EP3343158A1 - Verfahren zur herstellung eines oder mehrerer luftprodukte und luftzerlegungsanlage - Google Patents

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EP3343158A1
EP3343158A1 EP16020517.5A EP16020517A EP3343158A1 EP 3343158 A1 EP3343158 A1 EP 3343158A1 EP 16020517 A EP16020517 A EP 16020517A EP 3343158 A1 EP3343158 A1 EP 3343158A1
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EP
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air
pressure column
column
feed air
pressure
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Withdrawn
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EP16020517.5A
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English (en)
French (fr)
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Dimitri GOLUBEV
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04896—Details of columns, e.g. internals, inlet/outlet devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
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    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
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    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
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    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/03—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the pressure level
    • F17C2223/033—Small pressure, e.g. for liquefied gas
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    • F25J2200/90—Details relating to column internals, e.g. structured packing, gas or liquid distribution
    • F25J2200/94—Details relating to the withdrawal point
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    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/02—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using simple phase separation in a vessel or drum
    • F25J2205/04—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using simple phase separation in a vessel or drum in the feed line, i.e. upstream of the fractionation step
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/30—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes
    • F25J2205/32—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes as direct contact cooling tower to produce a cooled gas stream, e.g. direct contact after cooler [DCAC]
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    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/30—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes
    • F25J2205/34—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes as evaporative cooling tower to produce chilled water, e.g. evaporative water chiller [EWC]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/40—Air or oxygen enriched air, i.e. generally less than 30mol% of O2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/50—Oxygen or special cases, e.g. isotope-mixtures or low purity O2
    • F25J2215/52—Oxygen production with multiple purity O2
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    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/50—Oxygen or special cases, e.g. isotope-mixtures or low purity O2
    • F25J2215/54—Oxygen production with multiple pressure O2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/10—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/12—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
    • F25J2240/42—Expansion 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
    • F25J2240/46—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/50—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/58—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being argon or crude argon

Definitions

  • the invention relates to a method for the cryogenic separation of air and an air separation plant according to the preambles of the independent claims.
  • Air separation plants have distillation column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three-column or multi-column systems.
  • distillation columns can be provided for obtaining further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon.
  • the distillation columns of said distillation column systems are operated at different pressure levels.
  • Known double column systems have a so-called high-pressure column (also referred to as a pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (also referred to as the upper column).
  • the pressure level of the high-pressure column is for example 4 to 6 bar, in particular about 5.3 bar.
  • the low-pressure column is operated at a pressure level of, for example, 1.3 to 1.7 bar, in particular about 1.4 bar.
  • pressures of 3 to 4 bar can also be used in the low pressure column.
  • the pressures given here and below are absolute pressures at the top of said columns.
  • the object of the present invention is to make the low-temperature decomposition of air more energy-efficient and cost-effective.
  • the present invention proposes a method for the cryogenic separation of air and an air separation plant with the features of the respective independent claims.
  • Embodiments are each the subject of the dependent claims and the following description.
  • Fluids and gases may be rich or poor in one or more components as used herein, with “rich” being for a content of at least 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99, 9% or 99.99% and “poor” for a content of at most 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a molar, weight or volume basis ,
  • the term "predominantly” can correspond to the definition of "rich”.
  • Liquids and gases may also be enriched or depleted in one or more components, which terms refer to a content in a source liquid or gas from which the liquid or gas was recovered.
  • the liquid or gas is "enriched” if it or this is at least 1.1 times, 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times 100 times or 1000 times, and depleted ", if this or this contains at most 0.9 times, 0.5 times, 0.1 times, 0.01 times or 0.001 times the content of a corresponding component, based on the starting liquid or the starting gas. If, for example, “oxygen” or “nitrogen” is mentioned here, one of them is one below Liquid or a gas that is rich in oxygen or nitrogen, but need not necessarily consist exclusively of it.
  • pressure level and "temperature level” to characterize pressures and temperatures, thereby indicating that corresponding pressures and temperatures in a given plant need not be used in the form of exact pressure or temperature values to realize the innovative concept.
  • pressures and temperatures typically range in certain ranges that are, for example, ⁇ 1%, 5%, 10%, 20% or even 50% about an average.
  • Corresponding pressure levels and temperature levels can be in disjoint areas or in areas that overlap one another. In particular, for example, pressure levels include unavoidable or expected pressure drops. The same applies to temperature levels.
  • the pressure levels indicated here in bar are absolute pressures.
  • turboexpanders can be used for cooling and liquefaction at different locations, as is generally known to those skilled in the art.
  • the function and purpose of such turboexpander is on specialist literature, for example FG Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006 , especially the Sections 2.4, “Contemporary Liquefaction Cycles", 2.6 , “Theoretical Analysis of the Claude Cycle” and 3.8.1, “The Lachman Principle ", directed.
  • impure nitrogen from the high-pressure column can also be fed to a pressurized nitrogen turbine, as is the case within the scope of the present invention.
  • a corresponding pressure nitrogen turbine is also referred to as "impure-pressure nitrogen turbine”.
  • An impure-pressure nitrogen turbine is characterized in that it is fed to a nitrogen-rich fluid from the high-pressure column whose nitrogen content is below the nitrogen of the top product of the high-pressure column, ie below the maximum nitrogen content that can be generated in the high-pressure column.
  • a turboexpander can be coupled via a common shaft with other expansion machines or energy converters such as oil brakes, generators or compressor stages. If one or more turbo expanders are coupled with one or more compressor stages (see below) and if necessary additionally mechanically braked, so that the compressor stage (s) are operated without external energy, for example by means of an electric motor, the term is also generally used for this arrangement "Boosterturbine” used.
  • the compressor stage (s) of a corresponding booster turbine is or are generally referred to as a "booster".
  • Such a booster turbine compresses at least one current by the relaxation of at least one other current, but without external, for example by means of an electric motor, supplied energy.
  • a compressor is understood here to mean an externally, typically electrically, driven device which is set up for compressing at least one gaseous stream from at least one inlet pressure at which it is fed to the compressor to at least one final pressure at which it is taken from the compressor is.
  • the compressor forms a structural unit, which, however, several single compressor units or “compressor stages” in the form of known piston, screw and / or Schaufelrad- or turbine assemblies (ie radial or axial compressor stages) may have.
  • these compressor stages are driven by means of a common drive, for example via a common shaft or a common electric motor.
  • Several compressor stages can thus together form one or more compressors.
  • Rotating units for example expansion machines or expansion turbines, compressors or compressor stages, booster turbines or booster, rotors of electric motors and the like, can be mechanically coupled to one another, wherein a "mechanical coupling" in the parlance of this application is understood that via mechanical elements such Gears, belts, gears and the like, a fixed or mechanically adjustable speed relationship between such rotating units can be produced.
  • a mechanical coupling can generally be made by two or more elements, each engaging, such as in form-engagement or frictional engagement, such as gears or traction sheaves with belts, or a non-rotatable connection.
  • a mechanical coupling can in particular be effected via a common shaft, on which the rotating units are each secured in a rotationally fixed manner. The rotational speed of the rotating units is the same in this case.
  • the present invention is used in particular in connection with so-called MAC-BAC (Main Air Compressor / Booster Air Compressor) methods.
  • a MAC-BAC process is characterized in that only a portion of the total amount of feed air supplied to the distillation column system is compressed to a pressure level which is substantially, i. is at least 3, 4 or 5 bar above the pressure level of the high pressure column. Another part of the distillation column system total supplied amount of feed air is only compressed to the pressure level of the high pressure column or a typically not more than 1 to 2 bar deviating from this pressure level and fed to this in the high pressure column.
  • the compressed to the higher pressure level of the distillation column system total supplied compressed air can be relaxed in a MAC-BAC process after cooling partly in a Claude turbine, as illustrated in the accompanying drawings.
  • HAP process which are also used in the air separation, however, the total, the distillation column system total supplied amount of feed air is compressed to a pressure level that is substantially, ie at least 3 bar, above the pressure level of the high pressure column.
  • the pressure difference is at least 3 bar, but can also be significantly higher, for example at 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar and up to 14, 16, 18 or 20 bar.
  • HAP methods are for example from EP 2 980 514 A1 and the EP 2 963 367 A1 known.
  • Such nitrogen is nitrogen taken from the air separation plant in the form of a liquid or gaseous nitrogen product, and the nitrogen which, as explained, is expanded and otherwise utilized in the pressurized nitrogen turbine.
  • This also includes internally compressed nitrogen, ie liquid nitrogen, which is taken from the high-pressure column, pressurized in a pump and evaporated in the main heat exchanger.
  • the internal compression is also included, for example Haring, Section 2.2.5.2, "Internal Compression "explains.
  • argon discharge is here generally understood as a measure in which a fluid is withdrawn from the low-pressure column which is enriched in argon with respect to an oxygen-rich liquid fed from the low-pressure column, in particular the low-pressure column bottoms product, i. For example, has at least twice, five times or ten times the argon content.
  • Argon ejection further includes not returning at least a portion of the argon contained in a corresponding withdrawn fluid to the low pressure column.
  • the fluid is in particular subjected to an argon removal and only then returned to the low-pressure column.
  • Classical types of argon discharge are a transfer of a corresponding fluid into a crude argon column or argon discharge column, from which only an argon-poor, oxygen-rich fluid is returned to the low-pressure column.
  • the advantageous effect of the argon discharge is due to the fact that the oxygen-argon separation for the discharged argon in the low-pressure column is no longer required.
  • the separation of the argon from the oxygen in the low pressure column itself is basically expensive and requires a corresponding "heating" performance of the main capacitor.
  • Argon is discharged and thus omits the oxygen-argon separation or is this
  • the corresponding amount of argon no longer has to be separated in the oxygen section of the low pressure column and the heating power of the main capacitor can be reduced. Therefore, with the same yield of oxygen, either more air can be blown into the low-pressure column or more pressure nitrogen can be removed from the high-pressure column, which in turn offers energetic advantages.
  • an "argon discharge column” can be understood to mean a separation column for the argon-oxygen separation, which does not serve to obtain a pure argon product but to remove argon from the air to be separated in the high-pressure column and low-pressure column.
  • Their circuit differs only slightly from that of a conventional crude argon column, but it contains significantly less theoretical plates, namely less than 40, especially between 15 and 30.
  • an argon discharge column Like a crude argon column, the bottom region of an argon discharge column is connected to an intermediate point of the low pressure column and the argon discharge column is passed through cooled a top condenser, on its evaporation side typically relaxed bottoms liquid from the high pressure column is introduced.
  • An argon discharge column typically does not have a bottom evaporator.
  • a significant advantage of the present invention is that, as also explained below, a known double column system with high and low pressure column used more efficiently, i. better "exhausted” than with the use of conventional methods.
  • the rectification system can be operated with an optimal so-called Einblaseäquivalent, which energy can be saved.
  • the EinblaseEquivalent is usually defined as the sum of the amount of nitrogen taken from the high pressure column and returned neither as a return in this nor used as a liquid reflux to the low pressure column, and the amount of relaxed in the low pressure column compressed air in proportion to the total in the Distillation column system fed compressed air.
  • the oxygen content in the turbine stream supplied to the impure nitrogen turbine advantageously corresponds approximately to the oxygen content of a so-called impure nitrogen stream (also referred to as waste gas) from the low-pressure column.
  • impure nitrogen stream also referred to as waste gas
  • the stated material flows are in equilibrium with each other and no additional separation work (for cleaning the turbine stream to the purity of "pure" compressed nitrogen with an oxygen content in the ppm range) can be used.
  • the Nachboostern of the throttle current leads in the context of the present invention also to a cost reduction, since in this case the booster can be reduced by one or two stages and therefore can be created and operated cost-effective.
  • the present invention proposes a method for producing one or more air products by cryogenic separation of air in an air separation plant having a distillation column system comprising a high pressure column and a low pressure column, wherein an amount of feed air in a main air compressor is compressed to a first pressure level, of which a first fraction and a second portion be post-compacted in a reboiler. This corresponds to performing a MAC-BAC process as previously explained.
  • the post-compressed first portion of the amount of feed air is further compressed in the context of the inventive method successively using a first booster and a second booster and then cooled, relaxed to the first pressure level and fed into the high-pressure column.
  • This proportion is the already mentioned Joule-Thomson flow, with the previously described Joule-Thomson turbine or a combination of turbine and throttle valves being used for the expansion of the after-compressed and twice-boosted first portion of the feed air quantity ,
  • the post-compressed second portion of the feed air quantity is cooled in the context of the present invention and then using a first Turboexpanders, which is mechanically coupled to the second booster, relaxed to the first pressure level and fed into the high-pressure column.
  • the first turboexpander is a so-called medium-pressure turbine, which was also mentioned earlier.
  • the first portion and the second portion of the amount of feed air in the secondary compressor are recompressed from the first pressure level to a second pressure level and removed together from the after-compressor at the second pressure level.
  • the Joule-Thomson stream and the medium pressure turbine supplied compressed air stream are taken together from the booster, there is no intermediate removal of at least these shares from the booster.
  • high-pressure column is further removed from impure nitrogen at the first pressure level and expanded using a second turboexpander, which is mechanically coupled to the first booster, that is to say the already mentioned impure-pressure nitrogen turbine.
  • a second turboexpander which is mechanically coupled to the first booster, that is to say the already mentioned impure-pressure nitrogen turbine.
  • the impure nitrogen removed from the high-pressure column has an oxygen content of from 0.1 to 5 mol%, in particular from 0.5 to 2 mol%.
  • the cooling of the first portion of the amount of feed air after its compression using the first booster and the second booster is carried out in the context of present invention, in particular in the main heat exchanger of the air separation plant, wherein the first portion of the amount of feed air in the main heat exchanger to a temperature level of 95 to 110 K, in particular from 97 to 105 K, is cooled.
  • the cooling of the second portion of the amount of feed air before its relaxation using the first turboexpander can also be carried out in the main heat exchanger of the air separation plant, wherein the second portion of the feed air amount to the main heat exchanger at a temperature level of 130 ... to 200 K, in particular from 150 to 180 K. , is taken.
  • the impure nitrogen can be heated to a temperature level of 110 to 160 K, in particular from 120 to 150 K, in the context of the present invention before its expansion in the second turboexpander in the main heat exchanger of the air separation plant.
  • the impure nitrogen may be heated to a corresponding temperature level prior to its expansion in the second turboexpander in a secondary heat exchanger provided in addition to the main heat exchanger of the air separation plant.
  • the depletion of the argon-enriched fluid to argon is accomplished by means of a distillation column having less than 40 theoretical plates, in particular an argon discharge column having the characteristics given above.
  • a distillation column having less than 40 theoretical plates in particular an argon discharge column having the characteristics given above.
  • a third portion of the amount of feed air is advantageously cooled at the first pressure level and also fed to the high-pressure column. This is the regular feed air into the high pressure column.
  • the first portion of the feed air quantity of 15 to 40 percent, in particular from 20 to 30 percent of Feed air amount
  • the second portion of the feed air amount of 5 to 30 percent in particular from 10 to 20 percent of the feed air and / or the third portion of the feed air amount of 40 to 70 percent, in particular from 45 to 60 percent of the amount of feed air.
  • the low-pressure column can also be taken from impure nitrogen and, in particular, heated together with the impure nitrogen removed from the high-pressure column and expanded using the second turboexpander.
  • the impure nitrogen removed from the low pressure column and taken from the high pressure column and expanded using the second turboexpander advantageously have an identical or comparable oxygen content.
  • the invention also extends to an air separation plant having a distillation column system comprising a high pressure column and a low pressure column as set forth in the corresponding independent claim.
  • FIG. 1 shows an air separation plant, which is adapted for operation according to an embodiment of the present invention.
  • the air separation plant is designated 100 in total.
  • feed air in the form of a stream a is sucked in by means of a main air compressor 101 in an amount of feed air via a filter 102 and compressed to a first pressure level.
  • the feed air compressed to the first pressure level is branched off in part in the form of a stream b (Air1) and, moreover, in the form of a stream c subjected to a further processing known per se in a post-cooling unit 103 and an adsorber station 104.
  • the feed air of the material flow c compressed to the first pressure level and subjected to the treatment becomes a part in the form of a stream d of a recompression in a secondary compressor 105 and to a further part in the form of a stream e directly a cooling in a secondary heat exchanger 106 and a main heat exchanger 107 supplied.
  • the secondary compressor 105 comprises two compressor sections not designated separately and corresponding aftercoolers.
  • a partial stream of the material stream d is taken in the illustrated example the post-compressor 105 in the form of a stream f at an intermediate pressure level (Air2), the rest is compressed in the secondary compressor 105 to a second pressure level and leaves the after-compressor in the form of a mass flow g.
  • Air2 intermediate pressure level
  • the stream g is divided into a stream h and a stream i, the stream h at the second pressure level supplied to the main heat exchanger 107 and the flow i subjected to a further pressure increase to a third pressure level in a first booster 108 and a second booster 109 and on the third pressure level is supplied to the main heat exchanger 107.
  • the stream h is taken from the main heat exchanger 107 at an intermediate temperature level, in a first turboexpander 110, which is mechanically coupled to the second booster 109, relaxed again to the first pressure level and (see also linkage A) in a high pressure column 111 of a distillation column system 10, the Further, a low-pressure column 112 and an argon discharge column 113, fed.
  • the material flow i is taken from the main heat exchanger 107 cold side, using a generator turbine 114 or in a throttle valve (without designation) or both relaxed, thereby at least partially liquefied, and also fed into the high-pressure column 111.
  • the relaxation of the material flow i prior to feeding into the high-pressure column 111 also takes place at the first pressure level.
  • the high-pressure column 111 is taken from impure nitrogen in the form of a stream k with the above-mentioned exemplary specifications at the first pressure level, the main heat exchanger 107 cold side supplied (see link B), this taken at an intermediate temperature and relaxed in a second turboexpander 115, which in turn is mechanically coupled to the first booster 108.
  • the second turboexpander 115 is the repeatedly mentioned impure-pressure nitrogen turbine.
  • the air of the material stream i is also referred to as the "first fraction" of the feed air quantity (of the material stream a), the air of the material stream h also as the “second fraction” of the feed air quantity and the air of the material stream e as the "third fraction” of the Used quantity of air.
  • the amount of feed air is, as shown here, compressed in the main air compressor 101 to the first pressure level.
  • the first portion and the second portion of the amount of feed air are in the secondary compressor 105 to the second Compressed pressure level and the re-compressor 105 taken together at the second pressure level.
  • the first portion of the feed air quantity is further compressed using the first booster 108 and the second booster 109 to a third pressure level, cooled in the main heat exchanger 107, then expanded to the first pressure level and fed into the high-pressure column 111.
  • the second portion of the feed air quantity is expanded to the first pressure level in the first turboexpander 110, which is mechanically coupled to the second booster 109, and fed into the high-pressure column 111.
  • the high-pressure column is taken from impure nitrogen at the first pressure level and expanded in the second turbo-expander 115 mechanically coupled to the first booster 108.
  • the third portion of the amount of feed air ie the air of the stream e, is supplied to the secondary heat exchanger 106 in the form of two partial streams I and m, wherein the partial flow I the secondary heat exchanger 106 cold side and the partial flow m is taken from the secondary heat exchanger 106 at an intermediate temperature.
  • the partial flow m is further cooled in the main heat exchanger 107 and removed from this cold side.
  • a subset of the third portion of the feed air quantity can also be cooled only in the main heat exchanger 107.
  • the third portion of the amount of feed air is ultimately fed into the high-pressure column 111 as well.
  • an oxygen-enriched liquid in the form of a stream n is withdrawn, passed through a subcooler 116 and fed after use as a cooling medium in a top condenser of the argon discharge column 113 in the low pressure column 112.
  • Gaseous nitrogen is withdrawn from the top of the high-pressure column 111 in the form of a stream o, heated in the main heat exchanger 107 and provided in the form of one or more printed products (seal gas, PGAN). Further gaseous nitrogen is withdrawn from the top of the high-pressure column 111 in the form of a stream p and in a main condenser 117, the high-pressure column 111 and the Low pressure column 112 connects heat exchanging, at least partially liquefied.
  • a partial flow q is returned to the high pressure column 111, a partial flow r is passed through the subcooler 116 and provided as a liquid nitrogen product (LIN). Impure nitrogen is drawn off liquid in addition to the mentioned stream k in the form of a stream s from the high pressure column 111, passed through the subcooler 116 and fed into the low pressure column 112.
  • oxygen in the form of a stream t is withdrawn, in a pump 118 liquid pressure increases (internal compression), heated in the main heat exchanger 107 at least partially in the form of streams u, v and transferred to the gaseous or supercritical state and as appropriate Printed products (IC GOX1, IC GOX2) delivered.
  • Further oxygen is withdrawn in the form of a stream w from the low pressure column 112, passed in part through the subcooler 116 and discharged as a liquid product (LOX).
  • the stream w can also be branched off from the stream of material at the pump outlet or from the stream v, throttled to a lower pressure, fed to the subcooler 116 and then discharged as product.
  • impurity nitrogen is passed in the form of a stream x through the subcooler 116, then heated to parts in the secondary heat exchanger 106 and the main heat exchanger 107 and finally at will and as needed in the Nachkühlmaschine 103 and / or in the adsorber 104th be used (see also link C).
  • Fluid withdrawn from the head of the argon discharge column 113 can be heated (see also linkage D) in the secondary heat exchanger 106 and released to the atmosphere (ATM). So it is not won argon product, but only discharged argon.
  • a corresponding plant can also be equipped with a classical argon system, which may in particular comprise a crude and a pure argon column.
  • FIG. 1 While in FIG. 1 an air separation plant 100 is illustrated, in which the stream k, ie the impure nitrogen from the high pressure column 111, is fed after its expansion in the turboexpander 115 to the guided through the main heat exchanger 107 portion of the stream x is in FIG. 2 a Air separation plant illustrated in which the feed to the guided through the secondary heat exchanger 106 portion illustrates.
  • the stream m is not performed by the secondary heat exchanger 106 but by the main heat exchanger 107 (corresponding to the flow z according to FIGS. 1 and 2 ).
  • the secondary heat exchanger 106 instead of the stream k (see links B and E) is heated.
  • the secondary heat exchanger 106 is not present, the material flow e is therefore completely guided by the main heat exchanger 107. Accordingly, the stream x is completely heated in the main heat exchanger 107. The stream y is heated in the main heat exchanger 107.
  • the low-pressure column 112 is extended by a section 112a for the production of low-pressure nitrogen. Therefore, a low-pressure nitrogen stream j can be withdrawn from the top of the low-pressure column 112.
  • the low pressure nitrogen stream j is passed through the subcooler 116 and heated in a separate passage of the main heat exchanger 107.
  • a partial stream of the stream r can be liquid at the top of the low pressure column 112 abandoned.
  • the secondary heat exchanger 106 may or may not be present.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Luftprodukte durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (10), das eine Hochdrucksäule (111) und eine Niederdrucksäule (112) umfasst, wobei eine Einsatzluftmenge in einem Hauptluftverdichter (101) auf ein erstes Druckniveau verdichtet wird, wovon ein erster Anteil und ein zweiter Anteil in einem Nachverdichter 105 nachverdichtet werden, der nachverdichtete erste Anteil der Einsatzluftmenge unter Verwendung eines ersten Boosters (108) und eines zweiten Boosters (109) weiter verdichtet und anschließend abgekühlt, auf das erste Druckniveau entspannt und in die Hochdrucksäule (111) eingespeist wird, und der nachverdichtete zweite Anteil der Einsatzluftmenge abgekühlt und anschließend unter Verwendung eines ersten Turboexpanders (110), der mit dem zweiten Booster (109) mechanisch gekoppelt ist, auf das erste Druckniveau entspannt und in die Hochdrucksäule (111) eingespeist wird. Es ist vorgesehen, dass der erste Anteil und der zweite Anteil der Einsatzluftmenge in dem Nachverdichter (105) von dem ersten Druckniveau auf ein zweites Druckniveau nachverdichtet und dem Nachverdichter (105) gemeinsam auf dem zweiten Druckniveau entnommen werden, der Hochdrucksäule (111) unreiner Stickstoff auf dem ersten Druckniveau entnommen und unter Verwendung eines zweiten Turboexpanders (115), der mit dem ersten Booster (108) mechanisch gekoppelt ist, entspannt wird, und der Niederdrucksäule (112) ein an Argon angereichertes Fluid entnommen, an Argon abgereichert und in die Niederdrucksäule (112) zurückgeführt wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine Luftzerlegungsanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
    • Stand der Technik
  • Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
  • Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den Destillationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Destillationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Destillationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
  • Die Destillationssäulen der genannten Destillationssäulensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelsäulensysteme weisen eine sogenannte Hochdrucksäule (auch als Drucksäule, Mitteldrucksäule oder untere Säule bezeichnet) und eine sogenannte Niederdrucksäule (auch als obere Säule bezeichnet) auf. Das Druckniveau der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4 bis 6 bar, insbesondere etwa 5,3 bar. Die Niederdrucksäule wird auf einem Druckniveau von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, insbesondere etwa 1,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen, beispielsweise für Kombiprozesse mit integrierter Vergasung (engl. Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) können auch Drücke von 3 bis 4 bar in der Niederdrucksäule eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der genannten Säulen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Tieftemperaturzerlegung von Luft energetisch effizienter und kostengünstiger zu gestalten.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung näher erläutert und nachfolgend verwendete Begriffe definiert.
  • Die in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring in Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus", beschrieben. Sofern die nachfolgenden Definitionen nicht hiervon abweichen, wird daher zum Sprachgebrauch, der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, ausdrücklich auf die zitierte Fachliteratur verwiesen.
  • Flüssigkeiten und Gase können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder an mehreren Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 50%, 25%, 10%, 5%, 1 %, 0,1% oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der Definition von "reich" entsprechen. Flüssigkeiten und Gase können ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen Gehalt in einer Ausgangsflüssigkeit oder einem Ausgangsgas beziehen, aus der oder dem die Flüssigkeit oder das Gas gewonnen wurde. Die Flüssigkeit oder das Gas ist "angereichert", wenn diese oder dieses zumindest den 1,1-fachen, 1,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, und "abgereichert", wenn diese oder dieses höchstens den 0,9-fachen, 0,5-fachen, 0,1-fachen, 0,01-fachen oder 0,001-fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf die Ausgangsflüssigkeit oder das Ausgangsgas enthält. Ist hier beispielsweise von "Sauerstoff" oder "Stickstoff" die Rede, sei hierunter auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, der reich an Sauerstoff oder Stickstoff ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss.
  • Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei dem hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
  • In Luftzerlegungsverfahren können zur Kälteerzeugung und Verflüssigung an unterschiedlichen Stellen Turboexpander eingesetzt werden, wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Nachfolgend ist von "Claude-Turbinen", "Lachmann-Turbinen" und "Druckstickstoff-Turbinen" die Rede. Zur Funktion und zum Zweck solcher Turboexpander wird auf Fachliteratur, beispielsweise F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, insbesondere die Abschnitte 2.4, "Contemporary Liquefaction Cycles", 2.6, "Theoretical Analysis of the Claude Cycle" und 3.8.1, "The Lachmann Principle", verwiesen.
  • Mittels einer Claude-Turbine wird im Fall eines Doppelsäulensystems abgekühlte Druckluft von einem höheren Druckniveau auf das Druckniveau der Hochdrucksäule entspannt und in diese eingespeist. Mittels einer Lachmann-Turbine wird abgekühlte Druckluft hingegen auf das Druckniveau der Niederdrucksäule entspannt und in diese eingespeist. Mittels einer Druckstickstoff-Turbine wird schließlich Stickstoff aus der Hochdrucksäule entspannt. Diese Entspannung kann erfolgen, bevor dieser Stickstoff im Hauptwärmetauscher vollständig erwärmt wird (sogenannte kalte Druckstickstoff-Turbine) oder danach (sogenannte warme Druckstickstoff-Turbine). Der entspannte Stickstoff kann anschließend insbesondere zur Regeneration von Adsorbern eingesetzt werden. Auch durch die Verwendung einer Druckstickstoff-Turbine kann der Energieverbrauch einer Luftzerlegungsanlage gesenkt werden. Wird einer Druckstickstoff-Turbine Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule zugeführt, ist dieser entsprechend rein. Einer Druckstickstoff-Turbine kann jedoch auch unreiner Stickstoff aus der Hochdrucksäule zugeführt werden, wie auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Fall. In letzterem Fall wird eine entsprechende Druckstickstoff-Turbine auch als "Unrein-Druckstickstoff-Turbine" bezeichnet. Eine Unrein-Druckstickstoff-Turbine zeichnet sich dadurch aus, dass ihr ein stickstoffreiches Fluid aus der Hochdrucksäule zugeführt wird, dessen Stickstoffgehalt unterhalb des Stickstoffs des Kopfprodukts der Hochdrucksäule liegt, also unterhalb des maximalen, in der Hochdrucksäule erzeugbaren Stickstoffgehalts.
  • Ein Turboexpander kann über eine gemeinsame Welle mit weiteren Entspannungsmaschinen oder Energiewandlern wie Ölbremsen, Generatoren oder Verdichterstufen gekoppelt sein. Werden ein oder mehrere Turboexpander mit einer oder mehreren Verdichterstufen (siehe unten) gekoppelt und ggf. zusätzlich mechanisch gebremst, so dass die Verdichterstufe(n) ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors, zugeführte Energie betrieben werden, wird für diese Anordnung allgemein auch der Begriff "Boosterturbine" verwendet. Die Verdichterstufe(n) einer entsprechenden Boosterturbine wird bzw. werden allgemein auch als "Booster" bezeichnet. Eine derartige Boosterturbine verdichtet dabei zumindest einen Strom durch die Entspannung zumindest eines anderen Stroms, jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors, zugeführte Energie.
  • Unter einem Verdichter wird hier dagegen eine extern, typischerweise elektrisch, angetriebene Vorrichtung verstanden, die zum Verdichten wenigstens eines gasförmigen Stroms von wenigstens einem Eingangsdruck, bei dem dieser dem Verdichter zugeführt wird, auf wenigstens einen Enddruck, bei dem dieser dem Verdichter entnommen wird, eingerichtet ist. Der Verdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch mehrere einzelne Verdichtereinheiten oder "Verdichterstufen" in Form bekannter Kolben-, Schrauben- und/oder Schaufelrad- bzw. Turbinenanordnungen (also Radial- oder Axialverdichterstufen) aufweisen kann. Insbesondere werden diese Verdichterstufen mittels eines gemeinsamen Antriebs, beispielsweise über eine gemeinsame Welle bzw. einen gemeinsamen Elektromotor, angetrieben. Mehrere Verdichterstufen können damit zusammen einen oder mehrere Verdichter bilden.
  • Drehende Einheiten, beispielsweise Entspannungsmaschinen bzw. Entspannungsturbinen, Verdichter bzw. Verdichterstufen, Boosterturbinen bzw. Booster, Rotoren von Elektromotoren und dergleichen, können mechanisch miteinander gekoppelt sein, wobei unter einer "mechanischen Kopplung" im Sprachgebrauch dieser Anmeldung verstanden wird, dass über mechanische Elemente wie Zahnräder, Riemen, Getriebe und dergleichen, eine feste oder mechanisch einstellbare Drehzahlbeziehung zwischen solchen drehenden Einheiten herstellbar ist. Eine mechanische Kopplung kann allgemein durch zwei oder mehrere, jeweils zueinander in Eingriff, beispielsweise in Formeingriff oder Reibeingriff, stehende Elemente, beispielsweise Zahnräder oder Treibscheiben mit Riemen, oder eine drehfeste Verbindung hergestellt werden. Eine mechanische Kopplung kann insbesondere über eine gemeinsame Welle bewirkt werden, auf der die drehenden Einheiten jeweils drehfest befestigt sind. Die Drehzahl der drehenden Einheiten ist in diesem Fall gleich.
  • Die vorliegende Erfindung kommt insbesondere im Zusammenhang mit sogenannten MAC-BAC-("Main Air Compressor/Booster Air Compressor"-)Verfahren zum Einsatz. Ein MAC-BAC-Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Destillationssäulensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet wird, das wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4 oder 5 bar oberhalb des Druckniveaus der Hochdrucksäule liegt. Ein weiterer Teil der dem Destillationssäulensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge wird lediglich auf den das Druckniveau der Hochdrucksäule oder ein typischerweise um nicht mehr als 1 bis 2 bar von diesem abweichendes Druckniveau verdichtet und auf diesem in die Hochdrucksäule eingespeist. Der auf das höhere Druckniveau verdichtete Anteil der dem Destillationssäulensystem insgesamt zugeführten Druckluft kann in einem MAC-BAC-Verfahren nach einer Abkühlung zum Teil in einer Claude-Turbine entspannt werden, wie auch in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht.
  • Bei HAP-Verfahren, die ebenfalls bei der Luftzerlegung eingesetzt werden, wird hingegen die gesamte, dem Destillationssäulensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet, das wesentlich, d.h. um mindestens 3 bar, oberhalb des Druckniveaus der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied beträgt mindestens 3 bar, kann jedoch auch deutlich höher sein, beispielsweise bei 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar und bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar liegen. HAP-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 980 514 A1 und der EP 2 963 367 A1 bekannt.
  • Sämtlicher Stickstoff, der der Hochdrucksäule entnommen und weder kondensiert und als Rücklauf in diese zurückgeführt noch kondensiert und als flüssiger Rücklauf auf die Niederdrucksäule verwendet wird, beeinträchtigt grundsätzlich die Trennung in der Niederdrucksäule, weil er dort nicht mehr als Rücklauf zur Verfügung steht. Solcher Stickstoff ist Stickstoff, der der Luftzerlegungsanlage in Form eines flüssigen oder gasförmigen Stickstoffprodukts entnommen wird, und der Stickstoff, der wie erläutert in der Druckstickstoff-Turbine entspannt und anderweitig genutzt wird. Hierunter fällt auch innenverdichteter Stickstoff, also flüssiger Stickstoff, der der Hochdrucksäule entnommen, in einer Pumpe auf Druck gebracht und im Hauptwärmetauscher verdampft wird. Die Innenverdichtung ist auch beispielsweise bei Häring, Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert.
  • Unter einer "Argonausschleusung" wird hier allgemein eine Maßnahme verstanden, bei der aus der Niederdrucksäule ein Fluid abgezogen wird, das gegenüber einer aus der Niederdrucksäule eingespeisten sauerstoffreichen Flüssigkeit, insbesondere dem Sumpfprodukt der Niederdrucksäule, an Argon angereichert ist, d.h. beispielsweise mindestens den doppelten, fünffachen oder zehnfachen Argongehalt aufweist. Eine Argonausschleusung umfasst ferner, zumindest einen Teil des in einem entsprechenden, abgezogenen Fluid enthaltenen Argons nicht mehr in die Niederdrucksäule zurückzuführen. Das Fluid wird insbesondere einer Argonabreicherung unterworfen und erst anschließend wieder in die Niederdrucksäule zurückgeführt. Klassische Arten einer Argonausschleusung sind eine Überführung eines entsprechenden Fluids in eine Rohargonsäule oder Argonausschleussäule, von der lediglich ein argonarmes, sauerstoffreiches Fluid wieder in die Niederdrucksäule zurückgeführt wird.
  • Der vorteilhafte Effekt der Argonausschleusung ist darauf zurückzuführen, dass die Sauerstoff-Argon-Trennung für die ausgeschleuste Argonmenge in der Niederdrucksäule nicht mehr erforderlich ist. Das Abtrennen des Argons vom Sauerstoff in der Niederdrucksäule selbst ist grundsätzlich aufwendig und verlangt nach einer entsprechenden "Heiz"-Leistung des Hauptkondensators. Wird Argon ausgeschleust und unterbleibt damit die Sauerstoff-Argon-Trennung oder wird diese beispielsweise in eine Rohargonsäule oder Argonausschleussäule verlagert, muss die entsprechende Argonmenge nicht mehr im Sauerstoffabschnitt der Niederdrucksäule abgetrennt werden und die Heizleistung des Hauptkondensators kann reduziert werden. Daher kann, bei gleichbleibender Ausbeute an Sauerstoff, entweder mehr Luft in die Niederdrucksäule eingeblasen oder mehr Druckstickstoff aus der Hochdrucksäule entnommen werden, was wiederum energetische Vorteile bietet.
  • In einer herkömmlichen Rohargonsäule kann Rohargon gewonnen und in einer nachgeschalteten Reinargonsäule zu einem Argonprodukt aufbereitet werden. Eine Argonausschleussäule dient hingegen vornehmlich zur Argonausschleusung zu dem oben erläuterten Zweck. Grundsätzlich kann unter einer "Argonausschleussäule" eine Trennsäule zur Argon-Sauerstoff-Trennung verstanden werden, die nicht zur Gewinnung eines reinen Argonprodukts, sondern zur Ausschleusung von Argon der in Hochdrucksäule und Niederdrucksäule zu zerlegenden Luft dient. Ihre Schaltung unterscheidet sich nur wenig von der einer klassischen Rohargonsäule, allerdings enthält sie deutlich weniger theoretische Böden, nämlich weniger als 40, insbesondere zwischen 15 und 30. Wie eine Rohargonsäule ist der Sumpfbereich einer Argonausschleussäule mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule verbunden und die Argonausschleussäule wird durch einen Kopfkondensator gekühlt, auf dessen Verdampfungsseite typischerweise entspannte Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule eingeleitet wird. Eine Argonausschleussäule weist typischerweise keinen Sumpfverdampfer auf.
    • Vorteile der Erfindung
  • Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass, wie auch nachfolgend noch erläutert, ein bekanntes Doppelsäulensystem mit Hoch- und Niederdrucksäule effizienter genutzt, d.h. besser "ausgereizt" werden kann als beim Einsatz herkömmlicher Verfahren.
  • Hierzu erfolgen der Einsatz eines MAC/BAC-Verfahrens und ein zweifaches Nachboostern der in einer Joule-Thomson-Turbine (auch als Flüssigturbine oder Dense Fluid Expander bezeichnet) entspannten Luft (sogenannter Drossel- bzw. Joule-Thomson-Strom). Dieses zweifache Nachboostern erfolgt zunächst unter Verwendung einer Unrein-Druckstickstoff-Turbine und anschließend unter Verwendung einer sogenannten Mitteldruck-Turbine, also einer Turbine, die Luft entspannt, welche anschließend in die Hochdrucksäule eingespeist wird, welche aber im Gegensatz zu der in der Joule-Thomson-Turbine entspannten Luft nur in deutlich geringerem Umfang abgekühlt wird. Die Mitteldruck-Turbine wird dabei direkt vom Austritt des Nachverdichters (und nicht von einer Zwischenentnahme) eingespeist. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung entfalten sich dabei beispielsweise in Kombination mit einer Argonausschleussäule (Dummy-Argonsäule), wie sie bereits erläutert wurde.
  • Durch den Einsatz der Unrein-Druckstickstoffturbine kann das Rektifikationssystem mit einem optimalen sogenannten Einblaseäquivalent betrieben werden, wodurch Energie eingespart werden kann. Das Einblaseäquivalent ist üblicherweise definiert als die Summe der Menge des Stickstoffs, der der Hochdrucksäule entnommen und weder als Rücklauf in diese zurückgeführt noch als flüssiger Rücklauf auf die Niederdrucksäule verwendet wird, und der Menge der in die Niederdrucksäule entspannten Druckluft im Verhältnis zu der gesamten in das Destillationssäulensystem eingespeisten Druckluft. Wird beispielsweise eine Unrein-Druckstickstoff-Turbine eingesetzt und in dieser eine Menge M1 unreinen Stickstoffs aus der Hochdrucksäule entspannt, eine Menge M2 des Stickstoffs, der der Hochdrucksäule entnommen wird, als flüssiger und/oder gasförmiges Stickstoffprodukt der Luftzerlegungsanlage entnommen (d.h. nicht als Rücklauf auf die Hoch- und/oder die Niederdrucksäule verwendet), und eine Menge M3 an Druckluft dem Destillationssäulensystem insgesamt zugeführt, ergibt sich das Einblaseäquivalent E zu E = M 1 + M 2 / M 3
    Figure imgb0001
  • Grundsätzlich ermöglicht die Erhöhung des Einblaseäquivalents eine Verringerung des Energiebedarfs.
  • Der Sauerstoffgehalt in dem der Unrein-Druckstickstoffturbine zugeführten Turbinenstrom entspricht dabei vorteilhafterweise in etwa dem Sauerstoffgehalt eines sogenannten Unreinstickstoffstroms (auch als Waste Gas bezeichnet) aus der Niederdrucksäule. In diesem Fall sind die genannten Stoffströme im Gleichgewicht zueinander und es muss keine zusätzliche Trennarbeit (zur Reinigung vom des Turbinenstroms auf die Reinheit "reinen" Druckstickstoffs mit einem Sauerstoffgehalt im ppm-Bereich) aufgewendet werden.
  • Das Nachboostern des Drosselstroms führt im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls zu einer Kostenreduktion, da in diesem Fall der Nachverdichter um eine oder zwei Stufen verringert und daher kostengünstiger erstellt und betrieben werden kann.
  • Der Einsatz von zwei auf unterschiedlichen Temperaturniveaus betriebenen Turbinen erlaubt außerdem eine bessere Optimierung des Q-T-Profils im Hauptwärmetauscher und unter Umständen ein Design der Mitteldruckturbine mit besserem Wirkungsgrad, da der Flüssiganteil am Turbinenaustritt geringer ausfällt. Auch auf diese Weise wird Energie eingespart
  • Der Einsatz einer Mitteldruckturbine erlaubt schließlich eine relativ große Entnahme des reinen Stickstoffprodukts vom Kopf der Hochdrucksäule, da die Unrein-Stickstoff-Turbine hierdurch entlastet wird, und/oder eine relativ große Flüssigproduktion von Flüssigstickstoff, Flüssigsauerstoff und/oder, falls ein vollständiges Argonsystem vorhanden ist, Flüssigargon.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Luftprodukte durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem, das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule umfasst, vor, wobei eine Einsatzluftmenge in einem Hauptluftverdichter auf ein erstes Druckniveau verdichtet wird, wovon ein erster Anteil und ein zweiter Anteil in einem Nachverdichter nachverdichtet werden. Dies entspricht der Durchführung eines MAC-BAC-Verfahrens wie zuvor erläutert.
  • Der nachverdichtete erste Anteil der Einsatzluftmenge wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nacheinander unter Verwendung eines ersten Boosters und eines zweiten Boosters weiter verdichtet und anschließend abgekühlt, auf das erste Druckniveau entspannt und in die Hochdrucksäule eingespeist. Es handelt sich bei diesem Anteil um einen den bereits erwähnten Joule-Thomson-Strom, wobei für die Entspannung des nachverdichteten und zweifach geboosterten ersten Anteils der Einsatzluftmenge insbesondere die zuvor erläuterte Joule-Thomson-Turbine bzw. eine Kombination aus Turbine und Drosselventilen zum Einsatz kommt.
  • Der nachverdichtete zweite Anteil der Einsatzluftmenge wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung abgekühlt und anschließend unter Verwendung eines ersten Turboexpanders, der mit dem zweiten Booster mechanisch gekoppelt ist, auf das erste Druckniveau entspannt und in die Hochdrucksäule eingespeist. Bei dem ersten Turboexpander handelt es sich um eine sogenannte Mitteldruckturbine, die ebenfalls zuvor bereits erwähnt wurde.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der erste Anteil und der zweite Anteil der Einsatzluftmenge in dem Nachverdichter von dem ersten Druckniveau auf ein zweites Druckniveau nachverdichtet und dem Nachverdichter gemeinsam auf dem zweiten Druckniveau entnommen werden. Mit anderen Worten werden der Joule-Thomson-Strom und der der Mitteldruckturbine zugeführte Druckluftstrom dem Nachverdichter gemeinsam entnommen, es erfolgt keine Zwischenentnahme zumindest dieser Anteile aus dem Nachverdichter.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird Hochdrucksäule ferner unreiner Stickstoff auf dem ersten Druckniveau entnommen und unter Verwendung eines zweiten Turboexpanders, der mit dem ersten Booster mechanisch gekoppelt ist, also der bereits erwähnten Unrein-Druckstickstoff-Turbine, entspannt. Zu der Zusammensetzung des "unreinen" Stickstoffs wird dabei insbesondere auf die Erläuterungen unten verwiesen.
  • Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung er Niederdrucksäule ein an Argon angereichertes Fluid entnommen, an Argon abgereichert und in die Niederdrucksäule zurückgeführt. Dies erfolgt insbesondere unter Verwendung einer Argonausschleussäule, wie sie bereits oben erwähnt wurde. Durch die erwähnten Maßnahmen erfolgt also eine Argonausschleusung aus der Niederdrucksäule. Auf diese Weise kann trotz Entnahme von Flüssig- und/oder Druckstickstoff aus der Hochdrucksäule, die erfindungsgemäß vorgenommen wird, die Sauerstoffausbeute in der Niederdrucksäule aufrechterhalten werden.
  • Im Rahmen der vorliegende Erfindung weist der der Hochdrucksäule entnommene unreine Stickstoff einen Sauerstoffgehalt von 0,1 bis 5 Molprozent, insbesondere von 0,5 bis 2 Molprozent, auf.
  • Die Abkühlung des ersten Anteils der Einsatzluftmenge nach dessen Verdichtung unter Verwendung des ersten Boosters und des zweiten Boosters erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere im Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage, wobei der erste Anteil der Einsatzluftmenge in dem Hauptwärmetauscher auf ein Temperaturniveau von 95 bis 110 K, insbesondere von 97 bis 105 K, abgekühlt wird.
  • Die Abkühlung des zweiten Anteils der Einsatzluftmenge vor dessen Entspannung unter Verwendung des ersten Turboexpanders kann ebenfalls im Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage durchgeführt werden, wobei der zweite Anteil der Einsatzluftmenge dem Hauptwärmetauscher auf einem Temperaturniveau von 130... bis 200 K, insbesondere von 150 bis 180 K, entnommen wird.
  • Der unreine Stickstoff kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vor seiner Entspannung in dem zweiten Turboexpander im Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage auf ein Temperaturniveau von 110 bis 160 K, insbesondere von 120 bis 150 K, erwärmt werden. Alternativ dazu kann der unreine Stickstoff vor seiner Entspannung in dem zweiten Turboexpander in einem zusätzlich zum Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage vorgesehenen Nebenwärmetauscher auf ein entsprechendes Temperaturniveau erwärmt werden.
  • Vorteilhafterweise erfolgt die Abreicherung des an Argon angereicherten Fluids an Argon mittels einer Destillationssäule mit weniger als 40 theoretischen Böden, insbesondere einer Argonausschleussäule mit den oben angegebenen Merkmalen. Es kann jedoch auch eine herkömmliche Rohargonsäule, insbesondere in Kombination mit einer Reinargonsäule, eingesetzt werden.
  • Vorteilhafterweise erfolgt die weitere Verdichtung des nachverdichteten ersten Anteils der Einsatzluftmenge im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des ersten Boosters und des zweiten Boosters auf ein drittes Druckniveau von 50 bis 95 bar, insbesondere von 60 bis 90 bar.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise ein dritter Anteil der Einsatzluftmenge auf dem ersten Druckniveau abgekühlt und ebenfalls der Hochdrucksäule zugeführt. Hierbei handelt es sich um die reguläre Einspeiseluft in die Hochdrucksäule. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der erste Anteil der Einsatzluftmenge von 15 bis 40 Prozent, insbesondere von 20 bis 30 Prozent der Einsatzluftmenge, der zweite Anteil der Einsatzluftmenge von 5 bis 30 Prozent, insbesondere von 10 bis 20 Prozent der Einsatzluftmenge und/oder der dritte Anteil der Einsatzluftmenge von 40 bis 70 Prozent, insbesondere von 45 bis 60 Prozent der Einsatzluftmenge umfassen.
  • Der Niederdrucksäule kann ebenfalls unreiner Stickstoff entnommen und insbesondere zusammen mit dem der Hochdrucksäule entnommenen und unter Verwendung des zweiten Turboexpanders entspannten unreinen Stickstoffs erwärmt werden. Wie erwähnt weisen der der Niederdrucksäule entnommene unreine und der der Hochdrucksäule entnommene und unter Verwendung des zweiten Turboexpanders entspannte unreine Stickstoff vorteilhafterweise einen gleichen oder vergleichbaren Sauerstoffgehalt auf.
  • Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem, das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule umfasst, wie in dem entsprechenden unabhängigen Patentanspruch angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage, die vorteilhafterweise zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, wie es zuvor erläutert wurde, profitiert von den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens in seinen erläuterten Ausgestaltungen in gleicher Weise. Auf die obigen Erläuterungen wird daher ausdrücklich verwiesen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Figur 1 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • Figur 2 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • Figur 3 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • Figur 4 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • Figur 5 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • In den nachfolgenden Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Diese werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Zu weiteren Details bezüglich der Funktion von Luftzerlegungsanlagen und ihrer jeweiligen Komponenten sei auf die zitierte Fachliteratur verwiesen (siehe beispielsweise Häring, Figur 2.3A und zugehörige Erläuterungen).
  • Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage, die für einen Betrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingerichtet ist. Die Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet.
  • In der Luftzerlegungsanlage 100 wird Einsatzluft in Form eines Stoffstroms a (AIR) mittels eines Hauptluftverdichters 101 in einer Einsatzluftmenge über ein Filter 102 angesaugt und auf ein erstes Druckniveau verdichtet. Die auf das erste Druckniveau verdichtete Einsatzluft wird zum Teil in Form eines Stoffstroms b abgezweigt (Air1) und im Übrigen in Form eines Stoffstroms c einer an sich bekannten weiteren Aufbereitung in einer Nachkühleinheit 103 und einer Adsorberstation 104 unterworfen.
  • Die auf das erste Druckniveau verdichtete und der Aufbereitung unterworfene Einsatzluft des Stoffstroms c wird auf dem ersten Druckniveau zu einem Teil in Form eines Stoffstroms d einer Nachverdichtung in einem Nachverdichter 105 und zu einem weiteren Teil in Form eines Stoffstroms e direkt einer Abkühlung in einem Nebenwärmetauscher 106 und einem Hauptwärmetauscher 107 zugeführt.
  • Der Nachverdichter 105 umfasst im dargestellten Beispiel zwei nicht gesondert bezeichnete Verdichtersektionen und entsprechende Nachkühler. Ein Teilstrom des Stoffstroms d wird im dargestellten Beispiel dem Nachverdichter 105 in Form eines Stoffstroms f auf einem Zwischendruckniveau entnommen (Air2), der Rest wird in dem Nachverdichter 105 auf ein zweites Druckniveau verdichtet und verlässt den Nachverdichter in Form eines Stoffstroms g.
  • Der Stoffstrom g wird in einen Stoffstrom h und einen Stoffstrom i aufgeteilt, wobei der Stoffstrom h auf dem zweiten Druckniveau dem Hauptwärmetauscher 107 zugeführt und der Stoffstrom i einer weiteren Druckerhöhung auf ein drittes Druckniveau in einem ersten Booster 108 und einem zweiten Booster 109 unterworfen und auf dem dritten Druckniveau dem Hauptwärmetauscher 107 zugeführt wird.
  • Der Stoffstrom h wird dem Hauptwärmetauscher 107 auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, in einem ersten Turboexpander 110, der mit dem zweiten Booster 109 mechanisch gekoppelt ist, wieder auf das erste Druckniveau entspannt und (siehe auch Verknüpfung A) in eine Hochdrucksäule 111 eines Destillationssäulensystems 10, das ferner eine Niederdrucksäule 112 und eine Argonausschleussäule 113 aufweist, eingespeist.
  • Der Stoffstrom i wird dem Hauptwärmetauscher 107 kaltseitig entnommen, unter Verwendung einer Generatorturbine 114 bzw. in einem Drosselventil (ohne Bezeichnung) oder in beiden entspannt, dadurch zumindest zum Teil verflüssigt, und ebenfalls in die Hochdrucksäule 111 eingespeist. Die Entspannung des Stoffstroms i vor der Einspeisung in die Hochdrucksäule 111 erfolgt ebenfalls auf das erste Druckniveau.
  • Der Hochdrucksäule 111 wird unreiner Stickstoff in Form eines Stoffstroms k mit den oben angegebenen beispielhaften Spezifikationen auf dem ersten Druckniveau entnommen, dem Hauptwärmetauscher 107 kaltseitig zugeführt (siehe Verknüpfung B), diesem auf einer Zwischentemperatur entnommen und in einem zweiten Turboexpander 115 entspannt, der nun seinerseits mit dem ersten Booster 108 mechanisch gekoppelt ist. Bei dem zweiten Turboexpander 115 handelt es sich um die mehrfach erwähnte Unrein-Druckstickstoff-Turbine.
  • Die Luft des Stoffstroms i wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als "erster Anteil" der Einsatzluftmenge (des Stoffstroms a), die Luft des Stoffstroms h auch als "zweiter Anteil" der Einsatzluftmenge und die Luft des Stoffstroms e auch als "dritter Anteil" der Einsatzluftmenge bezeichnet. Die Einsatzluftmenge wird, wie hier dargestellt, in dem Hauptluftverdichter 101 auf das erste Druckniveau verdichtet. Der erste Anteil und der zweite Anteil der Einsatzluftmenge werden in dem Nachverdichter 105 auf das zweite Druckniveau nachverdichtet und dem Nachverdichter 105 gemeinsam auf dem zweiten Druckniveau entnommen.
  • Der erste Anteil der Einsatzluftmenge wird unter Verwendung des ersten Boosters 108 und des zweiten Boosters 109 weiter auf ein drittes Druckniveau verdichtet, in dem Hauptwärmetauscher 107 abgekühlt, anschließend auf das erste Druckniveau entspannt und in die Hochdrucksäule 111 eingespeist.
  • Der zweite Anteil der Einsatzluftmenge wird nach einer Abkühlung in dem Hauptwärmetauscher 107 in dem mit dem zweiten Booster 109 mechanisch gekoppelten ersten Turboexpander 110 auf das erste Druckniveau entspannt und in die Hochdrucksäule 111 eingespeist. Der Hochdrucksäule wird unreiner Stickstoff auf dem ersten Druckniveau entnommen und in dem mit dem ersten Booster 108 mechanisch gekoppelten zweiten Turboexpander 115 entspannt.
  • Der dritte Anteil der Einsatzluftmenge, also die Luft des Stoffstroms e, wird dem Nebenwärmetauscher 106 in Form zweier Teilströme I und m zugeführt, wobei der Teilstrom I dem Nebenwärmetauscher 106 kaltseitig und der Teilstrom m dem Nebenwärmetauscher 106 auf einer Zwischentemperatur entnommen wird. Der Teilstrom m wird in dem Hauptwärmetauscher 107 weiter abgekühlt und diesem kaltseitig entnommen. Optional kann, wie in Form eines gestrichelt gezeichneten Stoffstroms z veranschaulicht, eine Teilmenge des dritten Anteils der Einsatzluftmenge aber auch nur in dem Hauptwärmetauscher 107 abgekühlt werden. Der dritte Anteil der Einsatzluftmenge wird letztlich ebenfalls in die Hochdrucksäule 111 eingespeist.
  • Aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 111 wird eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms n abgezogen, durch einen Unterkühler 116 geführt und nach Verwendung als Kühlmedium in einem Kopfkondensator der Argonausschleussäule 113 in die Niederdrucksäule 112 eingespeist.
  • Gasförmiger Stickstoff wird vom Kopf der Hochdrucksäule 111 in Form eines Stoffstroms o abgezogen, im Hauptwärmetauscher 107 erwärmt und in Form eines oder mehrerer Druckprodukte (Sealgas, PGAN) bereitgestellt. Weiterer gasförmiger Stickstoff wird vom Kopf der Hochdrucksäule 111 in Form eines Stoffstroms p abgezogen und in einem Hauptkondensator 117, der die Hochdrucksäule 111 und die Niederdrucksäule 112 wärmetauschend verbindet, zumindest zum Teil verflüssigt. Ein Teilstrom q wird als in die Hochdrucksäule 111 zurückgeführt, ein Teilstrom r durch den Unterkühler 116 geführt und als flüssiges Stickstoffprodukt (LIN) bereitgestellt. Unreiner Stickstoff wird zusätzlich zu dem erwähnten Stoffstrom k auch in Form eines Stoffstroms s aus der Hochdrucksäule 111 flüssig abgezogen, durch den Unterkühler 116 geführt und in die Niederdrucksäule 112 eingespeist.
  • Aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 112 wird Sauerstoff in Form eines Stoffstroms t abgezogen, in einer Pumpe 118 flüssig druckerhöht (Innenverdichtung), im Hauptwärmetauscher 107 zumindest zum Teil in Form von Stoffströmen u, v erwärmt und in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und als entsprechende Druckprodukte (IC GOX1, IC GOX2) abgegeben. Weiterer Sauerstoff wird in Form eines Stoffstroms w aus der Niederdrucksäule 112 abgezogen, zum Teil durch den Unterkühler 116 geführt und als Flüssigprodukt (LOX) abgegeben. Der Strom w kann ggf. auch vom Stoffstrom am Pumpenaustritt bzw. von dem Stoffstrom v abgezweigt, auf geringeren Druck gedrosselt, dem Unterkühler 116 zugeführt und anschließend als Produkt abgegeben werden.
  • Vom Kopf der Niederdrucksäule 112 abgezogener Unreinstickstoff wird in Form eines Stoffstroms x durch den Unterkühler 116 geführt, anschließend zu Teilen in dem Nebenwärmetauscher 106 und dem Hauptwärmetauscher 107 erwärmt und schließlich nach Belieben und je nach Bedarf in der Nachkühleinheit 103 und/oder in der Adsorberstation 104 genutzt werden (siehe hierzu auch Verknüpfung C).
  • Vom Kopf der Argonausschleussäule 113 abgezogenes Fluid kann (siehe hierzu auch Verknüpfung D) im Nebenwärmetauscher 106 erwärmt und an die Atmosphäre (ATM) abgegeben werden. Es wird also kein Argonprodukt gewonnen, sondern Argon lediglich ausgeschleust. Wie bereits oben erwähnt, kann eine entsprechende Anlage jedoch auch mit einem klassischen Argonsystem ausgestattet sein, das insbesondere eine Roh- und eine Reinargonsäule umfassen kann.
  • Während in Figur 1 eine Luftzerlegungsanlage 100 veranschaulicht ist, in der der Stoffstrom k, also der unreine Stickstoff aus der Hochdrucksäule 111, nach seiner Entspannung in dem Turboexpander 115 zu dem durch den Hauptwärmetauscher 107 geführten Anteil des Stoffstroms x zugespeist wird, ist in Figur 2 eine Luftzerlegungsanlage veranschaulicht, bei der die Zuspeisung zu dem durch den Nebenwärmetauscher 106 geführten Anteil veranschaulicht.
  • In der in Figur 3 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage wird der Stoffstrom m nicht durch den Nebenwärmetauscher 106 sondern durch den Hauptwärmetauscher 107 geführt (entsprechend dem Stoffstrom z gemäß Figuren 1 und 2). In dem Nebenwärmetauscher 106 wird stattdessen der Stoffstrom k (siehe Verknüpfungen B und E) erwärmt.
  • In der in Figur 4 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage ist der Nebenwärmetauscher 106 nicht vorhanden, der Stoffstrom e wird daher vollständig durch den Hauptwärmetauscher 107 geführt. Entsprechend wird der Stoffstrom x vollständig in dem Hauptwärmetauscher 107 erwärmt. Auch der Stoffstrom y wird im Hauptwärmetauscher 107 erwärmt.
  • In der in Figur 4 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage ist die Niederdrucksäule 112 um einen Abschnitt 112a zur Gewinnung von Niederdruckstickstoff erweitert. Vom Kopf der Niederdrucksäule 112 kann daher ein Niederdruckstickstoffstrom j abgezogen werden. Der Niederdruckstickstoffstrom j wird durch den Unterkühler 116 geführt und in einer separaten Passage des Hauptwärmetauschers 107 erwärmt. Ein Teilstrom des Stoffstroms r kann flüssig am Kopf der Niederdrucksäule 112 aufgegeben werden. Die in Figur 4 veranschaulichte Ausführungsform kann grundsätzlich mit sämtlichen der in den vorigen Figuren gezeigten Wärmetauscherkonfigurationen verwirklicht sein, d.h. der Nebenwärmetauscher 106 kann vorhanden sein oder nicht.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Luftprodukte durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (10), das eine Hochdrucksäule (111) und eine Niederdrucksäule (112) umfasst, wobei
    - eine Einsatzluftmenge in einem Hauptluftverdichter (101) auf ein erstes Druckniveau verdichtet wird, wovon ein erster Anteil und ein zweiter Anteil in einem Nachverdichter (105) nachverdichtet werden,
    - der nachverdichtete erste Anteil der Einsatzluftmenge unter Verwendung eines ersten Boosters (108) und eines zweiten Boosters (109) weiter verdichtet und anschließend abgekühlt, auf das erste Druckniveau entspannt und zumindest teilweise verflüssigt in die Hochdrucksäule (111) eingespeist wird, und
    - der nachverdichtete zweite Anteil der Einsatzluftmenge abgekühlt und anschließend unter Verwendung eines ersten Turboexpanders (110), der mit dem zweiten Booster (109) mechanisch gekoppelt ist, auf das erste Druckniveau entspannt und in die Hochdrucksäule (111) eingespeist wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der erste Anteil und der zweite Anteil der Einsatzluftmenge in dem Nachverdichter (105) von dem ersten Druckniveau auf ein zweites Druckniveau nachverdichtet und dem Nachverdichter (105) gemeinsam auf dem zweiten Druckniveau entnommen werden,
    - der Hochdrucksäule (111) unreiner Stickstoff auf dem ersten Druckniveau entnommen und unter Verwendung eines zweiten Turboexpanders (115), der mit dem ersten Booster (108) mechanisch gekoppelt ist, entspannt wird, und
    - der Niederdrucksäule (112) ein an Argon angereichertes Fluid entnommen, an Argon abgereichert und in die Niederdrucksäule (112) zurückgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der unreine Stickstoff einen Sauerstoffgehalt von 0,5 bis 2 Molprozent aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abkühlung des ersten Anteils der Einsatzluftmenge nach dessen Verdichtung unter Verwendung des ersten Boosters (108) und des zweiten Boosters (109) im Hauptwärmetauscher (107) der Luftzerlegungsanlage (100) durchgeführt wird, wobei der erste Anteil der Einsatzluftmenge dem Hauptwärmetauscher (107) auf einem Temperaturniveau von 95 bis 110 K entnommen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Abkühlung des zweiten Anteils der Einsatzluftmenge vor dessen Entspannung unter Verwendung des ersten Turboexpanders im Hauptwärmetauscher (107) der Luftzerlegungsanlage (100) durchgeführt wird, wobei der zweite Anteil der Einsatzluftmenge dem Hauptwärmetauscher (107) auf einem Temperaturniveau von 150 bis 180 K entnommen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der unreine Stickstoff vor seiner Entspannung in dem zweiten Turboexpander im Hauptwärmetauscher (107) der Luftzerlegungsanlage (100) auf ein Temperaturniveau von 120 bis 150 K erwärmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der unreine Stickstoff vor seiner Entspannung in dem zweiten Turboexpander in einem zusätzlich zum Hauptwärmetauscher (107) der Luftzerlegungsanlage (100) vorgesehenen Nebenwärmetauscher auf ein Temperaturniveau von 120 bis 150 K erwärmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Abreicherung des an Argon angereicherten Fluids an Argon mittels einer Destillationssäule (13) mit weniger als 40 theoretischen Böden durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die weitere Verdichtung des nachverdichteten ersten Anteils der Einsatzluftmenge unter Verwendung des ersten Boosters (108) und des zweiten Boosters (109) auf ein drittes Druckniveau von 60 bis 90 bar durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein dritter Anteil der Einsatzluftmenge auf dem ersten Druckniveau abgekühlt und ebenfalls der Hochdrucksäule (111) zugeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der erste Anteil der Einsatzluftmenge von 20 bis 30 Prozent der Einsatzluftmenge, der zweite Anteil der Einsatzluftmenge von 10 bis 20 Prozent der Einsatzluftmenge und/oder der dritte Anteil der Einsatzluftmenge von 45 bis 60 Prozent der Einsatzluftmenge umfasst.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Niederdrucksäule (112) unreiner Stickstoff entnommen und zusammen mit dem der Hochdrucksäule (111) entnommenen und unter Verwendung des zweiten Turboexpanders (115) entspannten unreinen Stickstoffs erwärmt wird.
  12. Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (10), das eine Hochdrucksäule (111) und eine Niederdrucksäule (112) umfasst, wobei die Luftzerlegungsanlage aufweist:
    - einen Hauptluftverdichter (101), der dafür eingerichtet ist, eine Einsatzluftmenge auf ein erstes Druckniveau zu verdichten, und einen Nachverdichter, der dafür eingerichtet ist, ein ersten Anteil und einen zweiten der Einsatzluftmenge nachzuverdichten,
    - einen ersten Booster (108) und einen zweiten Booster (109), die dafür eingerichtet sind, den nachverdichteten ersten Anteil der Einsatzluftmenge weiter zu verdichten, wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, den ersten Anteil anschließend abzukühlen, auf das erste Druckniveau zu entspannen und zumindest teilweise verflüssigt in die Hochdrucksäule (111) einzuspeisen, und
    - Mittel, die dafür eingerichtet sind, den nachverdichteten zweite Anteil der Einsatzluftmenge abzukühlen, und einen ersten Turboexpander (110), der mit dem zweiten Booster (109) mechanisch gekoppelt und dafür eingerichtet ist, den zweiten Anteil der Einsatzluftmenge anschließend auf das erste Druckniveau zu entspannen und in die Hochdrucksäule (111) einzuspeisen,
    gekennzeichnet durch Mittel, die dafür eingerichtet sind,
    - den ersten Anteil und der zweite Anteil der Einsatzluftmenge in dem Nachverdichter (105) von dem ersten Druckniveau auf ein zweites Druckniveau nachzuverdichten und dem Nachverdichter (105) gemeinsam auf dem zweiten Druckniveau zu entnehmen,
    - der Hochdrucksäule (111) unreinen Stickstoff auf dem ersten Druckniveau zu entnehmen und unter Verwendung eines zweiten Turboexpanders (115), der mit dem ersten Booster (108) mechanisch gekoppelt ist, zu entspannen, und
    - der Niederdrucksäule (112) ein an Argon angereichertes Fluid zu entnehmen, an Argon abzureichern und in die Niederdrucksäule (112) zurückzuführen.
  13. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 12, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist.
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