen Fraktion stammenden Verdunstungskälte abgekühlt werden. Anschließend wird ein Teil des flüssigen abgekühlten Stromes einem Wärmetauscher 9 zugeführt und im Gegenstrom zu einem über ein Ventil 106 entspannten Anteil hiervon weiter abgekühlt. Über eine Leitung u und ein Ventil 107 kann auf diese Weise der Anlage 100 ein flüssiges Stickstoffprodukt D entnommen werden. Ein mittels des Ventils 106 entspannter Anteil kann ebenfalls der Leitung n zugeführt und wie zuvor erläutert verwendet werden. Über eine Leitung t kann ein Teil der in dem Kopfkondensator 3 gekühlten Fraktion in den Kopfbereich 21 der Trennkolonne 2 rückgespeist werden.Another portion of the nitrogen-enriched fraction can be passed through the top condenser 3 via lines r and s and cooled there with the evaporative cooling resulting from the evaporation of the first and second oxygen-rich fractions. Subsequently, a portion of the liquid cooled stream is fed to a heat exchanger 9 and further cooled in countercurrent to a relaxed over a valve 106 portion thereof. Via a line u and a valve 107 can in this way the plant 100, a liquid nitrogen product D are removed. A relaxed by means of the valve 106 portion can also be supplied to the line n and used as previously explained. Via a line t, part of the fraction cooled in the top condenser 3 can be fed back into the head region 21 of the separating column 2.

Ein weiteres Ventil 108 und eine Leitung v können vorgesehen sein, worüber nicht unterkühlter flüssiger Stickstoff als Produkt dem System entnommen werden kann. Über eine Leitung w und ein Ventil 109 kann in eine gasförmige Spülfraktion F aus der Leitung h an die Atmosphäre abgeblasen werden.Another valve 108 and a conduit v may be provided, over which non-supercooled liquid nitrogen may be withdrawn as product from the system. Via a line w and a valve 109 can be blown off into a gaseous flushing fraction F from the line h to the atmosphere.

Die Leitung x kann zum Einspeisen von flüssigem Stickstoff G über ein Ventil 110 verwendet werden. Weitere Ventile 111 und 112 dienen zur Druckreduzierung der Fluidströme in den jeweiligen Leitungen f und g.The line x can be used for feeding liquid nitrogen G via a valve 110. Further valves 111 and 112 serve to reduce the pressure of the fluid flows in the respective lines f and g.

In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Luftzerlegungsanlage 10 verfügt über die Komponenten der Luftzerlegungsanlage 100.In FIG. 2 an air separation plant according to a particularly preferred embodiment of the invention is shown schematically and designated 10 in total. The air separation plant 10 has the components of the air separation plant 100.

Anstelle lediglich eines Kaltverdichters 4 sowie nur einer mit diesem gekoppelten Entspannungsmaschine 5 und nur einer entsprechenden Bremseinrichtung 6 sind gemäß der Ausführungsform der Erfindung zwei Kaltverdichter 4, zwei Entspannungsmaschinen 5 und zwei Bremseinrichtungen 6 vorgesehen. Die zwei Kaltverdichter 4 und die zwei Entspannungsmaschinen 5 sind in der dargestellten Weise gekoppelt. Auch mehrere entsprechende Einheiten können vorgesehen sein. Diese können baulich identisch oder abweichend zueinander ausgebildet sein. Über die Leitung m oder entsprechende Abzweige können den Entspannungsmaschinen 5 gleiche oder unterschiedlich einstellbare Ströme der dem Hauptwärmetauscher 1 bei der Zwischentemperatur entnommenen zweiten sauerstoffangereicherten Fraktion zugeführt werden. Gleiches gilt für die über die Leitung h zugeführte erste sauerstoffreiche Fraktion und die Kaltverdichter 4.Instead of only one cold compressor 4 and only one relaxation machine 5 coupled thereto and only one respective braking device 6, two cold compressors 4, two expansion machines 5 and two brake devices 6 are provided according to the embodiment of the invention. The two cold compressors 4 and the two expansion machines 5 are coupled as shown. Also several corresponding units can be provided. These may be structurally identical or deviating from each other. Via the line m or corresponding branches, the expansion machines 5 can be supplied with the same or differently adjustable streams of the second oxygen-enriched fraction removed from the main heat exchanger 1 at the intermediate temperature. The same applies to the first oxygen-rich fraction fed via the line h and the cold compressors 4.

Wie erläutert, wird durch die Bereitstellung mehrerer Kaltverdichter 4 mit diesen jeweils zugeordneten Entspannungsmaschinen 5 und entsprechenden Bremseinrichtungen 6 ein Teillastverhalten der Anlage 10 signifikant verbessert. Ferner kommt es zu einer Verbesserung im Betrieb bei unterschiedlichen Gas-/Flüssigsituationen.As explained, by providing a plurality of cold compressors 4 with these respectively associated expansion machines 5 and corresponding brake devices 6, a partial load behavior of the system 10 is significantly improved. Furthermore, there is an improvement in operation in different gas / liquid situations.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich bei Bereitstellung einer weiteren Entspannungsmaschine 7, der ein weiterer Teil der bei der Zwischentemperatur dem Hauptwärmetauscher entnommenen zweiten sauerstoffangereicherten Fraktion über die Leitung m zugeführt werden kann. Die weitere Entspannungsmaschine 7 kann beispielsweise mit einem Generator 8 mechanisch gekoppelt sein. Über den Generator 8 kann hierbei bei der Entspannung freiwerdende Leistung rückgewonnen werden.A further improvement results when providing a further expansion machine 7, which can be supplied via the line m, a further part of the extracted at the intermediate temperature of the main heat exchanger second oxygen-enriched fraction. The further expansion machine 7 may be mechanically coupled to a generator 8, for example. About the generator 8 can be recovered here in the relaxation released power.

Claims (10)

Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft (A), bei dem die Luft (A) verdichtet, abgekühlt und in wenigstens einer Rektifikationskolonne (2) rektifiziert wird, wobei der wenigstens einen Rektifikationskolonne (2) zumindest eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen und von einem Säulendruck auf einen Zwischendruck und von dem Zwischendruck auf einen Enddruck entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck zumindest zeitweise wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter (4) gekoppelte Entspannungsmaschinen (5) verwendet werden.Process for the low-temperature decomposition of air (A), in which the air (A) is compressed, cooled and rectified in at least one rectification column (2), wherein the at least one rectification column (2) at least a first oxygen-enriched fraction removed and from a column pressure to a Intermediate pressure and from the intermediate pressure to a final pressure is relaxed, characterized in that for relaxation of the first oxygen-enriched fraction of the intermediate pressure to the final pressure at least temporarily at least two each with a cold compressor (4) coupled relaxation machines (5) are used. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter (4) gekoppelten Entspannungsmaschinen (5) zumindest zeitweise mit identischen Ein- und Austrittstemperaturen und/oder -drücken betrieben werden.The method of claim 1, wherein the at least two each with a cold compressor (4) coupled expansion machines (5) are operated at least temporarily with identical inlet and outlet temperatures and / or pressures. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die wenigstens zwei jeweils mit einem Kaltverdichter (4) gekoppelten Entspannungsmaschinen (5) wahlweise abwechselnd oder gleichzeitig betrieben werden.Method according to Claim 1 or 2, in which the at least two expansion machines (5), each coupled to a cold compressor (4), are operated either alternately or simultaneously. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Säulendruck ein Druck von 6 bis 20 bar, beispielsweise von 9 bar, als Zwischendruck ein Druck von 2 bis 9 bar, beispielsweise von 4 bar und/oder als Enddruck ein Druck von 0,5 bis 1,5 bar, beispielsweise von 1,3 bar, verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, in which the column pressure is a pressure of 6 to 20 bar, for example 9 bar, as intermediate pressure a pressure of 2 to 9 bar, for example 4 bar and / or a final pressure of 0.5 to 1.5 bar, for example, of 1.3 bar, are used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der wenigstens einen Rektifikationskolonne (2) eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen und von dem Säulendruck auf den oder einen weiteren Zwischendruck entspannt und anschließend auf den Säulendruck rückverdichtet wird, wobei zum Rückverdichten zumindest zeitweise wenigstens zwei der Kaltverdichter (4), die jeweils mit den wenigstens zwei Entspannungsmaschinen (5) gekoppelt sind, verwendet werden.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the at least one rectification column (2) removed a second oxygen-enriched fraction and expanded from the column pressure to the or a further intermediate pressure and then recompressed to the column pressure, wherein at least temporarily re-compressing at least two of the Cold compressor (4), which are each coupled to the at least two expansion machines (5) can be used. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Entspannungsmaschine über eine Bremseinrichtung (6) mit einem Kaltverdichter gekoppelt ist.Method according to one of the preceding claims, in which at least one expansion machine is coupled to a cold compressor via a braking device (6). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck zumindest zeitweise wenigstens eine weitere Entspannungsmaschine (7) verwendet wird, die mit einem Generator (8) mechanisch verbunden ist.Method according to one of the preceding claims, wherein for the relaxation of the first oxygen-enriched fraction from the intermediate pressure to the final pressure at least temporarily another at least one expansion machine (7) is used, which is mechanically connected to a generator (8). Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die erste und/oder die zweite sauerstoffangereicherte Fraktion nach der Entspannung von dem Säulendruck auf den Zwischendruck oder den Zwischendruck und den weiteren Zwischendruck in wenigstens einem Kondensatorverdampfer (3) verdampft wird.Method according to one of claims 4 to 7, wherein the first and / or the second oxygen-enriched fraction after the relaxation of the column pressure to the intermediate pressure or the intermediate pressure and the further intermediate pressure in at least one condenser evaporator (3) is evaporated. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Rektifikationskolonne (2) ferner zumindest eine stickstoffreiche Fraktion entnommen und in dem wenigstens einen Kondensatorverdampfer (3) gekühlt wird.A process according to claim 8, wherein the rectification column (2) is further withdrawn from at least one nitrogen-rich fraction and cooled in the at least one condenser evaporator (3). Luftzerlegungsanlage (10), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist, wobei wenigstens einer Rektifikationskolonne (2) der Luftzerlegungsanlage (10) zumindest eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion entnehmbar ist und von einem Säulendruck auf einen Zwischendruck und von dem Zwischendruck auf einen Enddruck entspannt werden kann, wobei die Luftzerlegungsanlage (10) wenigstens zwei Entspannungsmaschinen (5) vorgesehen sind, die zur Entspannung der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion von dem Zwischendruck auf den Enddruck eingerichtet und jeweils mit einem Kaltverdichter (4) gekoppelt sind.Air separation plant (10), which is adapted to carry out a method according to one of the preceding claims, wherein at least one rectification column (2) of the air separation plant (10) at least a first oxygen-enriched fraction is removable and from a column pressure to an intermediate pressure and from the intermediate pressure to a End pressure can be relaxed, wherein the air separation plant (10) at least two expansion machines (5) are provided which are set to relax the first oxygen-enriched fraction of the intermediate pressure to the final pressure and each coupled to a cold compressor (4).
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