EP2963367A1 - Method and device for cryogenic air separation with variable power consumption - Google Patents

Method and device for cryogenic air separation with variable power consumption Download PDF

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EP2963367A1
EP2963367A1 EP14002307.8A EP14002307A EP2963367A1 EP 2963367 A1 EP2963367 A1 EP 2963367A1 EP 14002307 A EP14002307 A EP 14002307A EP 2963367 A1 EP2963367 A1 EP 2963367A1
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EP
European Patent Office
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pressure
stream
compressor
air
compressed
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14002307.8A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dimitri Goloubev
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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    • F25J3/04666Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system
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    • F25J2240/00Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/40Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
    • F25J2240/42Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being air
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    • F25J2245/00Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/50Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur variablen Gewinnung eines Druckgasprodukts (72; 73) mittels Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System, das eine Hochdrucksäule (21) und eine Niederdrucksäule (22) aufweist. Die gesamte Einsatzluft wird in einem Hauptluftverdichter (2) auf einen ersten Druck verdichtet, der mindestens 4 bar höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (21) ist. Ein erster Teilstrom (8, 11, 14) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft (7) wird in einem Hauptwärmetauscher (13) auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und in einer ersten Luftturbine (15) arbeitsleistend entspannt und in das Destillationssäulen-System eingeleitet (40; 18, 19, 20). Ein zweiter Teilstrom (12, 27, 29, 30) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft wird in einem ersten Nachverdichter (9) nachverdichtet, in dem Hauptwärmetauscher (13) abgekühlt und anschließend entspannt (31) und in das Destillationssäulen-System eingeleitet. Ein erster Produktstrom (69; 75) wird flüssig aus dem Destillationssäulen-System entnommen, einer Druckerhöhung (71; 76) auf einen ersten Produktdruck unterworfen, im Hauptwärmetauscher (13) verdampft oder pseudo-verdampft und angewärmt und als erstes Druckgasprodukt (GOX IC; GAN IC) gewonnen. Ein erster Prozessstrom wird in einem mehrstufigen Verdichter (2; 57/59) von einem Eintrittsdruck auf einen Enddruck verdichtet. Mindestens zeitweise wird ein zweiter Prozessstrom (65; 180) stromabwärts der ersten Stufe des mehrstufigen Verdichters (2; 57/59) mit dem ersten Prozessstrom vermischt. In einem ersten Betriebsmodus wird eine erste Menge an erstem Druckgasprodukt gewonnen und in einem zweiten Betriebsmodus eine zweite, geringer Menge. In dem ersten Betriebsmodus wird einer erste Menge des zweiten Prozessstroms (65; 180), die auch Null sein kann, in dem mehrstufigen Verdichter (2; 57/59) verdichtet, im zweiten Betriebsmodus eine zweite, größere Menge.The method and apparatus are for variable recovery of a compressed gas product (72; 73) by cryogenic separation of air in a distillation column system having a high pressure column (21) and a low pressure column (22). The total feed air is compressed in a main air compressor (2) to a first pressure which is at least 4 bar higher than the operating pressure of the high-pressure column (21). A first partial flow (8, 11, 14) of the feed air (7) compressed in the main air compressor (2) is cooled to an intermediate temperature in a main heat exchanger (13) and expanded in a first air turbine (15) to perform work in the distillation column system ( 40, 18, 19, 20). A second partial flow (12, 27, 29, 30) of the feed air compressed in the main air compressor (2) is recompressed in a first after-compressor (9), cooled in the main heat exchanger (13) and then expanded (31) and introduced into the distillation column system , A first product stream (69; 75) is withdrawn liquid from the distillation column system, subjected to a pressure increase (71; 76) to a first product pressure, evaporated in the main heat exchanger (13) or pseudo-vaporized and warmed and used as the first compressed gas product (GOX IC; GAN IC) won. A first process stream is compressed in a multi-stage compressor (2; 57/59) from an inlet pressure to a final pressure. At least temporarily, a second process stream (65; 180) downstream of the first stage of the multi-stage compressor (2; 57/59) is mixed with the first process stream. In a first mode of operation, a first quantity of first compressed gas product is obtained and in a second mode of operation a second, smaller quantity. In the first mode of operation, a first amount of the second process stream (65; 180), which may also be zero, is compressed in the multi-stage compressor (2; 57/59), in the second mode of operation a second, larger amount.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur variablen Gewinnung eines Druckgasprodukts mittels Tieftemperaturzerlegung von Luft.The invention relates to a method and apparatus for variable recovery of a compressed gas product by cryogenic separation of air.
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt.Methods and devices for the cryogenic separation of air are, for example, Hausen / Linde, Cryogenics, 2nd edition 1985, chapter 4 (pages 281 to 337 ) known.
  • Das Destillationssäulen-System einer solchen Anlage kann als Zwei-Säulen-System (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem) ausgebildet sein, oder auch als Drei- oder Mehr-Säulen-System. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung hoch reiner Produkte und/oder anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung und/oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.The distillation column system of such a system can be designed as a two-column system (for example as a classic Linde double column system), or as a three or more column system. It may in addition to the columns for nitrogen-oxygen separation, further devices for obtaining highly pure products and / or other air components, in particular of noble gases have, for example, an argon production and / or a krypton-xenon recovery.
  • Bei dem Prozess wird im Rahmen einer "Innenverdichtung" ein flüssig auf Druck gebrachter Produktstrom gegen einen Wärmeträger verdampft und schließlich als innenverdichtetes Druckgasprodukt gewonnen. Diese Methode wird auch als Innenverdichtung bezeichnet. Sie dient zur Gewinnung von gasförmigem Druckprodukt. Für den Fall eines überkritischen Drucks findet kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne statt, der Produktstrom wird dann "pseudo-verdampft". Bei dem Produktstrom kann es sich beispielsweise um ein Sauerstoffprodukt aus der Niederdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems oder um ein Stickstoffprodukt aus der Hochdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems beziehungsweise aus dem Verflüssigungsraum eines Hauptkondensators handeln, über den Hochdrucksäule und Niederdrucksäule in wärmetauschender Verbindung stehenIn the process, as part of an "internal compression", a product stream brought to liquid pressure is vaporized against a heat carrier and finally recovered as an internally compressed compressed gas product. This method is also called internal compression. It serves to obtain gaseous printed product. In the case of a supercritical pressure, no phase transition takes place in the true sense, the product stream is then "pseudo-evaporated". The product stream may be, for example, an oxygen product from the low-pressure column of a two-column system or a nitrogen product from the high-pressure column of a two-column system or from the liquefaction space of a main condenser via which the high-pressure column and low-pressure column are in heat-exchanging connection
  • Gegen den (pseudo-)verdampfenden Produktstrom wird ein unter hohem Druck stehender Wärmeträger verflüssigt (beziehungsweise pseudo-verflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht). Der Wärmeträger wird häufig durch einen Teil der Luft gebildet, im vorliegenden Fall von dem "zweiten Teilstrom" der verdichteten Einsatzluft.Against the (pseudo) evaporating product stream, a high-pressure heat carrier is liquefied (or pseudo-liquefied when it is under supercritical pressure). The heat transfer medium is frequently replaced by a part of Air formed, in the present case of the "second partial flow" of the compressed feed air.
  • Innenverdichtungsverfahren sind zum Beispiel bekannt aus DE 830805 , DE 901542 (= US 2712738 / US 2784572 ), DE 952908 , DE 1103363 (= US 3083544 ), DE 1112997 (= US 3214925 ), DE 1124529 , DE 1117616 (= US 3280574 ), DE 1226616 (= US 3216206 ), DE 1229561 (= US 3222878 ), DE 1199293 , DE 1187248 (= US 3371496 ), DE 1235347 , DE 1258882 (= US 3426543 ), DE 1263037 (= US 3401531 ), DE 1501722 (= US 3416323 ), DE 1501723 (= US 3500651 ), DE 253132 (= US 4279631 ), DE 2646690 , EP 93448 B1 (= US 4555256 ), EP 384483 B1 (= US 5036672 ), EP 505812 B1 (= US 5263328 ), EP 716280 B1 (= US 5644934 ), EP 842385 B1 (= US 5953937 ), EP 758733 B1 (= US 5845517 ), EP 895045 B1 (= US 6038885 ), DE 19803437 A1 , EP 949471 B1 (= US 6185960 B1 ), EP 955509 A1 (= US 6196022 B1 ), EP 1031804 A1 (= US 6314755 ), DE 19909744 A1 , EP 1067345 A1 (= US 6336345 ), EP 1074805 A1 (= US 6332337 ), DE 19954593 A1 , EP 1134525 A1 (= US 6477860 ), DE 10013073 A1 , EP 1139046 A1 , EP 1146301 A1 , EP 1150082 A1 , EP 1213552 A1 , DE 10115258 A1 , EP 1284404 A1 (= US 2003051504 A1 ), EP 1308680 A1 (= US 6612129 B2 ), DE 10213212 A1 , DE 10213211 A1 , EP 1357342 A1 oder DE 10238282 A1 DE 10302389 A1 , DE 10334559 A1 , DE 10334560 A1 , DE 10332863 A1 , EP 1544559 A1 , EP 1585926 A1 , DE 102005029274 A1 EP 1666824 A1 , EP 1672301 A1 , DE 102005028012 A1 , WO 2007033838 A1 , WO 2007104449 A1 , EP 1845324 A1 , DE 102006032731 A1 , EP 1892490 A1 , DE 102007014643 A1 , A1, EP 2015012 A2 , EP 2015013 A2 , EP 2026024 A1 , WO 2009095188 A2 oder DE 102008016355 A1 .Internal compression methods are known, for example DE 830805 . DE 901542 (= US 2712738 / US 2784572 ) DE 952908 . DE 1103363 (= US 3,083,544 ) DE 1112997 (= US 3214925 ) DE 1124529 . DE 1117616 (= US 3280574 ) DE 1226616 (= US 3216206 ) DE 1229561 (= US 3222878 ) DE 1199293 . DE 1187248 (= US 3371496 ) DE 1235347 . DE 1258882 (= US 3426543 ) DE 1263037 (= US 3401531 ) DE 1501722 (= US 3,416,323 ) DE 1501723 (= US 3,500,651 ) DE 253132 (= US 4279631 ) DE 2646690 . EP 93448 B1 (= US 4555256 ) EP 384483 B1 (= US 5036672 ) EP 505812 B1 (= US 5263328 ) EP 716280 B1 (= US 5644934 ) EP 842385 B1 (= US 5953937 ) EP 758733 B1 (= US 5845517 ) EP 895045 B1 (= US 6038885 ) DE 19803437 A1 . EP 949471 B1 (= US 6,189,960 B1 ) EP 955509 A1 (= US 6196022 B1 ) EP 1031804 A1 (= US 6314755 ) DE 19909744 A1 . EP 1067345 A1 (= US 6336345 ) EP 1074805 A1 (= US 6332337 ) DE 19954593 A1 . EP 1134525 A1 (= US 6477860 ) DE 10013073 A1 . EP 1139046 A1 . EP 1146301 A1 . EP 1150082 A1 . EP 1213552 A1 . DE 10115258 A1 . EP 1284404 A1 (= US 2003051504 A1 ) EP 1308680 A1 (= US 6612129 B2 ) DE 10213212 A1 . DE 10213211 A1 . EP 1357342 A1 or DE 10238282 A1 DE 10302389 A1 . DE 10334559 A1 . DE 10334560 A1 . DE 10332863 A1 . EP 1544559 A1 . EP 1585926 A1 . DE 102005029274 A1 EP 1666824 A1 . EP 1672301 A1 . DE 102005028012 A1 . WO 2007033838 A1 . WO 2007104449 A1 . EP 1845324 A1 . DE 102006032731 A1 . EP 1892490 A1 . DE 102007014643 A1 , A1, EP 2015012 A2 . EP 2015013 A2 . EP 2026024 A1 . WO 2009095188 A2 or DE 102008016355 A1 ,
  • Die Erfindung betrifft insbesondere Systeme, bei denen die gesamte Einsatzluft auf einen Druck, der deutlich über dem höchsten Destillationsdruck, der im Inneren der Säulen des Destillationssäulen-Systems herrscht (im Normalfall ist dies der Hochdrucksäulendruck verdichtet wird. Solche Systeme werden auch als HAP-Prozesse bezeichnet (HAP - high air pressure). Dabei liegt der "erste Druck", also der Austrittsdruck des Hauptluftverdichters (MAC = main air compressor), in dem die Gesamtluft verdichtet wird, beispielsweise mehr als 4 bar, insbesondere 6 bis 16 bar über dem höchsten Destillationsdruck. Absolut liegt der "erste Druck" beispielsweise zwischen 17 und 25 bar. Bei HAP-Verfahren stellt der Hauptluftverdichter regelmäßig die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft dar. Unter einer "einzigen Maschine" wird hier ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter verstanden, dessen Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind, wobei alle Stufen in demselben Gehäuse untergebracht oder mit demselben Getriebe verbunden sind.More particularly, the invention relates to systems in which all of the feed air is at a pressure well above the highest distillation pressure prevailing inside the columns of the distillation column system (normally, this compresses the high pressure column pressure.) Such systems are also referred to as HAP processes In this case, the "first pressure", ie the outlet pressure of the main air compressor (MAC), in which the total air is compressed, is for example more than 4 bar, in particular 6 to 16 bar above that Absolutely, the "first pressure" is, for example, between 17 and 25 bar. In HAP processes, the main air compressor is regularly the only external-energy-driven machine for compressing air. A "single machine" is understood here to mean a single-stage or multistage compressor whose stages are all connected to the same drive, all stages being accommodated in the same housing or connected to the same gear.
  • Eine Alternative zu derartigen HAP-Verfahren stellen so genannte MAC-BAC-Verfahren dar, bei denen die Luft im Hauptluftverdichter auf einen relativ niedrigen Gesamtluftdruck verdichtet wird, zum Beispiel auf den Betriebsdruck der Hochdrucksäule (plus Leitungsverlusten). Ein Teil der Luft aus dem Hauptluftverdichter im einem mit externer Energie angetriebenen Luftnachverdichter (BAC = booster air compressor) auf einen höheren Druck verdichtet wird. Dieser Luftteil unter höherem Druck (häufig Drosselstrom genannt) liefert den Großteil der für die (Pseudo-)Verdampfung des innenverdichteten Produkts notwendige Wärme im Hauptwärmetauscher. Er wird stromabwärts des Hauptluftverdichter in einem Drosselventil oder in einer Flüssigturbine (DLE = dense liquid expander) auf den im Destillationssäulen-System benötigten Druck entspannt.An alternative to such HAP processes are so-called MAC-BAC processes, in which the air in the main air compressor is compressed to a relatively low total air pressure, for example the operating pressure of the high-pressure column (plus line losses). Part of the air from the main air compressor is compressed to a higher pressure in an external energy driven air booster (BAC). This higher pressure air component (often called the choke flow) provides the majority of the heat required for (pseudo) evaporation of the internally compressed product in the main heat exchanger. It is depressurised downstream of the main air compressor in a throttle valve or in a liquid turbine (DLE) to the pressure required in the distillation column system.
  • Vielfach zwingt ein schwankender Bedarf an innenverdichtetem Produkt dazu, eine Luftzerlegungsanlage auf variablen Betrieb mit variabler Druckgasproduktion auszulegen. Umgekehrt kann es sinnvoll sein, eine Luftzerlegungsanlage trotz konstanter oder im Wesentlichen konstanter Produktion variabel zu betreiben, indem verschiedene Betriebsweisen vorgesehen sind, die unterschiedlich hohen Energieverbrauch aufweisen.In many cases, a fluctuating demand for internally compressed product forces an air separation plant to be designed for variable operation with variable compressed gas production. Conversely, it may be useful to operate an air separation plant variable despite constant or substantially constant production by different modes of operation are provided, which have different levels of energy consumption.
  • Ein konkretes Beispiel für eine derartige Randbedingung ist die Lieferung von innenverdichtetem Sauerstoff (GOXIV) und gegebenenfalls weiteren gasförmigen und/oder flüssigen Produkten an einer Ethylenoxid-Produktionsanlage. Hier ist es oftmals der Fall, dass der Sauerstoff-Bedarf dem Katalysator-Zustand bei der EO-Produktion angepasst wird; er kann daher zwischen 100% und ca. 70% während der Katalysator-Lebensdauer (in der Regel um die 3 Jahre) variiert werden. Dabei ist es wesentlich, dass während dieser Zeit die Luftzerlegungsanlage ca. die gleichen Zeiten mit unterschiedlichen GOXIV-Produktmengen (zwischen 100% und ca. 70%) betrieben wird. Daher ist es wichtig, dass die Anlage nicht nur im Design-Fall mit 100% GOXIV, sondern auch in Unterlastfällen effizient betrieben wird. Diese Forderung wird noch dadurch erschwert, dass die Produktion von anderen Luftzerlegungsprodukten unabhängig vom GOXIV-Produkt ist; zum Beispiel kann der Bedarf an einem, mehreren oder allen anderen Luftzerlegungsprodukten unverändert bleiben, während die GOX-Produktion von 100 % auf etwa 70 % sinkt. Bei solchen "anderen Luftzerlegungsprodukten" und kann es sich beispielsweise um ein, mehrere oder alle der folgenden Produkte handeln:
    • Innenverdichtetes Stickstoffprodukt (GANIV)
    • Anderes gasförmiges Druckprodukt wie zum Beispiel gasförmig aus der Hochdrucksäule entnommener Druckstickstoff (HPGAN), der gegebenenfalls in einem Stickstoffverdichter weiter verdichtet wird.
    • Flüssigprodukt(e) wie flüssiger Sauerstoff, flüssiger Stickstoff und/oder flüssiges Argon.
    A concrete example of such a constraint is the delivery of internally compressed oxygen (GOXIV) and optionally other gaseous and / or liquid products to an ethylene oxide production plant. Here it is often the case that the oxygen demand is adapted to the catalyst state in EO production; it can therefore be varied between 100% and about 70% during the catalyst life (usually around 3 years). It is essential that during this time the air separation plant is operated for about the same times with different GOXIV product quantities (between 100% and about 70%). Therefore, it is important that the system is operated efficiently not only in the design case with 100% GOXIV, but also in under load cases. This requirement is made even more difficult by the fact that the production of other air separation products regardless of the GOXIV product; for example, the demand for one, several or all other air separation products may remain unchanged while GOX production decreases from 100% to about 70%. Such "other air separation products" may be, for example, one, several or all of the following products:
    • Internally compressed nitrogen product (GANIV)
    • Other gaseous pressure product such as compressed nitrogen (HPGAN) taken from the high-pressure column in gaseous form, which is optionally further compressed in a nitrogen compressor.
    • Liquid product (s) such as liquid oxygen, liquid nitrogen and / or liquid argon.
  • Mit einem konventionellen MAC-BAC-Verfahren ist diese Aufgabenstellung relativ gut zu bewerkstelligen , da beide Verdichter (MAC und BAC) für funktional getrennte Aufgaben zuständig sind. Der Hauptluftverdichter liefert im Prinzip nur die Einsatzluft für die Zerlegung; der Luftnachverdichter liefert Energie für die Innenverdichtung (GOXIV, GANIV) und für die Flüssigproduktion. Beide Maschinen können dabei in der Regel zwischen 70% und 100% relativ einfach geregelt werden.With a conventional MAC-BAC method, this task is relatively easy to accomplish since both compressors (MAC and BAC) are responsible for functionally separate tasks. The main air compressor provides in principle only the feed air for the decomposition; the air compressor delivers energy for internal compression (GOXIV, GANIV) and for liquid production. Both machines can be controlled relatively easily between 70% and 100%.
  • Bei einem HAP-Verfahren werden diese beiden Aufgaben (Lieferung von Zerlegungsluft und von Energie zur Innenverdichtung/Flüssigproduktion) mit einem einzigen Verdichter gelöst. Dabei kann es zu Situationen führen, dass bestimmte Betriebsfälle außerhalb des Verdichter-Kennfeldes liegen und nicht fahrbar sind. Der Gesamtenergiebedarf einer Luftzerlegungsanlage wird nicht nur durch das GOXIV-Produkt, sondern zu einem großen Teil durch Flüssigproduktion beziehungsweise durch andere innenverdichteten Produkte bestimmt. Für die Menge der Zerlegungsluft ist das GOXIV-Produkt aber oftmals bestimmend. Wird die GOXIV-Menge deutlich reduziert, wird auch deutlich weniger Zerlegungsluft in die Anlage gefahren. Damit wird aber auch deutlich weniger Energie ins System eingetragen, was unter Umständen nicht mehr für die gewünschte Produktion von anderen Produkten (Flüssigkeiten, GANIV etc.) ausreichen kann. Um trotz der deutlich geringeren Luftmenge genügend Energie zu liefern, muss der Verdichterdruck deutlich höher gefahren werden. Dies ist aber bei einem HAP-Verfahren nur bedingt machbar, weil
  1. a) das Maschinen-Kennfeld begrenzt ist und
  2. b) der Auslegungsdruck für den "warmen" Anlagenteil (Vorkühlung, Adsorber etc.) darf nicht überschritten werden darf.
In a HAP process, these two tasks (delivery of decomposition air and energy for internal compression / liquid production) are accomplished with a single compressor. This can lead to situations that certain operating cases are outside the compressor map and are not mobile. The total energy demand of an air separation plant is determined not only by the GOXIV product, but to a large extent by liquid production or other internally compressed products. However, the GOXIV product is often decisive for the amount of decomposition air. If the amount of GOXIV is significantly reduced, significantly less decomposition air is also fed into the system. However, significantly less energy is entered into the system, which under certain circumstances may no longer be sufficient for the desired production of other products (liquids, GANIV, etc.). In order to provide enough energy despite the significantly lower air volume, the compressor pressure must be increased significantly. However, this is only partially feasible with a HAP method because
  1. a) the engine map is limited and
  2. b) the design pressure for the "warm" part of the plant (pre-cooling, adsorber, etc.) must not be exceeded.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, welche die Vorteile von HAP-Verfahren mit einer Flexibilität zu verbinden, wie sie ähnlich bei MAC-BAC-Verfahren bekannt ist. Unter "Flexibilität" wird hier insbesondere verstanden, dass das System nicht nur bei einer bestimmten Produktionsmenge an innenverdichtetem Produkt energetisch günstig betrieben werden kann, sondern im einem relativ weiten Lastbereich bei ungefähr gleich bleibend geringem spezifischen Energieverbrauch. Dabei soll insbesondere die Produktion von anderen Luftzerlegungsprodukten gleich bleiben oder sich zumindest weniger stark als die Produktmenge des Innenverdichtungsprodukts ändern.The invention has for its object to provide a method and a corresponding device, which combine the advantages of HAP method with a flexibility, as is similar in MAC-BAC method known. "Flexibility" is understood here in particular that the system can be operated not only energetically favorable at a certain production amount of internally compressed product, but in a relatively wide load range at approximately constant low specific energy consumption. In particular, the production of other air separation products should remain the same or at least change less than the product quantity of the internal compaction product.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is solved by the features of patent claim 1.
  • Bei der Erfindung wird in dem zweiten Betriebsmodus ein Teil der Einsatzluftmenge oder eines stickstoffangereicherten Prozessstroms ("zweiter Prozessstrom") an der Niederdrucksäule beziehungsweise an dem gesamten Destillationssäulen-System vorbeigeleitet. Diese Menge nimmt dann nicht an der Erzeugung des ersten Produktstroms teil, kann aber trotzdem durch die erste Turbine geleitet werden, um damit genügend Kälte zu produzieren beziehungsweise genügend Energie ins System zu liefern, um die Flüssigproduktion aufrechterhalten zu können oder mindestens relativ weniger stark zu vermindern als die Menge der ersten Druckproduktion.In the invention, in the second mode of operation, a portion of the feed air amount or a nitrogen-enriched process stream ("second process stream") bypasses the low pressure column or the entire distillation column system, respectively. This amount then does not participate in the production of the first product stream, but can still be passed through the first turbine, so as to produce enough cold or to supply enough energy into the system to maintain liquid production, or at least relatively less as the amount of the first print production.
  • In einer ersten Variante der Erfindung wird ein Teil der Einsatzluft nicht in das Destillationssäulen-System eingeleitet, sondern in den Hauptluftverdichter zurückgeführt, indem
    • der mehrstufige Verdichter durch den Hauptluftverdichter,
    • der erste Prozessstrom durch die gesamte Einsatzluft und
    • der zweite Prozessstrom durch einen Teil des arbeitsleistend entspannten ersten Teilstroms der Einsatzluft
    gebildet werden.In a first variant of the invention, a portion of the feed air is not introduced into the distillation column system, but returned to the main air compressor by
    • the multi-stage compressor through the main air compressor,
    • the first process flow through the entire feed air and
    • the second process stream through a part of the work-performing relaxed first partial flow of the feed air
    be formed.
  • Die überschüssige Luft wird nicht in dass Destillationssäulen-System geleitet, sondern gleich nach Entspannung in der Turbine zurück in den Wärmetauscher geführt und anschließend ohne Abdrosselung an einer passenden Stelle (zum Beispiel nach der zweiten oder dritten Stufe) des Hauptluftverdichters eingespeist. Dadurch wird die notwendige Menge an "Überschuss"-Luft nicht vom atmosphärischen Druck, sondern beispielsweise von ca. 5 bar aus verdichtet, und es wird viel Energie gespart.The excess air is not directed into the distillation column system, but immediately after expansion in the turbine is fed back into the heat exchanger and then fed without throttling at an appropriate location (for example after the second or third stage) of the main air compressor. As a result, the necessary amount of "excess" air is not compressed by the atmospheric pressure but, for example, by about 5 bar, and a lot of energy is saved.
  • In einer zweiten Variante der Erfindung wird ein Teil des in der Hochdrucksäule gewonnenen Stickstoffs nicht in die Niederdrucksäule eingeleitet, sondern einem Stickstoffproduktverdichter zugeführt, indem
    • der mehrstufige Verdichter durch einen Stickstoffproduktverdichter,
    • der erste Prozessstrom durch einen ersten gasförmigen Stickstoffstrom aus der Niederdrucksäule und
    • der zweite Prozessstrom durch ersten gasförmigen Stickstoffstrom aus der Hochdrucksäule
    gebildet werden.In a second variant of the invention, a portion of the nitrogen obtained in the high-pressure column is not introduced into the low-pressure column, but fed to a nitrogen product compressor by
    • the multi-stage compressor through a nitrogen product compressor,
    • the first process stream through a first gaseous nitrogen stream from the low pressure column and
    • the second process stream through first gaseous nitrogen stream from the high pressure column
    be formed.
  • Ist im Prozess zum Beispiel wegen großen Mengen an Stickstoff-Produkt ein Niederdruck-GAN-Verdichter als Stickstoffproduktverdichter vorgesehen, kann dieser durch Zwischeneinspeisung von Druck-GAN aus der Hochdrucksäule entlastet werden. Anders als im Design-Fall, wird im Falle von geringerer GOXIV-Produktion deutlich mehr Luft ins Rektifikationssystem gefahren und als Druck-GAN aus der Drucksäule entnommen, als für die Sauerstoffproduktion notwendig ist. Nach Anwärmen im Wärmetauscher wird dieser Druck-GAN an einer passenden Stelle (zum Beispiel nach der zweiten oder dritten Verdichterstufe) beim Stickstoffproduktverdichter eingespeist. Dadurch kann der Anteil des Niederdruck-GAN (die von ca. atmosphärischem Druck auf etwa 5 bar zu verdichtende Gas-Menge) entsprechend reduziert werden. So werden zum Beispiel (anderes als im Design-Fall mit 100% GOXIV) im Betriebsfall mit ca. 75% GOXIV, voller Flüssigproduktion und 100% HPGAN-Produktmenge - ca. 70-75% Niederdruck-GAN und ca.25-30% Druck-GAN aus der Drucksäule verdichtet (s. dazu Abbildung 2 ). Dadurch gewinnt man die mit der überschüssigen Luftmenge am Hauptluftverdichter aufgenommene Energie teilweise zurück.
    Eine andere Möglichkeit (bei nicht vorhandenem Niederdruck-GAN-Verdichter) besteht darin, die überschüssige Luft ins Destillationssäulen-System zu leiten und zu trennen. Dabei kann das in dieser Luftmenge vorhandene Argon gewonnen werden. Die überschüssige Sauerstoff-Menge kann dabei als Niederdruck-Sauerstoff aus der Niederdrucksäule entnommen werden und dem UN2-Strom zugeführt werden. Hier verliert man im Prinzip nur die Trennarbeit zur Gewinnung von zusätzlichen Sauerstoff-Molekülen, gleichzeitig wird aber deutlich mehr an Argon produziert.
    If a low-pressure GAN compressor is provided as a nitrogen product compressor in the process, for example because of large amounts of nitrogen product, this can be relieved by interim feeding of pressure GAN from the high-pressure column. Unlike in the design case, in the case of lower GOXIV production significantly more air is driven into the rectification system and taken as pressure GAN from the pressure column, as for the oxygen production is necessary. After warming in the heat exchanger, this pressure GAN is fed into the nitrogen product compressor at an appropriate point (for example after the second or third compressor stage). As a result, the proportion of low-pressure GAN (the amount of gas to be compressed from approximately atmospheric pressure to approximately 5 bar) can be correspondingly reduced. Thus, for example (other than in the design case with 100% GOXIV) in operation with about 75% GOXIV, full liquid production and 100% HPGAN product quantity - about 70-75% low pressure GAN and about 25-30% Pressure GAN compressed from the pressure column (see Figure 2 ) . This partially recovers the energy absorbed by the excess air volume at the main air compressor.
    Another possibility (with no low-pressure GAN compressor) is to direct and separate the excess air into the distillation column system. In this case, the argon present in this amount of air can be obtained. The Excess oxygen amount can be taken as low pressure oxygen from the low pressure column and fed to the UN2 stream. Here, in principle, only the separation work for the extraction of additional oxygen molecules is lost, but at the same time significantly more argon is produced.
  • Die beiden Varianten der Erfindung können aber auch kombiniert werden, wie es im Patentanspruch 4 beschrieben ist.However, the two variants of the invention can also be combined, as described in claim 4.
  • Grundsätzlich kann der zweite Prozessstrom auch am Eintritt eines Stickstoffproduktverdichters mit dem ersten Prozessstrom vermischt werden. In vielen Fällen ist es aber günstig, wenn die Vermischung des zweiten mit dem ersten Prozessstrom beziehungsweise des vierten mit dem zweiten Prozessstrom bei einer Zwischenstufe des mehrstufigen Verdichters beziehungsweise des Stickstoffproduktverdichters durchgeführt wird.In principle, the second process stream can also be mixed with the first process stream at the inlet of a nitrogen product compressor. In many cases, however, it is favorable if the mixing of the second with the first process stream or the fourth with the second process stream is carried out at an intermediate stage of the multistage compressor or the nitrogen product compressor.
  • Zusätzlich kann in dem zweiten Betriebsmodus ein Sauerstoffgasstrom aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule entnommen, mit einem stickstoffangereicherten Strom aus dem oberen Bereich der Niederdrucksäule vermischt und das Gemisch im Hauptwärmetauscher angewärmt werden.Additionally, in the second mode of operation, an oxygen gas stream may be withdrawn from the lower region of the low pressure column, mixed with a nitrogen-enriched stream from the top of the low pressure column, and the mixture heated in the main heat exchanger.
  • Außerdem kann in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung eine zweite Luftturbine eingesetzt werden, wobei ein dritter Teilstrom der im Hauptluftverdichter verdichteten Einsatzluft in einem Hauptwärmetauscher auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und in der zweiten Luftturbine arbeitsleistend entspannt wird und mindestens ein erster Teil des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird.In addition, in a specific embodiment of the invention, a second air turbine can be used, wherein a third part of the stream compressed in the main air compressor feed air is cooled to an intermediate temperature in a main heat exchanger and expanded work in the second air turbine and at least a first part of the working expanded third partial flow in the Distillation column system is initiated.
  • Außerdem kann der zweite Teilstrom der im Hauptluftverdichter verdichteten Einsatzluft in dem Hauptwärmetauscher auf eine Zwischentemperatur abgekühlt, in einem zweiten Nachverdichter, der als Kaltverdichter betrieben und von der zweiten Turbine angetrieben wird, auf einen dritten Druck nachverdichtet werden, der höher als der erste Druck ist, in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt, (pseudo-)verflüssigt und anschließend entspannt und in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird. Auf diese Weise kann der Druck des zweiten Teilstroms ohne Aufwendung äußerer Energie weiter erhöht werden. Ein entsprechend höherer Innenverdichtungsdruck kann erreicht werden.In addition, the second part-stream of the feed air compressed in the main air compressor can be cooled to an intermediate temperature in the main heat exchanger, be recompressed to a third pressure that is higher than the first pressure in a second after-compressor, operated as a cold compressor and driven by the second turbine, cooled in the main heat exchanger, (pseudo) liquefied and then released and introduced into the distillation column system. In this way, the pressure of the second partial flow without spending external Energy can be further increased. A correspondingly higher internal compression pressure can be achieved.
  • Zusätzlich kann ein vierter Teilstrom der im Hauptluftverdichter verdichteten Luft unter dem ersten Druck in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und anschließend entspannt und in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird. Durch einen derartigen zweiten Drosselstrom wird der Wärmeaustauschvorgang im Hauptwärmetauscher weiter optimiert.In addition, a fourth substream of the compressed air in the main air compressor can be cooled below the first pressure in the main heat exchanger and then released and introduced into the distillation column system. By such a second throttle flow of the heat exchange process in the main heat exchanger is further optimized.
  • Bei einer anderen Ausführungsform mit der einer zweiten Turbine ist es günstig, wenn der dritte Teilstrom in der zweiten Luftturbine auf einen Druck entspannt wird, der mindestens 1 bar höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule ist, und der arbeitsleistend entspannte dritte Teilstrom in dem Hauptwärmetauscher weiter abgekühlt und anschließend entspannt und in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird. Durch einen derartigen dritten Drosselstrom wird der Wärmeaustauschvorgang im Hauptwärmetauscher weiter optimiert.In another embodiment, with a second turbine, it is advantageous if the third partial flow is relaxed in the second air turbine to a pressure which is at least 1 bar higher than the operating pressure of the high-pressure column, and the working expanded third partial stream in the main heat exchanger further cooled and then depressurized and introduced into the distillation column system. By such a third throttle flow of the heat exchange process in the main heat exchanger is further optimized.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere beim Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus die im Hauptluftverdichter verdichtete Gesamtluftmenge gar nicht reduziert oder weniger stark reduziert als die Drucksauerstoff-Produktmenge, indem
    • in dem ersten Betriebsmodus eine erste Menge an Einsatzluft in dem Hauptluftverdichter verdichtet wird und
    • in dem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge an Einsatzluft in dem Hauptluftverdichter verdichtet wird, wobei
    • das Verhältnis von zweiter Menge an Einsatzluft zu erster Menge an Einsatzluft größer, insbesondere um mindestens 3 %, insbesondere um mehr als 5 %größer ist als das Verhältnis zwischen zweiter Menge an erstem Druckgasprodukt und erster Menge an erstem Druckgasprodukt.
    In the method according to the invention, in particular during the transition from the first to the second operating mode, the total air quantity compressed in the main air compressor is not reduced at all or is reduced less than the pressure oxygen product quantity by
    • in the first mode of operation, a first amount of feed air is compressed in the main air compressor, and
    • in the second mode of operation, a second amount of feed air is compressed in the main air compressor, wherein
    • the ratio of the second amount of feed air to the first amount of feed air greater, in particular by at least 3%, in particular by more than 5% greater than the ratio between the second amount of first compressed gas product and the first amount of first compressed gas product.
  • In Betriebsfällen mit geringerer GOXIV-Produktion, wird die Einsatzluftmenge in die Coldbox "künstlich" angehoben, das heißt es wird mehr Luft in den Tieftemperaturteil der Anlage gefahren als zur Gewinnung der für diesen Betriebsfall spezifizierten Drucksauerstoff-Produkte notwendig ist. Fährt man die Einsatzluft im "Überschuss", kann der Druck am Verdichter-Austritt reduziert werden, da die Energielieferung für die (Pseudo-)Verdampfung des GOXIV-Produkts dann nicht mit dem Luft-Druck, sondern mit der Luft-Menge erfolgt. Dabei ist es von der Bedeutung, dass die Luft nicht nur einfach im Überschuss gefahren (im Hauptluftverdichter verdichtet, im Wärmetauscher abgekühlt, in der Turbine auf den Hochdrucksäulen-Druck entspannt, im Wärmetauscher wieder angewärmt und schließlich auf atmosphärischen Druck abgedrosselt) wird, sondern es werden mit den weiter oben beschriebenen Merkmale auch weitere Vorteile erzielt.In operating cases with lower GOXIV production, the amount of feed air in the cold box is "artificially" raised, that is, more air is driven into the cryogenic part of the system than is necessary to obtain the specified for this operating case pressure oxygen products. If one moves the feed air in the "excess", the pressure at the compressor outlet can be reduced, since the energy supply for the (Pseudo-) evaporation of the GOXIV product is then done not with the air pressure, but with the amount of air. It is of importance that the air is not simply driven in excess (compressed in the main air compressor, cooled in the heat exchanger, expanded in the turbine to the high-pressure column pressure, reheated in the heat exchanger and finally throttled to atmospheric pressure), but instead Other advantages are also achieved with the features described above.
  • Durch diese Maßnahme steht weiterhin ausreichend Luft für die Gewinnung von anderen Produkten zur Verfügung. Zu Beispiel kann ausreichend Kälte erzeugt werden, um eine gleich bleibende Menge an Flüssigprodukten zu liefern.As a result of this measure, sufficient air is still available for the extraction of other products. For example, sufficient cold may be generated to provide a consistent amount of liquid products.
  • Vorzugsweise wird der erste Teilstrom der im Hauptluftverdichter verdichteten Einsatzluft stromaufwärts seiner Einleitung in den Hauptwärmetauscher in einem ersten Nachverdichter nachverdichtet, der im Warmen betrieben und insbesondere von der ersten Turbine angetrieben wird. Dadurch ist der Eintrittsdruck der ersten Turbine deutlich höher als der erste Druck, auf den die Gesamtluft verdichtet wird. Die Luft für die zweite Turbine wird dagegen beispielsweise nicht nachverdichtet, das heißt ihr Eintrittsdruck liegt auf dem niedrigeren Niveau des ersten Drucks.Preferably, the first partial flow of the feed air compressed in the main air compressor is recompressed upstream of its introduction into the main heat exchanger in a first after-compressor which is operated warm and in particular is driven by the first turbine. As a result, the inlet pressure of the first turbine is significantly higher than the first pressure to which the total air is compressed. For example, the air for the second turbine is not recompressed, that is, its inlet pressure is at the lower level of the first pressure.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 13. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen der abhängigen Verfahrensansprüche entsprechen.The invention also relates to a device according to claim 13. The device according to the invention can be supplemented by device features which correspond to the features of the dependent method claims.
  • Bei den "Mitteln zum Umschalten zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus" handelt es sich um komplexe Regel- und Steuerungsvorrichtungen, die im Zusammenwirken ein mindestens teilweise automatisches Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi ermöglichen, beispielsweise durch ein entsprechend programmiertes Betriebsleitsystem.The "means for switching between a first and a second mode of operation" are complex control devices which, in conjunction, enable at least partial automatic switching between the two modes of operation, for example by means of a suitably programmed operational control system.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • Figur 1
    ein Ausführungsbeispiel für die erste Variante der Erfindung mit Rückführung von Turbinenluft zum Hauptluftverdichter in dem zweiten Betriebsmodus,
    Figur 2
    ein Ausführungsbeispiel für die zweite Variante der Erfindung mit Einführung von gasförmigem Stickstoff aus der Hochdrucksäule in einen Stickstoffproduktverdichter und
    Figuren 3 und 4
    Abwandlungen der Figur 1 und 2 mit einem dritten Drosselstrom.
    The invention and further details of the invention are explained below with reference to embodiments schematically illustrated in the drawings. Hereby show:
    FIG. 1
    An embodiment of the first variant of the invention with feedback of turbine air to the main air compressor in the second operating mode,
    FIG. 2
    an embodiment of the second variant of the invention with introduction of gaseous nitrogen from the high pressure column in a nitrogen product compressor and
    FIGS. 3 and 4
    Modifications of the FIG. 1 and 2 with a third inductor current.
  • Anhand von Figur 1 wird zunächst der erste Betriebsmodus einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der ersten Variante der Erfindung beschrieben. Atmosphärische Luft (AIR) wird über ein Filter 1 von einem Hauptluftverdichter 2 angesaugt. Der Hauptluftverdichter weist in dem Beispiel fünf Stufen auf und verdichtet den Gesamtluftstrom auf einen "ersten Druck" von beispielsweise 22 bar. Der Gesamtluftstrom 3 stromabwärts des Hauptluftverdichters 2 wird unter dem ersten Druck in einer Vorkühlung 4 gekühlt. Der vorgekühlte Gesamtluftstrom 5 wird in einer Reinigungseinrichtung 6, die insbesondere durch ein Paar umschaltbarer Molsieb-Adsorber gebildet wird, gereinigt. Der gereinigte Gesamtluftstrom 7 wird zu einem ersten Teil 8 in einem im Warmen betriebenen Luftnachverdichter 9 mit Nachkühler 10 auf einen zweiten Druck von beispielsweise 28 bar nachverdichtet und anschließend in einen "ersten Teilstrom" 11 (erster Turbinenluftstrom) und einen "zweiten Teilstrom" 12 (erster Drosselstrom) aufgeteilt.Based on FIG. 1 First, the first operating mode of an embodiment of the method according to the first variant of the invention will be described. Atmospheric air (AIR) is drawn in via a filter 1 from a main air compressor 2. The main air compressor has five stages in the example and compresses the total air flow to a "first pressure" of for example 22 bar. The total air flow 3 downstream of the main air compressor 2 is cooled under the first pressure in a pre-cooling 4. The pre-cooled total air flow 5 is purified in a cleaning device 6, which is formed in particular by a pair of switchable molecular sieve adsorber. The purified total air flow 7 is recompressed to a first part 8 in a hot air compressor 9 with aftercooler 10 to a second pressure of, for example, 28 bar and then into a "first partial flow" 11 (first turbine air flow) and a "second partial flow" 12 (FIG. first inductor current) divided.
  • Der erste Teilstrom 11 wird in einem Hauptwärmetauscher 13 auf eine erste Zwischentemperatur abgekühlt. Der abgekühlte erste Teilstrom 14 wird in einer ersten Luftturbine 15 von dem zweiten Druck auf etwa 5,5 bar arbeitsleistend entspannt. Die erste Luftturbine 15 treibt den warmen Luftnachverdichter 9 an. Der arbeitsleistend entspannte erste Teilstrom 16 wird in einem Abscheider (Phasentrenner) 17 eingeleitet. Der flüssige Anteil 18 wird über die Leitungen 19 und 20 in die Niederdrucksäule 22 des Destillationssäulen-Systems eingeleitet.The first partial flow 11 is cooled in a main heat exchanger 13 to a first intermediate temperature. The cooled first partial flow 14 is expanded in a first air turbine 15 from the second pressure to about 5.5 bar to perform work. The first air turbine 15 drives the warm air compressor 9. The work-performing relaxed first partial flow 16 is introduced in a separator (phase separator) 17. The liquid portion 18 is introduced via lines 19 and 20 into the low-pressure column 22 of the distillation column system.
  • Das Destillationssäulen-System umfasst eine Hochdrucksäule 21, die Niederdrucksäule 22 und einen Hauptkondensator 23 sowie eine übliche Argongewinnung 24 mit Rohargonsäule 25 und Reinargonsäule 26. Der Hauptkondensator 23 ist als Kondensator-Verdampfer ausgebildet, in dem konkreten Beispiel als Kaskadenverdampfer. Der Betriebsdruck am Kopf der Hochdrucksäule beträgt in dem Beispiel 5,3 bar, derjenige am Kopf der Niederdrucksäule 1,35 bar.The distillation column system comprises a high-pressure column 21, the low-pressure column 22 and a main condenser 23 and a conventional argon production 24 with crude argon column 25 and pure argon column 26. The main condenser 23 is designed as a condenser-evaporator, in the concrete Example as a cascade evaporator. The operating pressure at the top of the high pressure column is in the example 5.3 bar, the one at the top of the low pressure column 1.35 bar.
  • Der zweite Teilstrom 12 der Einsatzluft wird in dem Hauptwärmetauscher 13 auf eine zweite Zwischentemperatur abgekühlt, die höher als die erste Zwischentemperatur ist, über Leitung 27 einem Kaltverdichter 28 zugeleitet und dort auf einen "dritten Druck" von ca. 40 bar nachverdichtet. Der nachverdichtete zweite Teilstrom 29 wird bei einer dritten Zwischentemperatur, die höher als die zweite Zwischentemperatur ist, wieder in den Hauptwärmetauscher 13 eingeleitet und dort bis zum kalten Ende abgekühlt. Der kalte zweite Teilstrom 30 wird in einem Drosselventil 31 auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt und über Leitung 32 der Hochdrucksäule 21 zugeführt. Ein Teil 33 wird wieder entnommen, in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 34 abgekühlt und über die Leitungen 35 und 20 in die Niederdrucksäule 22 eingespeist.The second partial stream 12 of the feed air is cooled in the main heat exchanger 13 to a second intermediate temperature, which is higher than the first intermediate temperature, fed via line 27 to a cold compressor 28 and there recompressed to a "third pressure" of about 40 bar. The recompressed second partial stream 29 is at a third intermediate temperature, which is higher than the second intermediate temperature, again introduced into the main heat exchanger 13 and cooled there to the cold end. The cold second partial stream 30 is expanded in a throttle valve 31 to approximately the operating pressure of the high-pressure column and fed via line 32 to the high-pressure column 21. A part 33 is removed again, cooled in a supercooling countercurrent 34 and fed via the lines 35 and 20 in the low-pressure column 22.
  • Ein "dritter Teilstrom" 36 der Einsatzluft wird unter dem ersten Druck in den Hauptwärmetauscher 13 eingeleitet und dort auf eine vierte Zwischentemperatur abgekühlt, die in dem Beispiel etwas niedriger als die erste Zwischentemperatur liegt. Der abgekühlte dritte Teilstrom 37 wird in einer zweiten Luftturbine 37 von dem ersten Druck auf etwa Hochdrucksäulendruck arbeitsleistend entspannt. Die zweite Luftturbine 38 treibt den Kaltverdichter 28 an. Der arbeitsleistend entspannte dritte Teilstrom 39 wird über Leitung 40 der Hochdrucksäule 21 am Sumpf zugeführt.A "third substream" 36 of the feed air is introduced under the first pressure in the main heat exchanger 13 and cooled there to a fourth intermediate temperature, which is slightly lower than the first intermediate temperature in the example. The cooled third partial flow 37 is expanded in a second air turbine 37 from the first pressure to about high-pressure column pressure to perform work. The second air turbine 38 drives the cold compressor 28. The working expanded third partial stream 39 is supplied via line 40 of the high-pressure column 21 at the bottom.
  • Ein "vierter Teilstrom" 41 (zweiter Drosselstrom) durchströmt den Hauptwärmetauscher 13 vom warmen bis zum kalten Ende unter dem ersten Druck. Der kalte vierte Teilstrom 42 wird in einem Drosselventil 43 auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt und über Leitung 32 der Hochdrucksäule 21 zugeführt.A "fourth partial flow" 41 (second throttle flow) flows through the main heat exchanger 13 from the hot to the cold end under the first pressure. The cold fourth partial stream 42 is expanded in a throttle valve 43 to approximately the operating pressure of the high-pressure column and fed via line 32 to the high-pressure column 21.
  • Die sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit der Hochdrucksäule 21 wird im Unterkühlungs-Gegenströmer 34 abgekühlt und über Leitung 45 in die fakultative Argongewinnung 24 eingeleitet. Daraus erzeugter Dampf 46 und verbleibende Flüssigkeit 47 werden in die Niederdrucksäule 22 eingespeist.The oxygen-enriched bottom liquid of the high pressure column 21 is cooled in the subcooling countercurrent 34 and introduced via line 45 into the optional argon recovery 24. Resulting vapor 46 and remaining liquid 47 are fed into the low-pressure column 22.
  • Ein erster Teil 49 des Kopfstickstoffs 48 der Hochdrucksäule 21 wird im Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 23 gegen im Verdampfungsraum verdampfenden flüssigen Sauerstoff aus dem Sumpf der Niederdrucksäule vollständig oder im Wesentlichen vollständig verflüssigt. Ein erster Teil 51 des dabei erzeugten flüssigen Stickstoffs 51 wird als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 21 aufgegeben. Ein zweiter Teil 52 wird im Unterkühlungs-Gegenströmer 34 abgekühlt, über Leitung 53 in die Niederdrucksäule 22 eingespeist. Mindestens ein Teil des flüssigen Niederdruckstickstoffs 53 dient als Rücklauf in der Niederdrucksäule 21; ein anderer Teil 54 kann als Flüssigstickstoffprodukt (LIN) gewonnen werden.A first part 49 of the top nitrogen 48 of the high pressure column 21 is in the liquefaction space of the main condenser 23 against evaporating in the evaporation space liquid oxygen from the bottom of the low pressure column completely or substantially completely liquefied. A first part 51 of the liquid nitrogen 51 produced in this process is introduced as reflux to the high-pressure column 21. A second part 52 is cooled in the subcooling countercurrent 34, fed via line 53 into the low pressure column 22. At least a portion of the liquid low pressure nitrogen 53 serves as reflux in the low pressure column 21; another part 54 can be obtained as liquid nitrogen product (LIN).
  • Vom Kopf der Niederdrucksäule 22 wird gasförmiger Niederdruckstickstoff 55 abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 34 und im Hauptwärmetauscher 13 angewärmt. Der warme Niederdruckstickstoff 56 wird in einem aus zwei Sektionen bestehenden Stickstoffproduktverdichter (57, 59) mit Zwischen- und Nachkühlung (58, 60) auf den gewünschten Produktdruck verdichtet, der in dem Beispiel 12 bar beträgt. Die erste Sektion 57 des Stickstoffproduktverdichters besteht beispielsweise aus zwei oder drei Stufen mit dazugehörigen Nachkühlern; die zweite Sektion 59 weist mindestens eine Stufe auf und ist vorzugsweise ebenfalls zwischen- und nachgekühlt.From the top of the low-pressure column 22 gaseous low-pressure nitrogen 55 is withdrawn, warmed in the supercooling countercurrent 34 and in the main heat exchanger 13. The warm low-pressure nitrogen 56 is compressed in a two-section nitrogen product compressor (57, 59) with intermediate and after-cooling (58, 60) to the desired product pressure, which in the example is 12 bar. The first section 57 of the nitrogen product compressor consists for example of two or three stages with associated aftercoolers; the second section 59 has at least one step and is preferably also intermediate and post-cooled.
  • Von einer Zwischenstelle Niederdrucksäule 22 wird gasförmiger Unreinstickstoff 55 abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 34 und im Hauptwärmetauscher 13 angewärmt. Der warme Unreinstickstoff 62 kann in die Atmosphäre (ATM) abgeblasen (63) und/oder als Regeneriergas 64 für die Reinigungseinrichtung 6 eingesetzt werden.From an intermediate point low pressure column 22 gaseous impurity nitrogen 55 is withdrawn, warmed in the subcooling countercurrent 34 and the main heat exchanger 13. The warm impure nitrogen 62 may be vented (63) into the atmosphere (ATM) and / or used as the regeneration gas 64 for the purifier 6.
  • Die Leitungen 67 und 68 (sogenannter Argonübergang) verbinden die Niederdrucksäule 21 mit der Rohargonsäule 25 der Argongewinnung 24.The lines 67 and 68 (so-called argon transition) connect the low-pressure column 21 with the crude argon column 25 of argon recovery 24th
  • Ein erster Teil 70 des flüssigen Sauerstoffs 69 vom Sumpf der Niederdrucksäule 21 wird als "erster Produktstrom" abgezogen, in einer Sauerstoffpumpe 71 auf einen "ersten Produktdruck" von beispielsweise 37 bar gebracht und unter dem ersten Produktdruck in dem Hauptwärmetauscher 13 verdampft und schließlich über Leitung 72 als "erstes Druckgasprodukt" (GOX IC - innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff) gewonnen.A first portion 70 of the liquid oxygen 69 from the bottom of the low-pressure column 21 is withdrawn as the "first product stream", brought to a "first product pressure" of, for example, 37 bar in an oxygen pump 71 and vaporized under the first product pressure in the main heat exchanger 13 and finally via line 72 as "first compressed gas product" (GOX IC - compressed gas internal oxygen) won.
  • Ein zweiter Teil 73 des flüssigen Sauerstoffs 69 vom Sumpf der Niederdrucksäule 21 wird gegebenenfalls im Unterkühlungs-Gegenströmer 34 abgekühlt und über Leitung 74 als Flüssigsauerstoffprodukt (LOX) gewonnen.A second portion 73 of the liquid oxygen 69 from the bottom of the low-pressure column 21 is optionally cooled in the subcooling countercurrent 34 and recovered via line 74 as a liquid oxygen product (LOX).
  • In dem Beispiel wird auch ein dritter Teil 75 des flüssigen Stickstoffs 50 aus der Hochdrucksäule 21 beziehungsweise dem Hauptkondensator 23 einer Innenverdichtung unterzogen, indem er in einer Stickstoffpumpe 76 auf einen zweiten Produktdruck von beispielsweise 37 bar gebracht, unter dem zweiten Produktdruck in dem Hauptwärmetauscher 13 pseudo-verdampft und schließlich über Leitung 77 als innenverdichtetes gasförmiges Stickstoff-Druckprodukt (GAN IC) gewonnen.In the example, a third part 75 of the liquid nitrogen 50 from the high-pressure column 21 and the main condenser 23 is also subjected to internal compression by being brought in a nitrogen pump 76 to a second product pressure of 37 bar, for example, under the second product pressure in the main heat exchanger 13 pseudo and finally recovered via line 77 as internally compressed gaseous nitrogen pressure product (GAN IC).
  • Ein zweiter Teil 78 des gasförmigen Kopfstickstoffs 48 der Hochdrucksäule 21 wird im Hauptwärmetauscher angewärmt und über Leitung 79 entweder als gasförmiges Mitteldruckprodukt gewonnen oder - wie dargestellt - als Dichtgas (Sealgas) für eine oder mehrere der dargestellten Prozesspumpen eingesetzt.A second part 78 of the gaseous top nitrogen 48 of the high-pressure column 21 is warmed in the main heat exchanger and recovered via line 79 either as a gaseous medium pressure product or - as shown - used as a sealing gas (seal gas) for one or more of the illustrated process pumps.
  • Wenn man als "ersten Betriebsmodus" den Betrieb mit der maximalen Sauerstoffproduktion (100 % gemäß der Auslegung) bezeichnet, bleiben in dieser Betriebsweise die fett dargestellten Leitungen 65/66 außer Betrieb.In this mode of operation, if the operation with the maximum oxygen production (100% according to the design) is designated as the "first operating mode", the lines 65/66 shown in bold remain out of operation.
  • Eine niedrigere Sauerstoffproduktion (beispielsweise 75 %) kann dann als "zweiter Betriebsmodus" angesehen werden. Hier wird ein Teil des gasförmigen Anteils 17 des arbeitsleistend entspannten ersten Teilstroms 16 als "zweiter Prozessstrom" über die Leitungen 65, 66 durch den Hauptwärmetauscher zu einer Zwischenstufe des Hauptluftverdichters 2 zurückgeführt. In dem Beispiel wird der Rückführstrom zwischen der zweiten und der dritten Stufe beziehungsweise zwischen der dritten und vierten Stufe des Hauptluftverdichters der Einsatzluft zugemischt. (Diese Einsatzluft stellt in der ersten Variante der Erfindung den "ersten Prozessstrom" dar.) Dadurch kann die Luftmenge durch die Turbine 15 relativ hoch gehalten werden und eine unveränderte - oder zumindest eine weniger stark reduzierte - Menge and Stickstoff- und Flüssigprodukten gewonnen werden.A lower oxygen production (for example 75%) may then be considered a "second mode of operation". Here, part of the gaseous portion 17 of the work-performing expanded first partial flow 16 is returned as "second process stream" via the lines 65, 66 through the main heat exchanger to an intermediate stage of the main air compressor 2. In the example, the recirculation flow between the second and the third stage and between the third and fourth stage of the main air compressor is added to the feed air. (This feed air is in the first variant of the invention, the "first process stream".) This allows the amount of air to be kept relatively high by the turbine 15 and an unchanged - or at least a less greatly reduced - amount of nitrogen and liquid products can be obtained.
  • Genauso gut könnte eine 95 %-Betriebsweise als "erster Betriebsmodus" angesehen werden. Ein "zweiter Betriebsmodus" wird dann beispielsweise mit einer Sauerstoffproduktion von 90 % des Auslegungswerts erreicht.Equally well, a 95% operation could be considered a "first mode of operation". A "second mode of operation" is then achieved, for example, with an oxygen production of 90% of the design value.
  • Die folgende Tabelle führt beispielhafte Zahlenwerte zweier verschiedener Betriebsmodi der Anlage von Figur 1 an:
    GOX-IC-Menge 72 Luftmenge durch Filter 1 Rückführmenge 65/66*
    100% 100 % 0%
    76 % 83% 4,2%
    The following table shows example numerical values of two different operating modes of the system FIG. 1 at:
    GOX IC amount 72 Air volume through filter 1 Return quantity 65/66 *
    100% 100% 0%
    76% 83% 4.2%
  • Die Rückführmenge bezieht sich in der Tabelle auf die aktuelle Luftmenge durch Filter 1. Alle Prozentangaben beziehen sich hier und im übrigen Text auf molare Mengen, wenn nichts Anderes angegeben ist.The recirculation quantity in the table refers to the current air volume through filter 1. All percentages here and in the rest of the text refer to molar quantities, unless stated otherwise.
  • In Figur 2 ist eine Ausführungsform der zweiten Variante der Erfindung dargestellt. Sie unterscheidet sich von Figur 1 durch die folgenden Merkmale.In FIG. 2 an embodiment of the second variant of the invention is shown. It is different from FIG. 1 by the following features.
  • Die Rückführleitung 65, 66 für Luft fehlt hier. Stattdessen wird im zweiten Betriebsmodus zusätzlich zu der Dichtgasmenge 79 ein zusätzlicher Teil 180 des gasförmigen Kopfstickstoffs 48 vom Kopf der Hochdrucksäule als "zweiter Prozessstrom" 180 über die Leitungen 178, 179 geführt und schließlich zwischen den beiden Sektionen 57, 59 des Stickstoffproduktverdichters mit den Stickstoff 56 aus der Niederdrucksäule vermischt, der in der zweiten Variante den "ersten Prozessstrom" bildet.The return line 65, 66 for air is missing here. Instead, in the second mode of operation, in addition to the sealing gas quantity 79, an additional portion 180 of gaseous overhead nitrogen 48 is passed from the top of the high pressure column as "second process stream" 180 via lines 178, 179 and finally between the two sections 57, 59 of the nitrogen product compressor with nitrogen 56 mixed from the low pressure column, which forms the "first process stream" in the second variant.
  • Die entsprechende Stickstoffmenge 180 aus der Hochdrucksäule wird nicht im Hauptkondensator 23 kondensiert und nicht in die Niederdrucksäule eingeleitet. Dadurch nimmt sie nicht an der Rektifikation in der Niederdrucksäule teil (weder indirekt über die Verdampfung des Sumpfsauerstoffs, noch direkt durch Verwendung als Rücklaufflüssigkeit) und ermöglicht dabei die Verringerung der Sauerstoffproduktion. Gleichzeitig steht gleich viel Luft (oder nur unwesentlich weniger) zur Kälteproduktion und Stickstofferzeugung zur Verfügung.The corresponding amount of nitrogen 180 from the high pressure column is not condensed in the main condenser 23 and not introduced into the low pressure column. As a result, it does not participate in the rectification in the low-pressure column (neither indirectly via the evaporation of the sump oxygen, nor directly by use as reflux liquid) and thereby enables the reduction of oxygen production. At the same time, the same amount of air (or only slightly less) is available for refrigeration and nitrogen production.
  • Im ersten Betriebsmodus wird eine geringere Menge an zweitem Prozessstrom 180 zur Zwischenstelle des Stickstoffproduktverdichters gefahren oder Leitung 180 ist ganz geschlossen.In the first mode of operation, a lesser amount of second process stream 180 is moved to the intermediate point of the nitrogen product compressor or line 180 is fully closed.
  • Die Flexibilität des Verfahrens kann durch die im Folgenden beschrieben fakultative Maßnahme weiter erhöht werden (die grundsätzlich auch bei der ersten Variante nach Figur 1 eingesetzt werden kann). Hierbei wird in dem zweiten Betriebsmodus gasförmiger Sauerstoff 181 aus der Niederdrucksäule abgezogen und mit dem gasförmigen Unreinstickstoff 61 aus der Niederdrucksäule vermischt. Die Vermischung findet in dem Beispiel stromabwärts des Unterkühlungs-Gegenströmers 34 statt. Im ersten Betriebsmodus ist die Leitung 181 geschlossen oder es wird weniger Gas über Leitung 181 geführt.The flexibility of the method can be further increased by the optional measure described below (which basically also applies to the first variant) FIG. 1 can be used). In this case, in the second operating mode gaseous oxygen 181 is withdrawn from the low pressure column and with the gaseous impurity nitrogen 61 mixed from the low pressure column. The mixing takes place in the example downstream of the subcooling countercurrent 34. In the first operating mode, the conduit 181 is closed or less gas is supplied via conduit 181.
  • Die folgende Tabelle führt beispielhafte Zahlenwerte zweier verschiedener Betriebsmodi der Anlage von Figur 2 an:
    GOX-IC-Menge 72 Luftmenge durch Hauptluftverdichter 2 Stickstoffmenge durch Leitung 180 Sauerstoffmenge durch Leitung 181
    100 % 100 % 0 % 0 %
    76 % 83 % 5 % 0 %
    The following table shows example numerical values of two different operating modes of the system FIG. 2 at:
    GOX IC amount 72 Air volume through main air compressor 2 Amount of nitrogen through line 180 Amount of oxygen through line 181
    100% 100% 0% 0%
    76% 83% 5% 0%
  • Die Stickstoffmenge durch Leitung 180 bezieht sich auf die Luftmenge durch Filter 1 im Designfall.The amount of nitrogen through line 180 refers to the amount of air through filter 1 in the design case.
  • Figur 3 unterscheidet sich von Figur 1 durch einen dritten Drosselstrom. Hierzu wird die zweite Turbine 38 mit einem relativ großen Austrittsdruck und einer relativ hohen Austrittstemperatur betrieben. Der arbeitsleistend entspannte Turbinenstrom 339 weist dann einen Druck auf, der mindestens 1 bar, insbesondere 4 bis 11 bar über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt, und eine Temperatur, die mindestens 10 K, insbesondere 20 bis 60 K oberhalb der Eintrittstemperatur der Niederdruck-Stickstoffströme 55, 61 am kalten Ende des Hauptwärmetauschers liegt. Dieser Strom wird dann im kalten Teil des Hauptwärmetauschers weiter abgekühlt. Der weiter abgekühlte dritte Teilstrom 340 wird als dritter Drosselstrom in einem Drosselventil 341 auf etwa Hochdrucksäulendruck entspannt und über Leitung 32 in die Hochdrucksäule eingeführt. Hierdurch lässt sich der Wärmeaustauschvorgang im Hauptwärmetauscher weiter optimieren. FIG. 3 differs from FIG. 1 through a third inductor current. For this purpose, the second turbine 38 is operated with a relatively large outlet pressure and a relatively high outlet temperature. The work-expanded turbine stream 339 then has a pressure which is at least 1 bar, in particular 4 to 11 bar above the operating pressure of the high-pressure column, and a temperature which is at least 10 K, in particular 20 to 60 K above the inlet temperature of the low-pressure nitrogen streams 55 , 61 is located at the cold end of the main heat exchanger. This stream is then further cooled in the cold part of the main heat exchanger. The further cooled third partial flow 340 is expanded as a third throttle flow in a throttle valve 341 to about high-pressure column pressure and introduced via line 32 into the high-pressure column. As a result, the heat exchange process in the main heat exchanger can be further optimized.
  • In Figur 4 wird in Abweichung von Figur 3 der dritte Teilstrom 436 nicht unter dem ersten Druck, sondern unter dem höheren zweiten Druck in die zweite Turbine 38 eingeleitet.In FIG. 4 will deviate from FIG. 3 the third partial flow 436 is not introduced into the second turbine 38 under the first pressure but under the higher second pressure.
  • Die zusätzlichen Maßnahmen der Figuren 3 und 4 können nicht nur bei der ersten Variante der Erfindung eingesetzt werden, sondern auch bei der zweiten Variante.The additional measures of Figures 3 and 4 can be used not only in the first variant of the invention, but also in the second variant.
  • Claims (13)

    1. Verfahren zur variablen Gewinnung eines Druckgasprodukts (72; 73) mittels Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System, das eine Hochdrucksäule (21) und eine Niederdrucksäule (22) aufweist, bei dem
      - die gesamte Einsatzluft in einem Hauptluftverdichter (2) auf einen ersten Druck verdichtet wird, der mindestens 4 bar höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (21) ist,
      - ein erster Teilstrom (8, 11, 14) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft (7) in einem Hauptwärmetauscher (13) auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und in einer ersten Luftturbine (15) arbeitsleistend entspannt wird,
      - mindestens ein erster Teil des arbeitsleistend entspannten ersten Teilstroms (16) in das Destillationssäulen-System eingeleitet (40; 18, 19, 20) wird,
      - ein zweiter Teilstrom (12, 27, 29, 30) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft in einem ersten Nachverdichter (9), der insbesondere von der ersten Turbine (15) angetrieben wird, auf einen zweiten Druck nachverdichtet wird, der höher als der erste Druck ist, in dem Hauptwärmetauscher (13) abgekühlt und anschließend entspannt (31) und in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird,
      - ein erster Produktstrom (69; 75) flüssig aus dem Destillationssäulen-System entnommen und einer Druckerhöhung (71; 76) auf einen ersten Produktdruck unterworfen wird,
      - der erste Produktstrom unter dem ersten Produktdruck im Hauptwärmetauscher (13) verdampft oder pseudo-verdampft und angewärmt wird,
      - der angewärmte erste Produktstrom (72; 77) als erstes Druckgasprodukt (GOX IC; GAN IC) gewonnen wird,
      - ein erster Prozessstrom, der mindestens 78 mol-% Stickstoff enthält, in einem mehrstufigen Verdichter (2; 57/59) von einem Eintrittsdruck auf einen Enddruck verdichtet wird,
      - mindestens zeitweise ein zweiter Prozessstrom (65; 180), der mindestens 78 mol-% Stickstoff enthält, stromabwärts der ersten Stufe des mehrstufigen Verdichters (2; 57/59) mit dem ersten Prozessstrom vermischt wird,
      - in einem ersten Betriebsmodus eine erste Menge an erstem Druckgasprodukt gewonnen wird und
      - in einem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge an erstem Druckgasprodukt gewonnen wird, die geringer ist als die erste Menge,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      - in dem ersten Betriebsmodus einer erste Menge des zweiten Prozessstroms (65; 180), die auch Null sein kann, in dem mehrstufigen Verdichter (2; 57/59) verdichtet wird und
      - in dem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge des zweiten Prozessstroms (65; 180) in dem mehrstufigen Verdichter (2; 57/59) verdichtet wird, die größer ist als die erste Menge des zweiten Prozessstroms.
      A method of variably recovering a compressed gas product (72; 73) by cryogenic separation of air in a distillation column system having a high pressure column (21) and a low pressure column (22), wherein
      - the total feed air in a main air compressor (2) is compressed to a first pressure which is at least 4 bar higher than the operating pressure of the high-pressure column (21),
      a first partial flow (8, 11, 14) of the feed air (7) compressed in the main air compressor (2) is cooled to an intermediate temperature in a main heat exchanger (13) and expanded in a first air turbine (15) to perform work,
      at least a first part of the work-performing expanded first partial flow (16) is introduced into the distillation column system (40, 18, 19, 20),
      - A second partial stream (12, 27, 29, 30) of the main air compressor (2) compressed feed air in a first booster (9), which is in particular from the first turbine (15) is driven to a second pressure is recompressed, the higher is cooled as the first pressure, cooled in the main heat exchanger (13) and then expanded (31) and introduced into the distillation column system,
      a first product stream (69; 75) is removed from the distillation column system in liquid form and subjected to a pressure increase (71; 76) to a first product pressure,
      the first product stream is vaporized or pseudo-evaporated and heated under the first product pressure in the main heat exchanger (13),
      the warmed first product stream (72; 77) is obtained as the first compressed gas product (GOX IC; GAN IC),
      a first process stream containing at least 78 mol% nitrogen is compressed in a multistage compressor (2; 57/59) from an inlet pressure to a final pressure,
      at least temporarily mixing a second process stream (65; 180) containing at least 78 mol% of nitrogen downstream of the first stage of the multistage compressor (2; 57/59) with the first process stream,
      - In a first mode of operation, a first amount of first compressed gas product is obtained and
      in a second operating mode, a second quantity of first compressed gas product is obtained which is less than the first quantity,
      characterized in that
      - In the first mode of operation of a first amount of the second process stream (65; 180), which may also be zero, is compressed in the multi-stage compressor (2; 57/59) and
      in the second mode of operation, compressing a second amount of the second process stream (65; 180) in the multi-stage compressor (2; 57/59) that is greater than the first amount of the second process stream.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
      - der mehrstufige Verdichter durch den Hauptluftverdichter (2),
      - der erste Prozessstrom durch die gesamte Einsatzluft und
      - der zweite Prozessstrom durch einen Teil (65) des arbeitsleistend entspannten ersten Teilstroms (16) der Einsatzluft
      gebildet werden.
      Method according to claim 1, characterized in that
      the multi-stage compressor through the main air compressor (2),
      - the first process flow through the entire feed air and
      - The second process flow through a part (65) of the working expanded first partial flow (16) of the feed air
      be formed.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
      - der mehrstufige Verdichter durch einen Stickstoffproduktverdichter (57/59),
      - der erste Prozessstrom durch einen ersten gasförmigen Stickstoffstrom (55, 56) aus der Niederdrucksäule und
      - der zweite Prozessstrom (180) durch ersten gasförmigen Stickstoffstrom (178, 179) aus der Hochdrucksäule (21)
      gebildet werden.
      Method according to claim 1, characterized in that
      the multi-stage compressor through a nitrogen product compressor (57/59),
      - The first process flow through a first gaseous nitrogen stream (55, 56) from the low pressure column and
      - the second process stream (180) by first gaseous nitrogen stream (178, 179) from the high-pressure column (21)
      be formed.
    4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
      - ein dritter Prozessstrom in einem Stickstoffproduktverdichter von einem Eintrittsdruck auf einen Enddruck verdichtet wird,
      - mindestens zeitweise ein vierter Prozessstrom stromabwärts der ersten Stufe des Stickstoffproduktverdichters mit dem dritten Prozessstrom vermischt wird, wobei
      - der dritte Prozessstrom durch einen ersten gasförmigen Stickstoffstrom aus der Niederdrucksäule und
      - der vierte Prozessstrom durch ersten gasförmigen Stickstoffstrom aus der Hochdrucksäule
      gebildet werden.
      A method according to claim 2, characterized in that
      a third process stream in a nitrogen product compressor is compressed from an inlet pressure to a final pressure,
      - At least temporarily, a fourth process stream downstream of the first stage of the nitrogen product compressor is mixed with the third process stream, wherein
      - The third process stream through a first gaseous nitrogen stream from the low pressure column and
      - The fourth process stream through the first gaseous nitrogen stream from the high pressure column
      be formed.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Prozessstrom beziehungsweise der vierte Prozessstrom bei einer Zwischenstufe des mehrstufigen Verdichters beziehungsweise des Stickstoffproduktverdichters mit dem ersten Prozessstrom beziehungsweise mit dem zweiten Prozessstrom vermischt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the second process stream or the fourth process stream is mixed at an intermediate stage of the multi-stage compressor or the nitrogen product compressor with the first process stream or with the second process stream.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus ein Sauerstoffgasstrom (181) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (22) entnommen, mit einem stickstoffangereicherten Strom (61) aus dem oberen Bereich der Niederdrucksäule (22) vermischt und das Gemisch im Hauptwärmetauscher (13) angewärmt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the second operating mode, an oxygen gas stream (181) taken from the lower region of the low pressure column (22), mixed with a nitrogen-enriched stream (61) from the upper region of the low pressure column (22) and the mixture in the main heat exchanger (13) is warmed.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
      - ein dritter Teilstrom (36, 37) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft (7) in dem Hauptwärmetauscher (13) auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und in einer zweiten Luftturbine (38) arbeitsleistend entspannt wird und
      - mindestens ein erster Teil des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms (39) in das Destillationssäulen-System eingeleitet (40) wird,
      - wobei der Turbineneintrittsdruck der zweiten Luftturbine insbesondere gleich dem ersten Druck ist.
      Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that
      - A third partial stream (36, 37) of the compressed air in the main compressor (2) compressed air (7) in the main heat exchanger (13) to an intermediate temperature and in a second air turbine (38) is designed to perform work and
      at least a first part of the work-performing expanded third substream (39) is introduced into the distillation column system (40),
      - The turbine inlet pressure of the second air turbine is in particular equal to the first pressure.
    8. Verfahren nach einem der Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
      - der zweite Teilstrom (12, 27, 29, 30) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft (7) stromabwärts des ersten Nachverdichters (9) in dem Hauptwärmetauscher (13) auf eine Zwischentemperatur abgekühlt, in einem zweiten Nachverdichter (28), der als Kaltverdichter betrieben und von der zweiten Turbine (38) angetrieben wird, auf einen dritten Druck nachverdichtet wird, der höher als der erste Druck ist, in dem Hauptwärmetauscher (13) abgekühlt und anschließend entspannt (31) und in das Destillationssäulen-System eingeleitet (32) wird.
      Method according to one of the claims 7, characterized in that
      the second partial flow (12, 27, 29, 30) of the feed air (7) compressed in the main air compressor (2) downstream of the first after-compressor (9) in the main heat exchanger (13) is cooled to an intermediate temperature, in a second after-compressor (28), operated as a cold compressor and driven by the second turbine (38) is recompressed to a third pressure which is higher than the first pressure, cooled in the main heat exchanger (13) and then expanded (31) and introduced into the distillation column system (32) becomes.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Teilstrom (41, 42) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Luft (7) unter dem ersten Druck in dem Hauptwärmetauscher (13) abgekühlt und anschließend entspannt (43) und in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that a fourth partial flow (41, 42) of the compressed air in the main air compressor (2) compressed air (7) under the first pressure in the main heat exchanger (13) and then relaxed (43) and is introduced into the distillation column system.
    10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 oder nach Anspruch 9 rückbezogen auf einen der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
      - der dritte Teilstrom (37, 339) in der zweiten Luftturbine (38) auf einen Druck entspannt wird, der mindestens 1 bar höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (21) ist, und
      - der arbeitsleistend entspannte dritte Teilstrom (339) in dem Hauptwärmetauscher (13) weiter abgekühlt und anschließend entspannt (341) und in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird.
      Method according to Claim 7 or 8 or according to Claim 9 relating to one of Claims 7 or 8, characterized in that
      - The third partial flow (37, 339) is relaxed in the second air turbine (38) to a pressure which is at least 1 bar higher than the operating pressure of the high-pressure column (21), and
      - The work-performing relaxed third part stream (339) in the main heat exchanger (13) further cooled and then relaxed (341) and introduced into the distillation column system.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
      - in dem ersten Betriebsmodus eine erste Menge an Einsatzluft in dem Hauptluftverdichter (2) verdichtet wird und
      - in dem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge an Einsatzluft in dem Hauptluftverdichter (2) verdichtet wird, wobei
      - das Verhältnis von zweiter Menge an Einsatzluft zu erster Menge an Einsatzluft größer, insbesondere um mehr als 3 % größer ist als das Verhältnis zwischen zweiter Menge an erstem Druckgasprodukt und erster Menge an erstem Druckgasprodukt.
      Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that
      - In the first mode of operation, a first amount of feed air in the main air compressor (2) is compressed and
      - In the second mode of operation, a second amount of feed air in the main air compressor (2) is compressed, wherein
      - The ratio of the second amount of feed air to the first amount of feed air greater, in particular by more than 3% greater than the ratio between the second amount of first compressed gas product and the first amount of first compressed gas product.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom (8, 11) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft (7) stromaufwärts seiner Einleitung in den Hauptwärmetauscher (13) in einem ersten Nachverdichter (9) nachverdichtet wird, der im Warmen betrieben und insbesondere von der ersten Turbine angetrieben wird.Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that the first part stream (8, 11) of the main air compressor (2) compressed feed air (7) upstream of its introduction into the main heat exchanger (13) is recompressed in a first after-compressor (9) , which is operated in the warm and in particular driven by the first turbine.
    13. Vorrichtung zur variablen Gewinnung eines Druckgasprodukts (72; 73) mittels Tieftemperaturzerlegung von Luft mit
      - einem Destillationssäulen-System, das eine Hochdrucksäule (21) und eine Niederdrucksäule (22) aufweist,
      - einem Hauptluftverdichter (2) zum Verdichten der gesamten Einsatzluft auf einen ersten Druck, der mindestens 4 bar höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (21) ist,
      - Mittel zum Abkühlen eines ersten Teilstroms (8, 11, 14) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft (7) in einem Hauptwärmetauscher (13) auf eine Zwischentemperatur,
      - einer ersten Luftturbine (15) zum arbeitsleistenden Entspannen des abgekühlten ersten Teilstroms,
      - Mittel zum Einleiten (40; 18, 19, 20) des arbeitsleistend entspannten ersten Teilstroms (16) in das Destillationssäulen-System,
      - einem ersten Nachverdichter (9) zum Nachverdichten eines zweiten Teilstroms (12, 27, 29, 30) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft auf einen zweiten Druck, , der höher als der erste Druck ist, wobei der Nachverdichter (9) insbesondere von der ersten Turbine (15) angetrieben wird, nachverdichtet wird,
      - Mittel zum Abkühlen des nachverdichteten zweiten Teilstroms in dem Hauptwärmetauscher (13) abgekühlt,
      - Mittel zum Entspannen (31) und Einleiten in das Destillationssäulen-System des abgekühlten zweiten Teilstroms,
      - Mittel zum flüssigen Entnehmen eines ersten Produktstroms (69; 75) aus dem Destillationssäulen-System entnommen und zur Druckerhöhung (71; 76) des flüssigen ersten Produktstroms auf einen ersten Produktdruck,
      - Mittel zum Verdampfen oder Pseudo-Verdampfen und Anwärmen des ersten Produktstroms unter dem ersten Produktdruck im Hauptwärmetauscher (13),
      - Mittel zum Gewinnen des angewärmten ersten Produktstroms (72; 77) als erstes Druckgasprodukt (GOX IC; GAN IC),
      - einem mehrstufigen Verdichter (2; 57/59) zum Verdichten eines ersten Prozessstroms, der mindestens 78 mol-% Stickstoff enthält, von einem Eintrittsdruck auf einen Enddruck,
      - Mittel zum Vermischen eines zweiten Prozessstroms (65; 180), der mindestens 78 mol-% Stickstoff enthält, mit dem ersten Prozessstrom stromabwärts der ersten Stufe des mehrstufigen Verdichters (2; 57/59),
      - und mit Mitteln zum Umschalten zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus, wobei
      - in dem ersten Betriebsmodus eine erste Menge an erstem Druckgasprodukt gewonnen wird und
      - in einem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge an erstem Druckgasprodukt gewonnen wird, die geringer ist als die erste Menge,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Mitteln zum Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus so ausgebildet sind, dass
      - in dem ersten Betriebsmodus einer erste Menge des zweiten Prozessstroms (65; 180), die auch Null sein kann, in dem mehrstufigen Verdichter (2; 57/59) von einem Eintrittsdruck auf einen Enddruck verdichtet wird
      - in dem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge des zweiten Prozessstroms (65; 180) in dem mehrstufigen Verdichter (2; 57/59) verdichtet wird, die größer ist als die erste Menge des zweiten Prozessstroms.
      Apparatus for variable recovery of a compressed gas product (72, 73) by means of cryogenic separation of air with
      a distillation column system comprising a high pressure column (21) and a low pressure column (22),
      - A main air compressor (2) for compressing the total feed air to a first pressure which is at least 4 bar higher than the operating pressure of the high-pressure column (21),
      Means for cooling a first partial flow (8, 11, 14) of the feed air (7) compressed in the main air compressor (2) in a main heat exchanger (13) to an intermediate temperature,
      - A first air turbine (15) for work-relaxing of the cooled first partial flow,
      - means for introducing (40; 18, 19, 20) the work-performing expanded first partial flow (16) into the distillation column system,
      - A first secondary compressor (9) for recompressing a second partial flow (12, 27, 29, 30) of the compressed air in the main compressor (2) compressed feed air to a second pressure, which is higher than the first pressure, wherein the after-compressor (9) in particular is driven by the first turbine (15) is recompressed,
      Cooling means for cooling the post-compressed second substream in the main heat exchanger (13),
      - means for expansion (31) and introduction into the distillation column system of the cooled second substream,
      - means for liquid removal of a first product stream (69; 75) taken from the distillation column system and for pressure increase (71; 76) of the liquid first product stream to a first product pressure,
      Means for vaporizing or pseudo-evaporating and heating the first product stream below the first product pressure in the main heat exchanger (13),
      Means for obtaining the warmed first product stream (72, 77) as the first compressed gas product (GOX IC, GAN IC),
      a multi-stage compressor (2; 57/59) for compressing a first process stream containing at least 78 mol% of nitrogen from an inlet pressure to a final pressure,
      - means for mixing a second process stream (65; 180) containing at least 78 mol% nitrogen with the first process stream downstream of the first stage of the multi-stage compressor (2; 57/59),
      - And with means for switching between a first and a second operating mode, wherein
      - In the first mode of operation, a first amount of first compressed gas product is obtained and
      in a second operating mode, a second quantity of first compressed gas product is obtained which is less than the first quantity,
      characterized in that the means for switching between the first and second modes of operation are arranged such that
      in the first mode of operation, a first amount of the second process stream (65; 180), which may also be zero, is compressed in the multi-stage compressor (2; 57/59) from an inlet pressure to a final pressure
      in the second mode of operation, compressing a second amount of the second process stream (65; 180) in the multi-stage compressor (2; 57/59) that is greater than the first amount of the second process stream.
    EP14002307.8A 2014-07-05 2014-07-05 Method and device for cryogenic air separation with variable power consumption Withdrawn EP2963367A1 (en)

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