EP3620739A1 - Method for the low-temperature decomposition of air and air separation plant - Google Patents

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

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EP3620739A1
EP3620739A1 EP18020430.7A EP18020430A EP3620739A1 EP 3620739 A1 EP3620739 A1 EP 3620739A1 EP 18020430 A EP18020430 A EP 18020430A EP 3620739 A1 EP3620739 A1 EP 3620739A1
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EP
European Patent Office
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pressure level
compressed air
pressure
air
stream
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18020430.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander Alekseev
Dimitri GOLUBEV
Patrick Brandl
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
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Priority to PCT/EP2019/025280 priority patent/WO2020048634A1/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02Processes 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
    • F25J3/04Processes 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
    • F25J3/04006Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
    • F25J3/04078Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
    • F25J3/0409Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression of oxygen
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J3/04248Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04375Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc.
    • F25J3/04387Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc. using liquid or hydraulic turbine expansion
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    • F25J3/04412Processes 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 using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
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    • F25J2240/02Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/10Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being air
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    • 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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    • F25J2290/00Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/12Particular process parameters like pressure, temperature, ratios

Definitions

  • the invention relates to a method and a plant for obtaining an air product according to the respective preambles of the independent claims.
  • Air separation plants have rectification column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • rectification columns for the production of nitrogen and / or oxygen in the liquid and / or gaseous state i.e. the rectification columns for the nitrogen-oxygen separation
  • rectification columns for the production of further air components in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon.
  • the rectification columns of the rectification column systems mentioned are operated at different pressure levels.
  • 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 an upper column).
  • the pressure level of the high pressure column is, for example, 4 to 6 bar, preferably about 5.5 bar.
  • the low pressure column is operated at a pressure level of, for example, 1.3 to 1.7 bar, preferably approximately 1.5 bar.
  • the pressure levels given here and below are absolute pressures which are present at the top of the columns mentioned. The values mentioned are only examples that can be changed if necessary.
  • So-called main compressors / post-compressors (Main Air Compressor / Booster Air Compressor, MAC-BAC) processes or so-called high air pressure (HAP) processes can be used for air separation.
  • the main compressor / post-compressor processes are the more conventional processes, and high-air pressure processes have been used more and more recently as alternatives.
  • the main compressor / post-compressor process is characterized by the fact that only part of the total amount of feed air supplied to the rectification column system is compressed to a pressure level that is significantly higher, i.e. by at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar the pressure level of the high pressure column. Another part of the quantity of feed air is merely compressed to the pressure level of the high-pressure column or a pressure level that does not differ by more than 1 to 2 bar from the pressure level of the high-pressure column, and is fed into the high-pressure column at this lower pressure level.
  • An example of a main compressor / post-compressor process is at Häring (see above) in Figure 2 .3A shown.
  • the total amount of feed air supplied to the rectification column system is compressed to a pressure level that is substantially, ie at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar above the pressure level of the high-pressure column.
  • the pressure difference can be up to 14, 16, 18 or 20 bar, for example.
  • High air pressure processes are for example from the EP 2 980 514 A1 and the EP 2 963 367 A1 known.
  • the present invention is used in particular in air separation plants with so-called internal compression (IV, internal compression, IC).
  • IV internal compression
  • internally compressed gaseous oxygen GOX IV, GOX IC
  • GAN IV, GAN IC internally compressed gaseous nitrogen
  • GAR IV, GAR IC internally compressed gaseous argon
  • the internal compression offers a number of technical advantages over an external compression of corresponding products, which is also possible in principle, and is explained in the specialist literature, for example from Häring (see above), Section 2.2.5.2, "Internal Compression".
  • the object of the present invention is to improve the extraction of air products using air separation plants which are set up for internal compression and to make them simpler and less expensive.
  • turbo expanders also known as “turbines” for short, can be used in typical air separation plants set up for internal compression for the refrigeration and liquefaction of material flows, as is known in principle to the person skilled in the art.
  • Turbines can be used in typical air separation plants set up for internal compression for the refrigeration and liquefaction of material flows, as is known in principle to the person skilled in the art.
  • a Joule-Thomson turbine In a Joule-Thomson turbine, a high-pressure air stream is expanded in an air separation plant. This current is necessary for the evaporation and heating of internally compressed products. In most cases, this compressed air is noticeably supercooled before relaxation or cooled relatively deep in the supercritical state and after relaxation into the high pressure column of a double column system.
  • the Joule-Thomson turbine thus takes on the role of an expansion valve, by means of which a so-called throttle flow is expanded into the high-pressure column in conventional systems.
  • a Claude turbine In the case of a double-column system, a Claude turbine is used to release compressed air that has cooled down from a higher pressure level to the pressure level of the high-pressure column and feed it into it.
  • cooled compressed air is expanded to the pressure level of the low pressure column and fed into it.
  • a Claude turbine is also referred to as a medium pressure turbine and a Lachmann turbine is also referred to as a low pressure turbine.
  • Claude and Lachmann turbines are supplied with compressed air at higher temperature levels than Joule-Thomson turbines, so that no (significant) liquefaction occurs during expansion.
  • the two turbines are also referred to as "gas turbines" in connection with air separation plants.
  • nitrogen or a nitrogen-rich fluid is released from the high-pressure column by means of a pressure nitrogen turbine.
  • a Joule-Thomson turbine is used in conjunction with either a Claude turbine or a Lachmann turbine in air separation plants designed for internal compression. Even without a Joule-Thomson turbine, only a Claude or a Lachmann turbine can be used. In all cases, the use of appropriate turbines serves to compensate for exergy losses and heat leaks.
  • the use of a Joule-Thomson turbine together with either a Claude turbine or a Lachmann turbine has energetic advantages, but obviously leads to significantly higher investment costs compared to an arrangement in which only a Claude turbine or a Lachmann turbine is used .
  • Liquids and gases can be rich or poor in one or more components in the language used here, "rich” for a content of at least 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99 % and “poor” may represent 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis.
  • the term “predominantly” can correspond to the definition of "rich”.
  • Liquids and gases can be enriched or depleted in one or more components, these terms refer to a content in a starting liquid or gas from which the liquid or gas in question was obtained.
  • the liquid or gas is "enriched” if it contains at least 1.1 times, 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times 100 times or 1,000 times the content, 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 used here, this should also be understood to mean a liquid or a gas which is rich in oxygen or nitrogen, but does not necessarily have to consist exclusively of it.
  • pressure level and "temperature level” to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that pressures and temperatures in a corresponding system do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values in order to to realize inventive concept.
  • pressures and temperatures are typically in certain ranges, for example ⁇ 1%, 5%, 10% or 20% around an average.
  • Corresponding pressure levels and temperature levels can lie in disjoint areas or in areas that overlap one another.
  • pressure levels include, for example, unavoidable or expected pressure drops.
  • temperature levels are absolute pressures.
  • Turbines contribute significantly to the construction costs of an air separation plant. Therefore, the number of turbines should be as low as possible from a manufacturing cost perspective. However, due to the energy savings that can be achieved, turbines reduce the operating costs of a corresponding system, so that there is a conflict of objectives. This is solved by the measures proposed according to the invention.
  • the use of the present invention makes it possible to reduce the number of turbines without significantly negatively influencing the energy consumption of a corresponding system in this way.
  • the design of corresponding processes is traditionally limited by the required outlet conditions at the turbines:
  • the required minimum gas or steam content at the outlet of a Claude turbine or a Lachmann turbine is typically at least 90% (there is therefore a maximum of 10% liquid content) .
  • Joule-Thomson turbines specifically designed as liquid turbines are typically operated without any gas or steam at the outlet, i.e. they are completely liquefied.
  • An essential aspect of the present invention is to use the Joule-Thomson turbine as the only turbine in a corresponding process, but to use it to expand into the two-phase area.
  • the present invention achieves the advantages already mentioned.
  • the present invention is particularly suitable for applications with a comparatively low cooling requirement, that is to say those processes in which comparatively small quantities of liquid products are provided and in which comparatively low internal compression pressures are present.
  • the present invention can be used in particular when forced rectification conditions are used, for example when comparatively large amounts of nitrogen-rich fluids are withdrawn from the high-pressure column.
  • blowing-in equivalent denotes the amount (in particular in mole fractions) of the air fed into the low-pressure column plus the nitrogen removed from the high-pressure column and discharged from the air separation unit, in relation to the total air supplied to the distillation column system.
  • the blowing-in equivalent is therefore defined as the amount of compressed air compressed and expanded into the low-pressure column of an air separation plant by means of a blowing turbine, plus the amount of nitrogen that may have been taken from the high-pressure column and neither returned to the high-pressure column itself as a liquid return, nor as a liquid return to the low-pressure column is given, based on the total compressed air fed into the distillation column system. It goes without saying that either the amount of compressed air expanded into the low-pressure column of an air separation plant or the amount of nitrogen that is taken from the high-pressure column and neither returned to the high-pressure column itself as a liquid return nor fed to the low-pressure column as a liquid return is also zero in each case can.
  • the nitrogen withdrawn from the high pressure column may be pure or substantially pure nitrogen from the top of the high pressure column, but may also be a nitrogen enriched gas or liquid which is withdrawn from the area below the head from the high pressure column with a lower nitrogen content can be.
  • increasing the blowing-in equivalent in an air separation plant enables a reduction in energy consumption.
  • the present invention proposes a method for obtaining an air product using an air separation plant with a rectification column system, which comprises a high pressure column which is operated at a first pressure level, and has a low pressure column which is operated at a second pressure level below the first pressure level.
  • the rectification column system can be designed in a basically known manner, in particular as a double column, or can comprise a corresponding double column.
  • the high and low pressure columns are connected via a main condenser, the top gas of the high pressure column is partially liquefied so that it can be returned to the high pressure column as a return line, and the bottom liquid of the low pressure column evaporates.
  • the main capacitor can be designed as an internal or external main capacitor.
  • Other configurations of the rectification column system are also possible in principle.
  • the rectification column system can have further rectification columns, in particular for the production of argon.
  • a first stream of compressed air at a first pressure level and a second stream of compressed air at a third pressure level which is above the first pressure level are provided and are each cooled to the first and third pressure levels.
  • the usable pressure levels are explained in detail below.
  • the cooling can be carried out in particular in a main heat exchanger of the air separation plant, to which the first and second compressed air streams are supplied on the warm side and removed on the cold side.
  • the cooling takes place in particular at different temperature levels and in different passages of the main heat exchanger.
  • the first compressed air flow at the first pressure level can be subjected to cooling to a lower pressure level than the second compressed air flow at the third pressure level.
  • the first and the second compressed air stream are compressed in particular by means of a main air compressor on the one hand or by means of the main air compressor and a secondary compressor on the other hand, as also explained in detail below.
  • the first and the second compressed air stream consist of purified compressed air, which has been dried in a known manner and in particular has been freed from carbon dioxide and possibly other impurities.
  • the first compressed air stream is fed into the rectification column system.
  • the feed is particularly in the high pressure column.
  • the second stream of compressed air is used using a Expansion turbine relaxed to the first pressure level and fed into the rectification column system.
  • a material flow for example a compressed air flow
  • this material flow can also be subjected to part of these process steps as part of a material flow with a larger volume or volume flow.
  • the material flow mentioned in each case can be branched off at any point from the material flow with the larger volume or quantity flow or can be combined at any point with a further material flow to form the material flow with the larger volume or quantity flow. It is also possible, for example, that a material flow with a larger volume or volume flow is first divided to form the material flow mentioned and the material flow mentioned is then combined again with further material flows to form a material flow with a larger volume or volume flow. In other words, at least one further material flow can be subjected to part of the specified process steps together with the material flow mentioned in each case.
  • the first compressed air flow is fed into the rectification column system, which does not exclude that this first compressed air flow is initially part of a compressed air flow provided at the first pressure level with a larger volume or volume flow, of which the first compressed air flow before or after cooling is branched off.
  • the first compressed air flow is fed in particular into the high-pressure column, but this does not rule out that further compressed air at the first pressure level is also fed into the low-pressure column, even after a corresponding cooling.
  • the second compressed air stream is expanded to the first pressure level using an expansion turbine and fed into the rectification column system. This in turn does not preclude further compressed air from being treated in a similar manner and fed into the rectification column system.
  • the entire second compressed air stream can be fed into the rectification column system, in particular completely into the high-pressure column, but also partly into the high-pressure column and partly, after further relaxation, into the low-pressure column, previously also in particular in the high-pressure column Phase separation can take place and a liquid phase that is formed immediately, ie in particular in unchanged material composition as in the two-phase mixture of the second compressed air stream or after mixing with the liquid flowing down in the high-pressure column at the same point in the high-pressure column, again drawn off, supercooled and into the low-pressure column can be relaxed.
  • This can already be the case in the prior art, as is shown, for example, in Figure 1 is illustrated, even if this is in Figure 1 is not explicitly shown.
  • the expansion turbine which is used in the context of the present invention for expanding the second compressed air stream, can in particular be coupled or braked to a generator in order to be able to obtain electrical current in this way.
  • a generator in order to be able to obtain electrical current in this way.
  • other options for braking a corresponding expansion turbine for example oil brakes, can in principle also be used.
  • the present invention is particularly suitable for use in processes by means of which internally compressed air products are provided.
  • the present invention therefore encompasses that a liquid stream of material from the rectification column system (the high-pressure column, the low-pressure column or a possibly existing crude or crude and pure argon column) is carried out, then increased in pressure in the liquid state, converted to the gaseous or supercritical state by heating, and as the air product is discharged from the air separation plant.
  • the liquid material flow can initially be part of a liquid material flow with a larger volume or volume flow, for example. In this way, so-called internally compressed oxygen, internally compressed nitrogen or internally compressed argon can be provided.
  • a corresponding air separation plant can in particular also have units for known types of argon. Provision of internally compressed air products of the same composition but different pressures is also fundamentally possible within the scope of the present invention, for example by pressurizing them to different extents.
  • the conversion into the gaseous or supercritical state takes place in particular in the main heat exchanger of the air separation plant in countercurrent to a stream of material to be cooled, in particular the first and / or second air pressure stream. If, after the pressure increase, the liquid flow (s) is at a supercritical pressure level, there is no evaporation in the classical sense when heated accordingly, but instead it is converted to the supercritical state, ie a "pseudo evaporation".
  • the expansion of the second compressed air stream or a corresponding portion thereof is carried out using the expansion turbine in such a way that a two-phase mixture with the gas portion mentioned below forms at the outlet thereof.
  • the expansion turbine, the second compressed air stream or its relaxed portion here is supplied in particular in a purely liquid or supercritical state.
  • the two-phase mixture formed comprises a liquid phase and a gaseous phase. In principle, these phases can be separated from one another, for example after a settling in a separator.
  • the expansion turbine mentioned which is otherwise basically comparable to a known so-called liquid turbine, as can be used for expanding a throttle flow in a conventional system, is therefore not operated with complete liquefaction of the expanded fluid, but only with partial liquefaction of the fluid.
  • Such operation was recognized as particularly advantageous in the context of the present invention.
  • the expansion of a choke current into the two-phase region is provided in the context of the present invention, whereas in conventional systems a corresponding expansion takes place with complete liquefaction.
  • the expansion turbine which is used for expanding the second compressed air stream or its portion, is the only expansion turbine used in an appropriate air separation plant.
  • no other expansion turbine is advantageously used in addition to the expansion turbine in the context of the present invention.
  • no classic "gas turbines" are used as expansion turbines, so advantageously no expansion turbines are used which are operated in such a way that a pure gas phase or a two-phase mixture with a gas fraction of more than 80% is present at their outlet.
  • the percentage given with regard to the gas fraction is expressed here and below in particular in standard volume or mass fractions and relates to the total flow (which comprises the gas fraction and the liquid fraction). A corresponding percentage is calculated, for example, from the quotient of gas flow and total flow (each in standard cubic meters per hour) multiplied by 100%.
  • the expansion turbine in such a way that the two-phase mixture at the outlet of the expansion turbine has a gas fraction of 5 to 25%, in the above sense based on the entire two-phase mixture, in particular 10 to 20%.
  • This is therefore provided according to the invention.
  • the operation of a corresponding expansion turbine which relaxes in the two-phase region in the context of the present invention, requires a certain (extremely low) temperature at the turbine inlet. This can only be achieved by means of the Joule-Thomson effect during slow cooling of the system with reduced air flow and without the internal compression pumps being operated.
  • a corresponding plant without gas turbines can nevertheless be operated using comparatively moderate pressures, for example a maximum of 80 bar, whereas the classic Linde air separation plants from the beginning of the 20th century had to be operated at pressures of significantly more than 100 bar.
  • a method or a corresponding system can be created within the scope of the present invention, which or the significantly lower investment costs with comparable energy requirements. This is especially true when compared to a system with two turbines, namely a gas turbine (Claude or Lachmann turbine) in combination with a Joule-Thomson turbine that replaces the classic Joule-Thomson valve.
  • a gas turbine Claude or Lachmann turbine
  • Joule-Thomson turbine that replaces the classic Joule-Thomson valve.
  • a method according to a particularly preferred embodiment of the invention comprises either no liquid air products or liquid air products in an amount of not more than 1 mole percent, in particular not more than 0.5 mole percent, of the total air supplied to the rectification column system from the air separation plant .
  • Such a comparatively low level of liquid production means that comparatively small amounts of cold are "withdrawn" from the air system in question by these air products, and therefore the process or the system manages with relatively small amounts of additionally produced cold.
  • an “air product that is discharged from an air separation plant” is understood to mean a fluid that no longer participates in internal circuits, but rather leaves the plant completely. In particular, such a fluid is no longer, even partially, fed into the rectification column system.
  • the present invention is particularly suitable for processes in which internally compressed air products are provided at comparatively moderate pressure levels.
  • a particularly advantageous embodiment of the present invention therefore includes that the air product which is provided in the internal compression method explained is discharged from the air separation plant at a pressure level of not more than 50 bar, in particular not more than 40 or not more than 30 bar.
  • the present invention is used in particular in so-called main compressor-post-compressor processes, as have also been explained above.
  • the first compressed air flow is compressed to the first pressure level by means of a first compression device, or the air is provided at this first pressure level from the outside of the air separation system, for example by means of a so-called air rail at the installation site.
  • the second compressed air stream is first brought to the first pressure level by means of the first compression device or likewise made available externally at the first pressure level and then further compressed to the third pressure level by means of a second compression device.
  • the first and the second compression device if present, can in particular be separate compressors in the form of a main air compressor and a post-compressor.
  • the main air compressor and the post-compressor or the first compression device and the second compression device can also be integrated together in one machine.
  • a multi-stage compressor can be used within the scope of the present invention, from which the first compressed air flow at an intermediate pressure level and the second compressed air flow at an end pressure level can be taken.
  • the first compression device is part of the compression stages of the common machine
  • the second compression device is a further part of the compression stages of this machine.
  • the compressor stages can in particular be driven in synchronism with speed or at different speeds using a common drive.
  • any combination of compression devices or compressors is possible within the scope of the present invention, by means of which a corresponding compression can be carried out.
  • a temperature level to which the second compressed air stream is cooled is advantageously within the scope of the present invention at the outlet from the main heat exchanger at -150 to -180 ° C. This temperature level is advantageously in particular from ⁇ 155 to ⁇ 170 ° C.
  • the second compressed air stream is cooled to a temperature level below the condensing temperature at a corresponding pressure level or to a temperature level significantly below the critical temperature for supercritical pressures.
  • the first compressed air stream is cooled in particular near the liquefaction temperature of air at the first pressure level, but at a certain distance, for example from 0.5 to 10 K above it.
  • the second compressed air stream already experiences a liquefaction or a temperature drop significantly below the critical point, whereas the first compressed air stream remains in the gaseous state.
  • the first compressed air flow at the first pressure level is cooled in particular more deeply than the second compressed air flow at the third pressure level.
  • the first pressure level is in particular 5 to 7 bar absolute pressure.
  • the second pressure level can be in particular 1.1 to 2 bar absolute pressure.
  • the third pressure level can be, for example, approximately 50 to 90 bar absolute pressure, in particular approximately 80 bar absolute pressure.
  • the first and second pressure levels are typical pressure levels as they exist in the high and low pressure columns of known double column systems of air separation plants; the third pressure level corresponds to a typically used post-compressor pressure in a corresponding system.
  • a part of the second compressed air stream which has been expanded to the first pressure level using the expansion turbine is fed into the low-pressure column.
  • the two-phase mixture that forms at the outlet of the expansion turbine, which is used in the at least partial expansion of the second compressed air flow to the first pressure level is partially or completely fed into the high-pressure column and a liquid fraction is separated from it in the high-pressure column and that the liquid fraction is partially or completely passed through a countercooling countercurrent, expanded to the second pressure level, and fed into the low pressure column.
  • the second compressed air stream is expanded to the first pressure level partly using the expansion turbine and partly using an expansion valve.
  • the respective relaxation of different proportions of the first pressure level in corresponding expansion devices arranged in parallel can in particular also take place in different, variable proportions as required.
  • the first and the second compressed air stream are completely fed into the rectification column system of the air separation plant and, in addition to the first and second compressed air stream, no further air is conducted into the rectification column system.
  • the first compressed air stream in the context of the present invention can comprise 60 to 80 mole percent and the second compressed air stream can comprise the rest of the total air fed into the rectification column system.
  • the present invention also extends to an air separation plant for obtaining an air product, comprising a rectification column system comprising a high pressure column configured to operate at a first pressure level and a low pressure column configured to operate at a second pressure level below the first pressure level is.
  • a rectification column system comprising a high pressure column configured to operate at a first pressure level and a low pressure column configured to operate at a second pressure level below the first pressure level is.
  • An air separation plant provided according to the invention is in particular set up to carry out corresponding methods and has specifically designed means for this in each case.
  • FIG. 1 an air separation plant according to an embodiment not according to the invention is illustrated and designated by 200 in total.
  • a compressed air flow a is provided and divided into two partial flows b and c.
  • the Partial stream d is taken from the main heat exchanger 3 at an intermediate temperature level, expanded in a expansion turbine 210, which can in particular be mechanically coupled to a generator or an oil brake, and into a low-pressure column 12 of a rectification column system 10, which also has a high-pressure column and a high-pressure column 11 and Low pressure column 12 has heat-exchanging connecting main capacitor 13, fed.
  • the expansion turbine 210 is therefore a typical Lachmann turbine, for which reference is made to the introductory explanations.
  • the partial stream e is led to the cold end through the main heat exchanger of the air separation plant 200 and then fed into a lower region of the high-pressure column 11.
  • the partial flow c is subjected to a post-compression in a post-compressor 4, which is followed by an after-cooler (not designated separately).
  • Sub-stream c is then divided into further sub-streams f and g, which are each fed to the main heat exchanger 3 on the warm side.
  • the partial flow f is led to the cold end through the main heat exchanger 3 and expanded by means of an expansion turbine 5 or an expansion valve 6.
  • the expansion turbine 5 is a so-called Joule-Thomson expansion turbine, for which reference is also made to the above explanations.
  • Joule-Thomson expansion turbine expansion is carried out in this, in which the fluid at the outlet is in the completely or almost completely liquid state.
  • the stream f released in the expansion turbine 5 and in the expansion valve 6 is likewise fed into the high-pressure column 11.
  • the partial flow f is a typical choke current.
  • the partial stream g is taken from the main heat exchanger 3 at an intermediate temperature level, which, however, in the example shown is below the intermediate temperature level at which the material stream d is taken from the main heat exchanger, and is expanded in an expansion turbine 220.
  • the expansion turbine 220 is a classic Claude expansion turbine and is operated in the illustrated conventional air separation plant 200 with little or no liquid at the turbine outlet.
  • the stream of matter g is after its relaxation in the Expansion turbine 220 combined with the stream e and fed into the lower region of the high pressure column 11.
  • a material flow h is removed from the bottom of the high-pressure column 11, passed through a supercooling counterflow 8, and expanded into the low-pressure column 12.
  • Nitrogen-rich head gas in the form of a stream i is drawn off from the top of the high-pressure column 11, which is partly passed through the main condenser 11 in the form of a stream k and is at least partially liquefied in the process. Again a part of it is fed back in the form of a material flow I to the high pressure column 11, a further part is led in the form of a material flow m through the supercooling countercurrent 8 and fed in at the top of the low pressure column 12 as a return.
  • An oxygen-rich liquid in the form of a stream o is drawn off from the bottom of the low-pressure column 12, the pressure is raised by means of a pump 9, and is heated in the main heat exchanger 3 and thereby converted into the gaseous or supercritical state. In this way, an internally compressed compressed oxygen product (PGOX) can be provided.
  • a gaseous stream p is discharged from an intermediate region of the low-pressure column 12, passed through the supercooling counterflow 8 and heated in the main heat exchanger 3. This is so-called impure nitrogen (UN2), which can be used for different purposes in the air separation plant 200.
  • a liquid retention device in the head region of the low-pressure column 12 separates out nitrogen-rich liquid, which can be drawn off in the form of a material flow r and made available as a liquid nitrogen product (LIN).
  • a gaseous fluid drawn off from the top of the high-pressure column 12 can be conducted in the form of a material flow s through the supercooling countercurrent and through the main heat exchanger 3, heated, and provided as a low-pressure nitrogen product (LPGAN).
  • Figure 2 is an air separation plant according to an embodiment of the invention schematically illustrated and generally designated 100.
  • Components illustrated and present here for a comparable purpose are in Figure 2 indicated with identical reference numerals and are only partially explained again for the sake of clarity.
  • ambient air (A) is drawn in here by means of a main air compressor 1 via a filter 2 and compressed to a pressure level, which is referred to here as the "first" pressure level.
  • the correspondingly compressed compressed air which is here as in FIG Figure 1 is illustrated in the form of a stream a, divided into partial streams b and c, the first partial stream b being referred to here consistently as the "first" compressed air stream and the partial stream c being referred to throughout as the "second" compressed air stream.
  • the first compressed air flow b is passed through the main heat exchanger 3 without further division into two partial flows.
  • the partial flow c which is also compressed here in the post-compressor 4, to a pressure level referred to here as "third" pressure level of, for example, approximately 80 bar.
  • This second compressed air stream c is also led from the warm end to the cold end through the main heat exchanger 3.
  • the first compressed air flow b and the second compressed air flow c are thus cooled in the main heat exchanger 3 in separate passages, as explained above.
  • the first compressed air stream b is fed into the lower region of the high-pressure column 11 of the rectification column system 10, the second compressed air stream c is expanded to the first pressure level using the expansion turbine 5 and the expansion valve 6.
  • the relaxed compressed air flow c here denoted by t, is fed here into the high-pressure column 11 as a two-phase mixture which forms at the outlet of the at least one expansion turbine 5.
  • This liquid fraction referred to here as u, is at least partially withdrawn from the high-pressure column 11, passed through the supercooling counterflow 3 and expanded into the low-pressure column 12 of the rectification column system 10.
  • Air separation plant 100 illustrated otherwise corresponds to the operation of FIG Figure 1 Air separation plant 100 illustrated.
  • no further expansion turbines 210 and 220 are used, and expansion takes place in the expansion turbine 5 in such a way that a considerable proportion of gas is present at the outlet of the expansion turbine.
  • low-oxygen nitrogen can be drawn off at a pressure level of 5 to 6 bar in the form of stream i and partially made available as a product.
  • the pump 9 of the material flow o is increased in particular to a pressure level of 20 to 40 bar, for example approx. 30 bar.
  • impure nitrogen (UN2) is drawn off in the form of a material flow, the low pressure column 12 is thereby forced to operate.

Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Gewinnung eines Luftprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Rektifikationssäulensystem (10), das eine Hochdrucksäule (11), die auf einem ersten Druckniveau betrieben wird, und eine Niederdrucksäule (12), die auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben wird aufweist, vor. Es ist vorgesehen, dass ein erster Druckluftstrom auf einem ersten Druckniveau und ein zweiter Druckluftstrom auf einem dritten Druckniveau oberhalb des ersten Druckniveaus bereitgestellt und einer Abkühlung unterworfen werden, der erste Druckluftstrom in das Rektifikationssäulensystem (11) eingespeist wird und der zweite Druckluftstrom unter Verwendung einer Entspannungsturbine (5) auf das erste Druckniveau entspannt in das Rektifikationssäulensystem (11) eingespeist wird, und ein flüssiger Stoffstrom aus dem Rektifikationssäulensystem (10) ausgeführt und in flüssigem Zustand druckerhöht, in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und als das wenigstens eine Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Entspannungsturbine (5), die bei der Entspannung des zweiten Druckluftstroms auf das erste Druckniveau verwendet wird, derart betrieben wird, dass sich an deren Austritt ein Zweiphasengemisch bildet, das am Austritt einen Gasanteil von 5 bis 25%, bezogen auf das gesamte Zweiphasengemisch, aufweist. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.The present invention proposes a method for extracting an air product using an air separation plant (100) with a rectification column system (10), which has a high pressure column (11) which is operated at a first pressure level and a low pressure column (12) which is operated on a second Has operated pressure level below the first pressure level, before. It is provided that a first compressed air flow at a first pressure level and a second compressed air flow at a third pressure level above the first pressure level are provided and subjected to cooling, the first compressed air flow is fed into the rectification column system (11) and the second compressed air flow using an expansion turbine (5) relaxed to the first pressure level is fed into the rectification column system (11), and a liquid material flow from the rectification column system (10) is carried out and pressure-increased in the liquid state, converted into the gaseous or supercritical state and as the at least one air product from the air separation plant (100) is derived. The invention is characterized in that the expansion turbine (5), which is used when the second compressed air stream is expanded to the first pressure level, is operated in such a way that a two-phase mixture is formed at its outlet, which has a gas content of 5 to 25 at the outlet %, based on the total two-phase mixture. A corresponding air separation plant (100) is also the subject of the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Gewinnung eines Luftprodukts gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method and a plant for obtaining an air product according to the respective preambles of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

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.The production of air products in a liquid or gaseous state by low-temperature separation of air in air separation plants is known and, for example, at H.-W. Häring (ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, in particular Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification ", described.

Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den Rektifikationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Rektifikationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Auch wenn entsprechende Rektifikationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten nachfolgend nicht konkret thematisiert werden, können sie auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein.Air separation plants have rectification column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems. In addition to the rectification columns for the production of nitrogen and / or oxygen in the liquid and / or gaseous state, i.e. the rectification columns for the nitrogen-oxygen separation, rectification columns for the production of further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon, can be provided. Even if corresponding rectification columns for the extraction of further air components are not specifically discussed below, they can also be the subject of the present invention.

Die Rektifikationssäulen der genannten Rektifikationssäulensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. 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 liegt beispielsweise bei 4 bis 6 bar, vorzugsweise etwa 5,5 bar. Die Niederdrucksäule wird auf einem Druckniveau von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar, betrieben. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Druckniveaus handelt es sich jeweils um Absolutdrücke, die am Kopf der jeweils genannten Säulen vorliegen. Die genannten Werte stellen lediglich Beispiele dar, die bei Bedarf verändert werden können.The rectification columns of the rectification column systems mentioned are operated at different pressure levels. 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 an upper column). The pressure level of the high pressure column is, for example, 4 to 6 bar, preferably about 5.5 bar. The low pressure column is operated at a pressure level of, for example, 1.3 to 1.7 bar, preferably approximately 1.5 bar. The pressure levels given here and below are absolute pressures which are present at the top of the columns mentioned. The values mentioned are only examples that can be changed if necessary.

Zur Luftzerlegung können sogenannte Hauptverdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren oder sogenannte Hochluftdruck-(High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zum Einsatz.So-called main compressors / post-compressors (Main Air Compressor / Booster Air Compressor, MAC-BAC) processes or so-called high air pressure (HAP) processes can be used for air separation. The main compressor / post-compressor processes are the more conventional processes, and high-air pressure processes have been used more and more recently as alternatives.

Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Rektifikationssäulensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet wird, das wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, oberhalb des Druckniveaus der Hochdrucksäule liegt. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf das Druckniveau der Hochdrucksäule oder ein Druckniveau, das sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar von dem Druckniveau der Hochdrucksäule unterscheidet, verdichtet, und auf diesem niedrigeren Druckniveau in die Hochdrucksäule eingespeist. Ein Beispiel für ein Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt.The main compressor / post-compressor process is characterized by the fact that only part of the total amount of feed air supplied to the rectification column system is compressed to a pressure level that is significantly higher, i.e. by at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar the pressure level of the high pressure column. Another part of the quantity of feed air is merely compressed to the pressure level of the high-pressure column or a pressure level that does not differ by more than 1 to 2 bar from the pressure level of the high-pressure column, and is fed into the high-pressure column at this lower pressure level. An example of a main compressor / post-compressor process is at Häring (see above) in Figure 2 .3A shown.

Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die gesamte dem Rektifikationssäulensystem insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet, das wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar oberhalb des Druckniveaus der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied kann beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar betragen. Hochluftdruck-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 980 514 A1 und der EP 2 963 367 A1 bekannt.In the case of a high-air pressure process, on the other hand, the total amount of feed air supplied to the rectification column system is compressed to a pressure level that is substantially, ie at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar above the pressure level of the high-pressure column. The pressure difference can be up to 14, 16, 18 or 20 bar, for example. High air pressure processes are for example from the EP 2 980 514 A1 and the EP 2 963 367 A1 known.

Die vorliegende Erfindung kommt insbesondere bei Luftzerlegungsanlagen mit sogenannter Innenverdichtung (IV, Internal Compression, IC) zum Einsatz. Hierbei wird wenigstens ein Produkt, das mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, dadurch gebildet, dass dem Rektifikationssäulensystem eine tiefkalte Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung unterworfen, und, je nach dem vorliegenden Druck, durch Erwärmen entweder in den gasförmigen oder in den überkritischen Zustand überführt wird. Beispielsweise kann mittels Innenverdichtung innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff (GOX IV, GOX IC), innenverdichteter gasförmiger Stickstoff (GAN IV, GAN IC) oder innenverdichtetes gasförmiges Argon (GAR IV, GAR IC) erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von technischen Vorteilen gegenüber einer grundsätzlich ebenfalls möglichen externen Verdichtung entsprechender Produkte und ist in der Fachliteratur, beispielsweise bei Häring (s.o.), Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert.The present invention is used in particular in air separation plants with so-called internal compression (IV, internal compression, IC). Here, at least one product, which is provided by means of the air separation plant, is formed by removing a cryogenic liquid from the rectification column system, subjecting it to a pressure increase in the liquid state, and, depending on the pressure present, by heating either in the gaseous or in the supercritical state is transferred. For example, internally compressed gaseous oxygen (GOX IV, GOX IC), internally compressed gaseous nitrogen (GAN IV, GAN IC) or internally compressed gaseous argon (GAR IV, GAR IC) can be generated by means of internal compression. The internal compression offers a number of technical advantages over an external compression of corresponding products, which is also possible in principle, and is explained in the specialist literature, for example from Häring (see above), Section 2.2.5.2, "Internal Compression".

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Gewinnung von Luftprodukten unter Verwendung von Luftzerlegungsanlagen, die zur Innenverdichtung eingerichtet sind, zu verbessern und einfacher und kostengünstiger auszugestalten.The object of the present invention is to improve the extraction of air products using air separation plants which are set up for internal compression and to make them simpler and less expensive.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage zur Gewinnung eines Luftprodukts mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.This object is achieved by a method and a plant for obtaining an air product with the respective features of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the respective dependent claims and the description below.

Nachfolgend werden zunächst einige bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile verwendete Begriffe sowie der zugrunde liegende technische Hintergrund näher erläutert.Some terms used in the description of the present invention and its advantages and the underlying technical background are first explained in more detail below.

Wie unter Bezugnahme auf die unten weiter erläuterte Figur 1 veranschaulicht, können in typischen, zur Innenverdichtung eingerichteten Luftzerlegungsanlagen zur Kälteerzeugung und Verflüssigung von Stoffströmen an unterschiedlichen Stellen Turboexpander, kurz auch als "Turbinen" bezeichnet, eingesetzt werden, wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Nachfolgend ist insbesondere von "Joule-Thomson-Turbinen", "Claude-Turbinen", "Lachmann-Turbinen" und "Druckstickstoff-Turbinen" die Rede. Zur Funktion und zum Zweck entsprechender Turbinen wird ergänzend zu den nachfolgenden Erläuterungen auf die 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.As explained with reference to the below Figure 1 illustrated, turbo expanders, also known as "turbines" for short, can be used in typical air separation plants set up for internal compression for the refrigeration and liquefaction of material flows, as is known in principle to the person skilled in the art. In the following, we speak in particular of "Joule-Thomson turbines", "Claude turbines", "Lachmann turbines" and "pressure nitrogen turbines". In addition to the explanations below, reference is made to the specialist literature on the function and purpose of corresponding turbines, for example FG Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, in particular sections 2.4, "Contemporary Liquefaction Cycles", 2.6, "Theoretical Analysis of the Claude Cycle" and 3.8.1, "The Lachmann Principle" , referred.

In einer Joule-Thomson-Turbine wird in einer Luftzerlegungsanlage ein Hochdruck-Luftstrom entspannt. Dieser Strom ist zum Verdampfen und Anwärmen von innenverdichteten Produkten notwendig. In den meisten Fällen wird diese Druckluft vor Entspannung spürbar unterkühlt bzw. relativ tief im überkritischen Zustand abgekühlt und nach Entspannung in die Hochdrucksäule eines Doppelsäulensystems geleitet. Die Joule-Thomson-Turbine übernimmt damit die Rolle eines Entspannungsventils, mittels dessen in herkömmlichen Anlagen ein sogenannter Drosselstrom in die Hochdrucksäule entspannt wird.In a Joule-Thomson turbine, a high-pressure air stream is expanded in an air separation plant. This current is necessary for the evaporation and heating of internally compressed products. In most cases, this compressed air is noticeably supercooled before relaxation or cooled relatively deep in the supercritical state and after relaxation into the high pressure column of a double column system. The Joule-Thomson turbine thus takes on the role of an expansion valve, by means of which a so-called throttle flow is expanded into the high-pressure column in conventional systems.

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. Eine Claude-Turbine wird auch als Mitteldruckturbine und eine Lachmann-Turbine auch als Niederdruckturbine bezeichnet. Claude- und Lachmann-Turbinen wird die Druckluft auf höheren Temperaturniveaus zugeführt als Joule-Thomson-Turbinen, so dass sich bei der Entspannung keine (nennenswerte) Verflüssigung einstellt. Die beiden Turbinen werden im Zusammenhang mit Luftzerlegungsanlagen auch als "Gasturbinen" bezeichnet. Mittels einer Druckstickstoff-Turbine wird schließlich Stickstoff bzw. ein stickstoffreiches Fluid aus der Hochdrucksäule entspannt.In the case of a double-column system, a Claude turbine is used to release compressed air that has cooled down from a higher pressure level to the pressure level of the high-pressure column and feed it into it. By means of a Lachmann turbine, however, cooled compressed air is expanded to the pressure level of the low pressure column and fed into it. A Claude turbine is also referred to as a medium pressure turbine and a Lachmann turbine is also referred to as a low pressure turbine. Claude and Lachmann turbines are supplied with compressed air at higher temperature levels than Joule-Thomson turbines, so that no (significant) liquefaction occurs during expansion. The two turbines are also referred to as "gas turbines" in connection with air separation plants. Finally, nitrogen or a nitrogen-rich fluid is released from the high-pressure column by means of a pressure nitrogen turbine.

Typischerweise werden in zur Innenverdichtung eingerichteten Luftzerlegungsanlagen eine Joule-Thomson-Turbine zusammen mit entweder einer Claude-Turbine oder einer Lachmann-Turbine eingesetzt. Es kann auch unter Verzicht auf eine Joule-Thomson-Turbine lediglich eine Claude- oder eine Lachmann-Turbine eingesetzt werden. In allen Fällen dient die Verwendung entsprechender Turbinen zur Kompensation von Exergieverlusten und Wärmelecks. Die Verwendung einer Joule-Thomson-Turbine zusammen mit entweder einer Claude-Turbine oder einer Lachmann-Turbine hat energetische Vorteile, führt jedoch gegenüber einer Anordnung, bei der lediglich eine Claude-Turbine oder einer Lachmann-Turbine eingesetzt wird, offensichtlich zu deutlich höheren Investitionskosten.Typically, a Joule-Thomson turbine is used in conjunction with either a Claude turbine or a Lachmann turbine in air separation plants designed for internal compression. Even without a Joule-Thomson turbine, only a Claude or a Lachmann turbine can be used. In all cases, the use of appropriate turbines serves to compensate for exergy losses and heat leaks. The use of a Joule-Thomson turbine together with either a Claude turbine or a Lachmann turbine has energetic advantages, but obviously leads to significantly higher investment costs compared to an arrangement in which only a Claude turbine or a Lachmann turbine is used .

Das von F. Linde zu Beginn des 20. Jahrhunderts vorgeschlagene Verfahren zur Luftverflüssigung kommt völlig ohne Turbinen aus und bedient sich lediglich des Joule-Thomson-Effekts. Allerdings wird hier keine Innenverdichtung vorgenommen und das Verfahren benötigt Drücke von über 100 bar. Details sind bei Kerry (s.o.), Abschnitt 2.5, "Linde Cycle (Free Expansion through a Valve)", angegeben.The air liquefaction process proposed by F. Linde at the beginning of the 20th century does not require any turbines and only uses the Joule-Thomson effect. However, there is no internal compression here and the process requires pressures of over 100 bar. Details are given in Kerry (see above), Section 2.5, "Linde Cycle (Free Expansion through a Valve)".

Die weiteren in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring (s.o.) 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.The other devices used in an air separation plant are described in the technical literature cited, for example from Haering (see above) in Section 2.2.5.6, "Apparatus". If the following definitions do not deviate from this, express reference is made to the cited technical literature for the language used in the context of the present application.

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 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 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 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 jeweils betrachtete Flüssigkeit oder das jeweils betrachtete 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, die oder das reich an Sauerstoff oder Stickstoff ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss.Liquids and gases can be rich or poor in one or more components in the language used here, "rich" for a content of at least 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99 % and "poor" may represent 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis. The term "predominantly" can correspond to the definition of "rich". Liquids and gases can be enriched or depleted in one or more components, these terms refer to a content in a starting liquid or gas from which the liquid or gas in question was obtained. The liquid or gas is "enriched" if it contains at least 1.1 times, 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times 100 times or 1,000 times the content, 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 used here, this should also be understood to mean a liquid or a gas which is rich in oxygen or nitrogen, but does not necessarily have to consist exclusively of it.

Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass 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% oder 20% 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.The present application uses the terms "pressure level" and "temperature level" to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that pressures and temperatures in a corresponding system do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values in order to to realize inventive concept. However, such pressures and temperatures are typically in certain ranges, for example ± 1%, 5%, 10% or 20% around an average. Corresponding pressure levels and temperature levels can lie in disjoint areas or in areas that overlap one another. In particular, pressure levels include, for example, unavoidable or expected pressure drops. Corresponding applies to temperature levels. The pressure levels given here in bar are absolute pressures.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Turbinen tragen signifikant zu den Erstellungskosten einer Luftzerlegungsanlage bei. Daher sollte die Anzahl von Turbinen aus Erstellungskostensicht so gering wie möglich sein. Allerdings verringern Turbinen durch die erzielbaren Energieeinsparungen die Betriebskosten einer entsprechenden Anlage, so dass hier ein Zielkonflikt besteht. Dieser wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen gelöst. Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung wird eine Reduzierung der Anzahl von Turbinen möglich, ohne den Energieverbrauch einer entsprechenden Anlage auf diese Weise signifikant negativ zu beeinflussen.Turbines contribute significantly to the construction costs of an air separation plant. Therefore, the number of turbines should be as low as possible from a manufacturing cost perspective. However, due to the energy savings that can be achieved, turbines reduce the operating costs of a corresponding system, so that there is a conflict of objectives. This is solved by the measures proposed according to the invention. The use of the present invention makes it possible to reduce the number of turbines without significantly negatively influencing the energy consumption of a corresponding system in this way.

Die Auslegung entsprechender Verfahren ist herkömmlicherweise durch die geforderten Austrittsbedingungen an den Turbinen limitiert: Der geforderte minimale Gas- bzw. Dampfanteil am Austritt einer Claude-Turbine oder einer Lachmann-Turbine liegt typischerweise bei mindestens 90% (es sind also maximal 10% Flüssiganteil vorhanden). Spezifisch als Flüssigturbinen ausgebildete Joule-Thomson-Turbinen werden hingegen typischerweise völlig ohne Gas- bzw. Dampfanteil am Austritt betrieben, d.h. in ihnen erfolgt eine vollständige Verflüssigung.The design of corresponding processes is traditionally limited by the required outlet conditions at the turbines: The required minimum gas or steam content at the outlet of a Claude turbine or a Lachmann turbine is typically at least 90% (there is therefore a maximum of 10% liquid content) . Joule-Thomson turbines specifically designed as liquid turbines, on the other hand, are typically operated without any gas or steam at the outlet, i.e. they are completely liquefied.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, die Joule-Thomson-Turbine als einzige Turbine in einem entsprechenden Verfahren einzusetzen, an dieser aber eine Expansion ins Zweiphasengebiet vorzunehmen. Die vorliegende Erfindung erzielt auf diese Weise die bereits angesprochenen Vorteile. Die vorliegende Erfindung eignet sich dabei insbesondere für Anwendungen mit vergleichsweise geringem Kältebedarf, also solche Verfahren, in denen vergleichsweise geringe Mengen an Flüssigprodukten bereitgestellt werden, und bei denen vergleichsweise geringe Innenverdichtungsdrücke vorliegen. Ferner ist die vorliegende Erfindung insbesondere bei Einsatz forcierter Rektifikationsbedingungen verwendbar, beispielsweise wenn der Hochdrucksäule vergleichsweise große Mengen stickstoffreicher Fluide entnommen werden.An essential aspect of the present invention is to use the Joule-Thomson turbine as the only turbine in a corresponding process, but to use it to expand into the two-phase area. In this way, the present invention achieves the advantages already mentioned. The present invention is particularly suitable for applications with a comparatively low cooling requirement, that is to say those processes in which comparatively small quantities of liquid products are provided and in which comparatively low internal compression pressures are present. Furthermore, the present invention can be used in particular when forced rectification conditions are used, for example when comparatively large amounts of nitrogen-rich fluids are withdrawn from the high-pressure column.

Entsprechende "forcierte Rektifikationsbedingungen" liegen im hier verwendeten Sprachgebrauch insbesondere dann vor, wenn ein sogenanntes Einblaseäquivalent mehr als 10 oder mehr als 15% beträgt. Das Einblaseäquivalent bezeichnet dabei die Menge (insbesondere in Molanteilen) der in die Niederdrucksäule eingespeisten Luft zuzüglich des der Hochdrucksäule entnommenen und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführten Stickstoffs, und zwar im Verhältnis zur gesamten, dem Destillationssäulensystem zugeführten Luft.Corresponding "forced rectification conditions" exist in the language used here in particular when a so-called blowing equivalent is more than 10 or more than 15%. The blowing-in equivalent denotes the amount (in particular in mole fractions) of the air fed into the low-pressure column plus the nitrogen removed from the high-pressure column and discharged from the air separation unit, in relation to the total air supplied to the distillation column system.

Das Einblaseäquivalent ist also definiert als die Menge der verdichteten und mittels einer Einblaseturbine in die Niederdrucksäule einer Luftzerlegungsanlage entspannten Druckluft zuzüglich der Menge des Stickstoffs, der ggf. der Hochdrucksäule entnommen und weder als flüssiger Rücklauf in die Hochdrucksäule selbst zurückgeführt noch als flüssiger Rücklauf auf die Niederdrucksäule aufgegeben wird, bezogen auf die gesamte in das Destillationssäulensystem eingespeiste Druckluft. Es versteht sich, dass entweder die Menge der in die Niederdrucksäule einer Luftzerlegungsanlage entspannten Druckluft oder die Menge des Stickstoffs, der der Hochdrucksäule entnommen und weder als flüssiger Rücklauf in die Hochdrucksäule selbst zurückgeführt noch als flüssiger Rücklauf auf die Niederdrucksäule aufgegeben wird, auch jeweils null sein kann. Der Stickstoff, der der Hochdrucksäule entnommen wird, kann reiner oder im Wesentlichen reiner Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule sein, aber auch ein an Stickstoff angereichertes Gas oder eine entsprechende Flüssigkeit, das oder die mit geringerem Stickstoffgehalt aus einem Bereich unterhalb des Kopfs aus der Hochdrucksäule abgezogen werden kann.The blowing-in equivalent is therefore defined as the amount of compressed air compressed and expanded into the low-pressure column of an air separation plant by means of a blowing turbine, plus the amount of nitrogen that may have been taken from the high-pressure column and neither returned to the high-pressure column itself as a liquid return, nor as a liquid return to the low-pressure column is given, based on the total compressed air fed into the distillation column system. It goes without saying that either the amount of compressed air expanded into the low-pressure column of an air separation plant or the amount of nitrogen that is taken from the high-pressure column and neither returned to the high-pressure column itself as a liquid return nor fed to the low-pressure column as a liquid return is also zero in each case can. The nitrogen withdrawn from the high pressure column may be pure or substantially pure nitrogen from the top of the high pressure column, but may also be a nitrogen enriched gas or liquid which is withdrawn from the area below the head from the high pressure column with a lower nitrogen content can be.

Wird in einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage eine Einblaseturbine eingesetzt und in dieser eine Menge M1 an Druckluft entspannt, eine Menge M2 Stickstoff der Hochdrucksäule entnommen und als flüssiges 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 in einer entsprechenden Anlage zu E = (M1 + M2) / M3. Grundsätzlich ermöglicht die Erhöhung des Einblaseäquivalents in einer Luftzerlegungsanlage eine Verringerung des Energiebedarfs.If a blowing-in turbine is used in a corresponding air separation plant and a quantity M1 of compressed air is expanded in this, a quantity M2 nitrogen is removed from the high-pressure column and removed as a liquid and / or gaseous nitrogen product from the air separation plant, i.e. not used as a return to the high and / or low pressure column, and a quantity M3 of compressed air supplied to the distillation column system as a whole, the blowing-in equivalent E in a corresponding system results in E = (M1 + M2) / M3. Basically, increasing the blowing-in equivalent in an air separation plant enables a reduction in energy consumption.

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Gewinnung eines Luftprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage mit einem Rektifikationssäulensystem vor, das eine Hochdrucksäule, die auf einem ersten Druckniveau betrieben wird, und eine Niederdrucksäule, die auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben wird aufweist. Das Rektifikationssäulensystem kann in grundsätzlich bekannter Weise, insbesondere als Doppelsäule, ausgebildet sein oder eine entsprechende Doppelsäule umfassen. Die Hoch- und die Niederdrucksäule sind dabei über einen Hauptkondensator verbunden, der Kopfgas der Hochdrucksäule teilweise verflüssigt, um dieses als Rücklauf auf die Hochdrucksäule zurückführen zu können, und der Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule verdampft. Der Hauptkondensator kann als innen- oder außenliegender Hauptkondensator ausgebildet sein. Auch andere Konfigurationen des Rektifikationssäulensystems sind grundsätzlich möglich. Insbesondere kann das Rektifikationssäulensystem weitere Rektifikationssäulen, insbesondere zur Argongewinnung, aufweisen. Zu Details sei auf die zitierte Fachliteratur verwiesen.The present invention proposes a method for obtaining an air product using an air separation plant with a rectification column system, which comprises a high pressure column which is operated at a first pressure level, and has a low pressure column which is operated at a second pressure level below the first pressure level. The rectification column system can be designed in a basically known manner, in particular as a double column, or can comprise a corresponding double column. The high and low pressure columns are connected via a main condenser, the top gas of the high pressure column is partially liquefied so that it can be returned to the high pressure column as a return line, and the bottom liquid of the low pressure column evaporates. The main capacitor can be designed as an internal or external main capacitor. Other configurations of the rectification column system are also possible in principle. In particular, the rectification column system can have further rectification columns, in particular for the production of argon. For details, reference is made to the cited specialist literature.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein erster Druckluftstrom auf einem ersten Druckniveau und ein zweiter Druckluftstrom auf einem dritten Druckniveau, das oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, bereitgestellt und jeweils auf dem ersten bzw. dritten Druckniveau einer Abkühlung unterworfen. Die verwendbaren Druckniveaus werden unten im Detail erläutert. Die Abkühlung kann insbesondere in einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage durchgeführt werden, dem der erste und der zweite Druckluftstrom warmseitig zugeführt und kaltseitig entnommen werden. Die Abkühlung erfolgt dabei insbesondere auf unterschiedliche Temperaturniveaus und in unterschiedlichen Passagen des Hauptwärmetauschers. Auch hierzu sind Details unten angegeben. Insbesondere kann der erste Druckluftstrom auf dem ersten Druckniveau einer Abkühlung auf ein tieferes Druckniveau unterworfen werden als der zweite Druckluftstrom auf dem dritten Druckniveau. Der erste und der zweite Druckluftstrom werden insbesondere mittels eines Hauptluftverdichters einerseits bzw. mittels des Hauptluftverdichters und eines Nachverdichters andererseits verdichtet, wie ebenfalls unten im Detail erläutert. Der erste und der zweite Druckluftstrom bestehen aus aufgereinigter Druckluft, die auf bekannte Weise getrocknet und insbesondere von Kohlendioxid und ggf. weiteren Verunreinigungen befreit wurde.In the method according to the invention, a first stream of compressed air at a first pressure level and a second stream of compressed air at a third pressure level which is above the first pressure level are provided and are each cooled to the first and third pressure levels. The usable pressure levels are explained in detail below. The cooling can be carried out in particular in a main heat exchanger of the air separation plant, to which the first and second compressed air streams are supplied on the warm side and removed on the cold side. The cooling takes place in particular at different temperature levels and in different passages of the main heat exchanger. Here too, details are given below. In particular, the first compressed air flow at the first pressure level can be subjected to cooling to a lower pressure level than the second compressed air flow at the third pressure level. The first and the second compressed air stream are compressed in particular by means of a main air compressor on the one hand or by means of the main air compressor and a secondary compressor on the other hand, as also explained in detail below. The first and the second compressed air stream consist of purified compressed air, which has been dried in a known manner and in particular has been freed from carbon dioxide and possibly other impurities.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der erste Druckluftstrom in das Rektifikationssäulensystem eingespeist. Die Einspeisung erfolgt insbesondere in die Hochdrucksäule. Der zweite Druckluftstrom wird unter Verwendung einer Entspannungsturbine auf das erste Druckniveau entspannt und in das Rektifikationssäulensystem eingespeist.In the context of the present invention, the first compressed air stream is fed into the rectification column system. The feed is particularly in the high pressure column. The second stream of compressed air is used using a Expansion turbine relaxed to the first pressure level and fed into the rectification column system.

Ist hier davon die Rede, dass ein Stoffstrom, beispielsweise ein Druckluftstrom, bestimmten Verfahrensschritten unterworfen wird, schließt dies jeweils nicht aus, dass dieser Stoffstrom einem Teil dieser Verfahrensschritte auch als Teil eines Stoffstroms mit größerem Volumen- oder Mengenstrom unterworfen werden kann. Der jeweils genannte Stoffstrom kann dabei an beliebiger Stelle von dem Stoffstrom mit dem größerem Volumen- oder Mengenstrom abgezweigt oder an beliebiger Stelle mit einem weiteren Stoffstrom zu dem Stoffstrom mit dem größerem Volumen- oder Mengenstrom vereinigt werden. Es ist beispielsweise auch möglich, dass ein Stoffstrom mit größerem Volumen- oder Mengenstrom zunächst unter Bildung des genannten Stoffstroms aufgeteilt wird und der genannte Stoffstrom anschließend wieder mit weiteren Stoffströmen zu einem Stoffstrom mit größerem Volumen- oder Mengenstrom vereinigt wird. Anders ausgedrückt kann wenigstens ein weiterer Stoffstrom zusammen mit dem jeweils genannten Stoffstrom einem Teil der angegebenen Verfahrensschritte unterworfen werden.If there is talk here of a material flow, for example a compressed air flow, being subjected to certain process steps, this does not rule out that this material flow can also be subjected to part of these process steps as part of a material flow with a larger volume or volume flow. The material flow mentioned in each case can be branched off at any point from the material flow with the larger volume or quantity flow or can be combined at any point with a further material flow to form the material flow with the larger volume or quantity flow. It is also possible, for example, that a material flow with a larger volume or volume flow is first divided to form the material flow mentioned and the material flow mentioned is then combined again with further material flows to form a material flow with a larger volume or volume flow. In other words, at least one further material flow can be subjected to part of the specified process steps together with the material flow mentioned in each case.

So wird, wie erwähnt, der erste Druckluftstrom in das Rektifikationssäulensystem eingespeist, was nicht ausschließt, dass dieser erste Druckluftstrom zunächst ein Teil eines auf dem ersten Druckniveau bereitgestellten Druckluftstroms mit größerem Volumen- oder Mengenstrom ist, von dem der erste Druckluftstrom vor oder nach der Abkühlung abgezweigt wird. Die Einspeisung des ersten Druckluftstroms erfolgt, wie ferner erwähnt, insbesondere in die Hochdrucksäule, was aber nicht ausschließt, dass weitere Druckluft auf dem ersten Druckniveau, auch nach einer entsprechenden Abkühlung, in die Niederdrucksäule eingespeist wird. Wie erwähnt, wird der zweite Druckluftstrom unter Verwendung einer Entspannungsturbine auf das erste Druckniveau entspannt und in das Rektifikationssäulensystem eingespeist. Dies wiederum schließt nicht aus, dass weitere Druckluft in ähnlicher Weise behandelt und in das Rektifikationssäulensystem eingespeist wird.Thus, as mentioned, the first compressed air flow is fed into the rectification column system, which does not exclude that this first compressed air flow is initially part of a compressed air flow provided at the first pressure level with a larger volume or volume flow, of which the first compressed air flow before or after cooling is branched off. As mentioned further, the first compressed air flow is fed in particular into the high-pressure column, but this does not rule out that further compressed air at the first pressure level is also fed into the low-pressure column, even after a corresponding cooling. As mentioned, the second compressed air stream is expanded to the first pressure level using an expansion turbine and fed into the rectification column system. This in turn does not preclude further compressed air from being treated in a similar manner and fed into the rectification column system.

Wie auch unten erläutert, kann insbesondere ein Teil des zweiten Druckluftstroms mittels der Entspannungsturbine und ein weiterer Teil mittels eines Entspannungsventils entspannt werden. Dies soll von der Angabe umfasst sein, wonach der zweite Druckluftstrom "unter Verwendung" einer Entspannungsturbine entspannt wird, da diese Formulierung nicht angibt, dass die Entspannung unter ausschließlicher Verwendung der Entspannungsmaschine erfolgt. Insbesondere wird aber der gesamte zweite Druckluftstrom mittels einer Entspannungsturbine auf das zweite Druckniveau entspannt. Dies schließt aber wiederum nicht aus, dass Teile hiervon anschließend weiter entspannt werden können. Insbesondere kann der gesamte zweite Druckluftstrom in das Rektifikationssäulensystem eingespeist werden, und zwar insbesondere vollständig in die Hochdrucksäule, aber auch zu einem Teil in die Hochdrucksäule und zu einem anderen Teil, nach weiterer Entspannung, in die Niederdrucksäule, wobei zuvor auch insbesondere in der Hochdrucksäule eine Phasentrennung erfolgen kann und eine sich dabei bildende Flüssigphase unmittelbar, d.h. insbesondere in unveränderter stofflicher Zusammensetzung wie in dem Zweiphasengemisch des zweiten Druckluftstroms oder auch nach Mischung mit der in der Hochdrucksäule herabfließenden Flüssigkeit an der gleichen Stelle der Hochdrucksäule, wieder abgezogen, unterkühlt und in die Niederdrucksäule entspannt werden kann. Dies kann auch im Stand der Technik bereits der Fall sein, wie er beispielsweise in Figur 1 veranschaulicht ist, auch wenn dies in Figur 1 nicht explizit gezeigt ist. Die Entspannungsturbine, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Entspannung des zweiten Druckluftstroms eingesetzt wird, kann insbesondere mit einem Generator gekoppelt bzw. gebremst werden, um auf diese Weise elektrischen Strom gewinnen zu können. Es versteht sich jedoch, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich auch andere Möglichkeiten zur Bremsung einer entsprechenden Entspannungsturbine, beispielsweise Ölbremsen, eingesetzt werden können.As also explained below, in particular a part of the second compressed air flow can be relaxed by means of the expansion turbine and another part by means of an expansion valve. This should be covered by the statement that the second compressed air stream "using" an expansion turbine is relaxed, since this formulation does not indicate that the relaxation takes place using only the relaxation machine. In particular, however, the entire second compressed air stream is expanded to the second pressure level by means of an expansion turbine. However, this does not rule out that parts of it can then be further relaxed. In particular, the entire second compressed air stream can be fed into the rectification column system, in particular completely into the high-pressure column, but also partly into the high-pressure column and partly, after further relaxation, into the low-pressure column, previously also in particular in the high-pressure column Phase separation can take place and a liquid phase that is formed immediately, ie in particular in unchanged material composition as in the two-phase mixture of the second compressed air stream or after mixing with the liquid flowing down in the high-pressure column at the same point in the high-pressure column, again drawn off, supercooled and into the low-pressure column can be relaxed. This can already be the case in the prior art, as is shown, for example, in Figure 1 is illustrated, even if this is in Figure 1 is not explicitly shown. The expansion turbine, which is used in the context of the present invention for expanding the second compressed air stream, can in particular be coupled or braked to a generator in order to be able to obtain electrical current in this way. However, it goes without saying that, within the scope of the present invention, other options for braking a corresponding expansion turbine, for example oil brakes, can in principle also be used.

Wie bereits erwähnt, ist die vorliegende Erfindung insbesondere zum Einsatz in Verfahren geeignet, mittels derer innenverdichtete Luftprodukte bereitgestellt werden. Die vorliegende Erfindung umfasst daher, dass ein flüssiger Stoffstrom aus dem Rektifikationssäulensystem (der Hochdrucksäule, der Niederdrucksäule oder einer ggfs. vorhandenen Roh- oder Roh- und Reinargonsäule) ausgeführt, anschließend in flüssigem Zustand druckerhöht, durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und als das Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird. Auch hier versteht sich, dass der flüssige Stoffstrom beispielsweise zunächst Teil eines flüssigen Stoffstroms mit größerem Volumen- oder Mengenstroms sein kann. Auf diese Weise können im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere sogenannter innenverdichteter Sauerstoff, innenverdichteter Stickstoff oder innenverdichtetes Argon bereitgestellt werden. Wie erwähnt, kann eine entsprechende Luftzerlegungsanlage insbesondere auch Einheiten zur Argongewinnung bekannter Art aufweisen. Auch eine Bereitstellung von innenverdichteten Luftprodukten gleicher Zusammensetzung jedoch unterschiedlicher Drücke ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich möglich, beispielsweise indem diese in unterschiedlichem Umfang druckbeaufschlagt werden. Die Überführung in den gasförmigen oder überkritischen Zustand erfolgt insbesondere im Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage im Gegenstrom zu einem abzukühlenden Stoffstrom, insbesondere dem ersten und/oder zweiten Luftdruckstrom. Liegen der oder die flüssigen Stoffströme dabei nach der Druckerhöhung auf einem überkritischen Druckniveau vor, kommt es bei einer entsprechenden Erwärmung zu keiner Verdampfung im klassischen Sinn, sondern zur Überführung in den überkritischen Zustand, also einer "Pseudoverdampfung".As already mentioned, the present invention is particularly suitable for use in processes by means of which internally compressed air products are provided. The present invention therefore encompasses that a liquid stream of material from the rectification column system (the high-pressure column, the low-pressure column or a possibly existing crude or crude and pure argon column) is carried out, then increased in pressure in the liquid state, converted to the gaseous or supercritical state by heating, and as the air product is discharged from the air separation plant. Here, too, it goes without saying that the liquid material flow can initially be part of a liquid material flow with a larger volume or volume flow, for example. In this way, so-called internally compressed oxygen, internally compressed nitrogen or internally compressed argon can be provided. As mentioned, a corresponding air separation plant can in particular also have units for known types of argon. Provision of internally compressed air products of the same composition but different pressures is also fundamentally possible within the scope of the present invention, for example by pressurizing them to different extents. The conversion into the gaseous or supercritical state takes place in particular in the main heat exchanger of the air separation plant in countercurrent to a stream of material to be cooled, in particular the first and / or second air pressure stream. If, after the pressure increase, the liquid flow (s) is at a supercritical pressure level, there is no evaporation in the classical sense when heated accordingly, but instead it is converted to the supercritical state, ie a "pseudo evaporation".

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde als besonders vorteilhaft erkannt, wenn die Entspannung des zweiten Druckluftstroms oder eines entsprechenden Anteils davon unter Verwendung der Entspannungsturbine derart durchgeführt wird, dass sich an deren Austritt ein Zweiphasengemisch mit dem nachfolgend erwähnten Gasanteil bildet. Der Entspannungsturbine wird dabei der zweite Druckluftstrom oder dessen hier entspannter Anteil insbesondere in rein flüssigem bzw. überkritischem Zustand zugeführt. Das gebildete Zweiphasengemisch umfasst eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase. Diese Phasen können grundsätzlich, beispielsweise nach einer Beruhigung in einem Abscheider, voneinander getrennt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die angesprochene Entspannungsturbine, die ansonsten grundsätzlich einer bekannten sogenannten Flüssigturbine vergleichbar ist, wie sie zur Entspannung eines Drosselstroms in einer herkömmlichen Anlage eingesetzt werden kann, also nicht unter vollständiger Verflüssigung des entspannten Fluids sondern nur unter Teilverflüssigung des Fluids betrieben. Ein derartiger Betrieb wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft erkannt. Mit anderen Worten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung also die Entspannung eines Drosselstroms in das Zweiphasengebiet vorgesehen, wohingegen in herkömmlichen Anlagen eine entsprechende Entspannung unter vollständiger Verflüssigung erfolgt.In the context of the present invention, it was recognized as particularly advantageous if the expansion of the second compressed air stream or a corresponding portion thereof is carried out using the expansion turbine in such a way that a two-phase mixture with the gas portion mentioned below forms at the outlet thereof. The expansion turbine, the second compressed air stream or its relaxed portion here is supplied in particular in a purely liquid or supercritical state. The two-phase mixture formed comprises a liquid phase and a gaseous phase. In principle, these phases can be separated from one another, for example after a settling in a separator. In the context of the present invention, the expansion turbine mentioned, which is otherwise basically comparable to a known so-called liquid turbine, as can be used for expanding a throttle flow in a conventional system, is therefore not operated with complete liquefaction of the expanded fluid, but only with partial liquefaction of the fluid. Such operation was recognized as particularly advantageous in the context of the present invention. In other words, the expansion of a choke current into the two-phase region is provided in the context of the present invention, whereas in conventional systems a corresponding expansion takes place with complete liquefaction.

Insbesondere stellt im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Entspannungsturbine, die zur Entspannung des zweiten Druckluftstroms oder dessen Anteil verwendet wird, die einzige Entspannungsturbine dar, die in einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage eingesetzt wird. Mit anderen Worten wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise zusätzlich zur der Entspannungsturbine keine andere Entspannungsturbine verwendet. Insbesondere werden im Rahmen der Erfindung aber keine klassischen "Gasturbinen" als Entspannungsturbinen verwendet, es werden also vorteilhafterweise keine Entspannungsturbinen eingesetzt, die derartig betrieben werden, dass an ihrem Austritt eine reine Gasphase oder ein Zweiphasengemisch mit einem Gasanteil von mehr als 80% vorliegen. Durch den Verzicht auf entsprechende weitere Turbinen kann eine erfindungsgemäß ausgebildete Luftzerlegungsanlage besonders kostengünstig erstellt und betrieben werden.In particular, in the context of the present invention, the expansion turbine, which is used for expanding the second compressed air stream or its portion, is the only expansion turbine used in an appropriate air separation plant. In other words, no other expansion turbine is advantageously used in addition to the expansion turbine in the context of the present invention. In particular, in the context of the invention, however, no classic "gas turbines" are used as expansion turbines, so advantageously no expansion turbines are used which are operated in such a way that a pure gas phase or a two-phase mixture with a gas fraction of more than 80% is present at their outlet. By dispensing with corresponding additional turbines, an air separation plant designed according to the invention can be constructed and operated particularly cost-effectively.

Die Prozentangabe bezüglich des Gasanteils wird hier und nachfolgend insbesondere in Normvolumen- bzw. Massenanteilen ausgedrückt und bezieht sich auf den Gesamtstrom (der den Gasanteil und den Flüssiganteil umfasst). Eine entsprechende Prozentangabe errechnet sich also beispielsweise aus dem Quotienten von Gasstrom und Gesamtstrom (jeweils in Normkubikmetern pro Stunde), multipliziert mit 100%.The percentage given with regard to the gas fraction is expressed here and below in particular in standard volume or mass fractions and relates to the total flow (which comprises the gas fraction and the liquid fraction). A corresponding percentage is calculated, for example, from the quotient of gas flow and total flow (each in standard cubic meters per hour) multiplied by 100%.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde als besonders vorteilhaft erkannt, die Entspannungsturbine derart zu betreiben, dass das Zweiphasengemisch am Austritt der Entspannungsturbine einen Gasanteil von 5 bis 25%, im obigen Sinn bezogen auf das gesamte Zweiphasengemisch, insbesondere von 10 bis 20%, aufweist. Dies ist daher erfindungsgemäß vorgesehen. Der Betrieb einer entsprechenden Entspannungsturbine, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung in das Zweiphasengebiet entspannt, erfordert eine bestimmte (ausgesprochen niedrige) Temperatur am Turbineneintritt. Diese kann mittels des Joule-Thomson-Effekts nur während einer langsamen Abkühlung der Anlage mit reduziertem Luftfluss und ohne betriebene Innenverdichtungspumpen erreicht werden.In the context of the present invention, it was recognized as particularly advantageous to operate the expansion turbine in such a way that the two-phase mixture at the outlet of the expansion turbine has a gas fraction of 5 to 25%, in the above sense based on the entire two-phase mixture, in particular 10 to 20%. This is therefore provided according to the invention. The operation of a corresponding expansion turbine, which relaxes in the two-phase region in the context of the present invention, requires a certain (extremely low) temperature at the turbine inlet. This can only be achieved by means of the Joule-Thomson effect during slow cooling of the system with reduced air flow and without the internal compression pumps being operated.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine entsprechende Anlage ohne Gasturbinen dennoch unter Verwendung vergleichsweiser moderater Drücke, beispielsweise maximal 80 bar, betrieben werden, wohingegen die klassischen Linde-Luftzerlegungsanlagen vom Beginn des 20. Jahrhunderts bei Drücken von deutlich mehr als 100 bar betrieben werden müssen. Zu Details sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bzw. eine entsprechende Anlage geschaffen werden, das bzw. die mit deutlich geringeren Investitionskosten bei vergleichbarem Energiebedarf auskommen. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu einer Anlage mit zwei Turbinen, nämlich einer Gasturbine (Claude- oder Lachmann-Turbine) in Kombination mit einer das klassische Joule-Thomson-Ventil ersetzenden Joule-Thomson-Turbine. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Konfiguration mit lediglich einer Gasturbine und einem Joule-Thomson-Ventil (d.h. ohne Joule-Thomson-Turbine) ergeben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung sogar deutliche Energieeinsparungen.Within the scope of the present invention, a corresponding plant without gas turbines can nevertheless be operated using comparatively moderate pressures, for example a maximum of 80 bar, whereas the classic Linde air separation plants from the beginning of the 20th century had to be operated at pressures of significantly more than 100 bar. Please refer to the explanations above for details. In particular, a method or a corresponding system can be created within the scope of the present invention, which or the significantly lower investment costs with comparable energy requirements. This is especially true when compared to a system with two turbines, namely a gas turbine (Claude or Lachmann turbine) in combination with a Joule-Thomson turbine that replaces the classic Joule-Thomson valve. In comparison with a conventional configuration with only one gas turbine and one Joule-Thomson valve (ie without a Joule-Thomson turbine), there are even significant energy savings within the scope of the present invention.

Wie ebenfalls bereits zuvor angesprochen, eignet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren insbesondere für Fälle, in denen vergleichsweise geringe Mengen flüssiger Luftprodukte bereitgestellt werden. So umfasst ein Verfahren gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, das entweder keine flüssigen Luftprodukte oder flüssige Luftprodukte in einer Menge von nicht mehr als 1 Molprozent, insbesondere nicht mehr als 0,5 Molprozent, der dem Rektifikationssäulensystem insgesamt zugeführten Luft aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Eine derartige, vergleichsweise geringe Flüssigproduktion führt dazu, dass der entsprechenden Anlage vergleichsweise geringe Mengen an Kälte durch diese Luftprodukte "entzogen" wird und daher das Verfahren bzw. die Anlage mit relativ geringen Mengen zusätzlich produzierter Kälte auskommt.As also mentioned above, the method proposed according to the invention is particularly suitable for cases in which comparatively small amounts of liquid air products are provided. Thus, a method according to a particularly preferred embodiment of the invention comprises either no liquid air products or liquid air products in an amount of not more than 1 mole percent, in particular not more than 0.5 mole percent, of the total air supplied to the rectification column system from the air separation plant . Such a comparatively low level of liquid production means that comparatively small amounts of cold are "withdrawn" from the air system in question by these air products, and therefore the process or the system manages with relatively small amounts of additionally produced cold.

Unter einem "Luftprodukt, das aus einer Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird", sei im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein Fluid verstanden, das nicht mehr an anlageninternen Kreisläufen teilnimmt, sondern die Anlage vollständig verlässt. Insbesondere wird ein derartiges Fluid nicht mehr, auch nicht zum Teil, in das Rektifikationssäulensystem eingespeist.In the context of the present application, an “air product that is discharged from an air separation plant” is understood to mean a fluid that no longer participates in internal circuits, but rather leaves the plant completely. In particular, such a fluid is no longer, even partially, fed into the rectification column system.

Ist hier davon die Rede, dass in einer entsprechenden Anlage keine flüssigen Luftprodukte ausgeleitet werden, schließt dies nicht aus, dass aus bestimmten Apparaten bzw. Bereichen der Anlage, insbesondere zeitweise, geringe Stoffmengen ausgeleitet werden können, beispielsweise um die Anreicherung von unerwünschten Komponenten zu verhindern, beispielsweise die Anreicherung von Methan in einem Sumpf der Niederdrucksäule. Die Menge entsprechend ausgeführter Stoffströme liegt jedoch deutlich unter den erwähnten bzw. 0,5 Molprozent der dem Rektifikationssäulensystem insgesamt zugeführten Luft.If there is talk here of the fact that no liquid air products are discharged in a corresponding system, this does not exclude the fact that small amounts of substance can be discharged from certain apparatus or areas of the system, in particular temporarily, for example in order to prevent the accumulation of undesired components , for example the accumulation of methane in a sump of the low pressure column. However, the amount of appropriately designed material flows is clearly below the mentioned or 0.5 mol percent of the total air supplied to the rectification column system.

Ferner eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere für solche Verfahren, bei denen innenverdichtete Luftprodukte auf vergleichsweise moderaten Druckniveaus bereitgestellt werden. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst daher, dass das Luftprodukt, das in dem erläuterten Innenverdichtungsverfahren bereitgestellt wird, auf einem Druckniveau von nicht mehr als 50 bar, insbesondere nicht mehr als 40 oder nicht mehr als 30 bar, aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird.Furthermore, the present invention is particularly suitable for processes in which internally compressed air products are provided at comparatively moderate pressure levels. A particularly advantageous embodiment of the present invention therefore includes that the air product which is provided in the internal compression method explained is discharged from the air separation plant at a pressure level of not more than 50 bar, in particular not more than 40 or not more than 30 bar.

Die vorliegende Erfindung kommt insbesondere in sogenannten Hauptverdichter-Nachverdichter-Verfahren zum Einsatz, wie sie ebenfalls bereits zuvor erläutert wurden. In einem derartigen Verfahren wird der erste Druckluftstrom mittels einer ersten Verdichtungseinrichtung auf das erste Druckniveau verdichtet bzw. die Luft wird auf diesem ersten Druckniveau von extern der Luftzerlegungsanlage, beispielsweise mittels einer am Aufstellungsort vorhandenen sogenannten Luftschiene bereitgestellt. Der zweite Druckluftstrom wird zunächst mittels der ersten Verdichtungseinrichtung auf das erste Druckniveau gebracht oder ebenfalls von extern auf dem ersten Druckniveau bereitgestellt und anschließend mittels einer zweiten Verdichtungseinrichtung auf das dritte Druckniveau weiter verdichtet. Bei der ersten und der zweiten Verdichtungseinrichtung kann es sich, falls vorhanden, im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere um voneinander getrennte Verdichter in Form eines Hauptluftverdichters und eines Nachverdichters handeln.The present invention is used in particular in so-called main compressor-post-compressor processes, as have also been explained above. In such a method, the first compressed air flow is compressed to the first pressure level by means of a first compression device, or the air is provided at this first pressure level from the outside of the air separation system, for example by means of a so-called air rail at the installation site. The second compressed air stream is first brought to the first pressure level by means of the first compression device or likewise made available externally at the first pressure level and then further compressed to the third pressure level by means of a second compression device. In the context of the present invention, the first and the second compression device, if present, can in particular be separate compressors in the form of a main air compressor and a post-compressor.

Der Hauptluftverdichter und der Nachverdichter bzw. die erste Verdichtungseinrichtung und die zweite Verdichtungseinrichtung können jedoch auch gemeinsam in einer Maschine integriert sein. Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein mehrstufiger Verdichter eingesetzt werden, dem der erste Druckluftstrom auf einem Zwischendruckniveau und der zweite Druckluftstrom auf einem Enddruckniveau entnommen werden kann. In diesem Fall handelt es sich bei der ersten Verdichtungseinrichtung um einen Teil der Verdichterstufen der gemeinsamen Maschine, und bei der zweiten Verdichtungseinrichtung um einen weiteren Teil der Verdichterstufen dieser Maschine. Die Verdichterstufen können insbesondere drehzahlsynchron oder drehzahlunterschiedlich unter Einsatz eines gemeinsamen Antriebs angetrieben werden. Grundsätzlich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch jede Kombination von Verdichtungseinrichtungen bzw. Verdichtern möglich, mittels derer eine entsprechende Verdichtung vorgenommen werden kann. Vorteilhafterweise liegt ein Temperaturniveau, auf das der zweite Druckluftstrom abgekühlt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung am Austritt aus dem Hauptwärmetauscher bei -150 bis -180 °C. Dieses Temperaturniveau liegt vorteilhafterweise insbesondere bei -155 bis-170 °C. Der zweite Druckluftstrom wird auf ein Temperaturniveau unterhalb der Verflüssigungstemperatur auf einem entsprechenden Druckniveau bzw. auf ein Temperaturniveau deutlich unter der kritischen Temperatur für überkritische Drücke abgekühlt. Der erste Druckluftstrom wird insbesondere nahe der Verflüssigungstemperatur von Luft auf dem ersten Druckniveau, jedoch in einem gewissen Abstand, beispielsweise von 0,5 bis 10 K oberhalb dieser abgekühlt. Mit anderen Worten erfährt der zweite Druckluftstrom bei der Abkühlung aufgrund seines höheren Drucks bereits eine Verflüssigung bzw. Temperaturabsenkung deutlich unter dem kritischen Punkt, wohingegen der erste Druckluftstrom im gasförmigen Zustand bleibt. Der erste Druckluftstrom auf dem ersten Druckniveau wird dabei insbesondere tiefer abgekühlt als der zweite Druckluftstrom auf dem dritten Druckniveau.However, the main air compressor and the post-compressor or the first compression device and the second compression device can also be integrated together in one machine. In particular, a multi-stage compressor can be used within the scope of the present invention, from which the first compressed air flow at an intermediate pressure level and the second compressed air flow at an end pressure level can be taken. In this case, the first compression device is part of the compression stages of the common machine, and the second compression device is a further part of the compression stages of this machine. The compressor stages can in particular be driven in synchronism with speed or at different speeds using a common drive. In principle, however, any combination of compression devices or compressors is possible within the scope of the present invention, by means of which a corresponding compression can be carried out. A temperature level to which the second compressed air stream is cooled is advantageously within the scope of the present invention at the outlet from the main heat exchanger at -150 to -180 ° C. This temperature level is advantageously in particular from −155 to −170 ° C. The second compressed air stream is cooled to a temperature level below the condensing temperature at a corresponding pressure level or to a temperature level significantly below the critical temperature for supercritical pressures. The first compressed air stream is cooled in particular near the liquefaction temperature of air at the first pressure level, but at a certain distance, for example from 0.5 to 10 K above it. In other words, due to its higher pressure, the second compressed air stream already experiences a liquefaction or a temperature drop significantly below the critical point, whereas the first compressed air stream remains in the gaseous state. The first compressed air flow at the first pressure level is cooled in particular more deeply than the second compressed air flow at the third pressure level.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt das erste Druckniveau insbesondere bei 5 bis 7 bar Absolutdruck. Das zweite Druckniveau kann insbesondere bei 1,1 bis 2 bar Absolutdruck liegen. Das dritte Druckniveau kann beispielsweise bei ca. 50 bis 90 bar Absolutdruck, insbesondere bei ca. 80 bar Absolutdruck, liegen. Bei dem ersten und zweiten Druckniveau handelt es sich um typische Druckniveaus, wie sie in den Hoch- und Niederdrucksäulen bekannter Doppelsäulensystemen von Luftzerlegungsanlagen vorliegen; das dritte Druckniveau entspricht einem typischerweise verwendeten Nachverdichterdruck in einer entsprechenden Anlage.In the context of the present invention, the first pressure level is in particular 5 to 7 bar absolute pressure. The second pressure level can be in particular 1.1 to 2 bar absolute pressure. The third pressure level can be, for example, approximately 50 to 90 bar absolute pressure, in particular approximately 80 bar absolute pressure. The first and second pressure levels are typical pressure levels as they exist in the high and low pressure columns of known double column systems of air separation plants; the third pressure level corresponds to a typically used post-compressor pressure in a corresponding system.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein Teil des unter Verwendung der Entspannungsturbine auf das erste Druckniveau entspannten zweiten Druckluftstroms in die Niederdrucksäule eingespeist. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Zweiphasengemisch, das sich am Austritt der Entspannungsturbine bildet, die bei der wenigstens teilweisen Entspannung des zweiten Druckluftstroms auf das erste Druckniveau verwendet wird, teilweise oder vollständig in die Hochdrucksäule eingespeist wird und in der Hochdrucksäule hieraus eine Flüssigfraktion abgeschieden wird, und dass die Flüssigfraktion teilweise oder vollständig durch einen Unterkühlungsgegenströmer geführt, auf das zweite Druckniveau entspannt, und in die Niederdrucksäule eingespeist wird.In the context of the present invention, in particular a part of the second compressed air stream which has been expanded to the first pressure level using the expansion turbine is fed into the low-pressure column. In particular, it can be provided that the two-phase mixture that forms at the outlet of the expansion turbine, which is used in the at least partial expansion of the second compressed air flow to the first pressure level, is partially or completely fed into the high-pressure column and a liquid fraction is separated from it in the high-pressure column and that the liquid fraction is partially or completely passed through a countercooling countercurrent, expanded to the second pressure level, and fed into the low pressure column.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der zweite Druckluftstrom teilweise unter Verwendung der Entspannungsturbine und teilweise unter Verwendung eines Entspannungsventils auf das erste Druckniveau entspannt. Die jeweilige Entspannung unterschiedlicher Anteile des ersten Druckniveaus in entsprechenden parallel angeordneten Entspannungseinrichtungen kann insbesondere auch je nach Bedarf in unterschiedlichen, variablen Anteilen erfolgen.According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the second compressed air stream is expanded to the first pressure level partly using the expansion turbine and partly using an expansion valve. The respective relaxation of different proportions of the first pressure level in corresponding expansion devices arranged in parallel can in particular also take place in different, variable proportions as required.

Mit besonderem Vorteil werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung der erste und der zweite Druckluftstrom vollständig in das Rektifikationssäulensystem der Luftzerlegungsanlage eingespeist und zusätzlich zu dem ersten und zweiten Druckluftstrom wird keine weitere Luft in das Rektifikationssäulensystem geleitet. Auch dies unterstreicht, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung bis auf die Entspannungsturbine, die zur Entspannung des ersten Druckluftstroms eingesetzt wird, keine weiteren Entspannungsturbinen, insbesondere keine der genannten Gasturbinen, eingesetzt werden.With particular advantage in the context of the present invention, the first and the second compressed air stream are completely fed into the rectification column system of the air separation plant and, in addition to the first and second compressed air stream, no further air is conducted into the rectification column system. This also underlines that in the context of the present invention, apart from the expansion turbine, which is used to expand the first compressed air stream, no further expansion turbines, in particular none of the gas turbines mentioned, are used.

Mit besonderem Vorteil kann der erste Druckluftstrom im Rahmen der vorliegenden Erfindung 60 bis 80 Molprozent und der zweite Druckluftstrom den Rest der insgesamt in das Rektifikationssäulensystem eingespeisten Luft umfassen.With particular advantage, the first compressed air stream in the context of the present invention can comprise 60 to 80 mole percent and the second compressed air stream can comprise the rest of the total air fed into the rectification column system.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung eines Luftprodukts, mit einem Rektifikationssäulensystem, das eine Hochdrucksäule, die für einen Betrieb auf einem ersten Druckniveau eingerichtet ist, und eine Niederdrucksäule, die für einen Betrieb auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus eingerichtet ist, aufweist. Zu den Merkmalen einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch ausdrücklich verwiesen.The present invention also extends to an air separation plant for obtaining an air product, comprising a rectification column system comprising a high pressure column configured to operate at a first pressure level and a low pressure column configured to operate at a second pressure level below the first pressure level is. For the features of a corresponding air separation plant, reference is expressly made to the corresponding independent patent claim.

Zu den Vorteilen einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage und erfindungsgemäßer Ausgestaltungen sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner unterschiedlichen vorteilhaften Ausgestaltungen ausdrücklich verwiesen. Eine erfindungsgemäß bereitgestellte Luftzerlegungsanlage ist insbesondere zur Durchführung entsprechender Verfahren eingerichtet und weist hierzu jeweils spezifisch ausgebildete Mittel auf.Regarding the advantages of a corresponding air separation plant and configurations according to the invention, the above explanations regarding the method according to the invention and its different advantageous configurations are express referred. An air separation plant provided according to the invention is in particular set up to carry out corresponding methods and has specifically designed means for this in each case.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gegenüber einer nicht erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage zeigen.The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, which show an air separation plant according to an embodiment of the invention compared to an air separation plant not according to the invention.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

  • Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung in Form eines vereinfachten Prozessflussdiagramms.
  • Figur 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines vereinfachten Prozessflussdiagramms.
Brief description of the drawings
  • Figure 1 shows an air separation plant according to an embodiment not in accordance with the invention in the form of a simplified process flow diagram.
  • Figure 2 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in the form of a simplified process flow diagram.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

In den Figuren sind einander baulich oder funktionell entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Anhand der Figuren werden jeweils Luftzerlegungsanlagen veranschaulicht. Die entsprechenden Erläuterungen betreffen jedoch entsprechende Verfahren in gleicher Weise, so dass, wenn nachfolgend Komponenten entsprechender Anlagen beschrieben werden, die jeweiligen Erläuterungen für die durch diese Komponenten durchgeführten Verfahrensschritte gelten. In den Figuren sind flüssige Stoffströme jeweils mittels ausgefüllter (schwarzer) und gasförmige Stoffströme jeweils mittels nicht ausgefüllter (weißer) Flusspfeile veranschaulicht.In the figures, elements that correspond to one another structurally or functionally are given identical reference numerals and are not repeated for the sake of clarity. Air separation plants are illustrated using the figures. However, the corresponding explanations relate to corresponding methods in the same way, so that if components of corresponding systems are described below, the respective explanations apply to the method steps carried out by these components. In the figures, liquid material flows are illustrated by means of filled (black) and gaseous material flows by means of unfilled (white) flow arrows.

In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform veranschaulicht und insgesamt mit 200 bezeichnet. In der Luftzerlegungsanlage 200 wird ein Druckluftstrom a bereitgestellt und in zwei Teilströme b und c aufgeteilt.In Figure 1 an air separation plant according to an embodiment not according to the invention is illustrated and designated by 200 in total. In the air separation plant 200, a compressed air flow a is provided and divided into two partial flows b and c.

Nach erneuter Aufteilung des Teilstroms b in Teilströme d und e werden diese einem Hauptwärmetauscher 3 der Luftzerlegungsanlage 200 warmseitig zugeführt. Der Teilstrom d wird dem Hauptwärmetauscher 3 auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, in einer Entspannungsturbine 210, die insbesondere mit einem Generator oder einer Ölbremse mechanisch gekoppelt sein kann, entspannt, und in eine Niederdrucksäule 12 eines Rektifikationssäulensystems 10, das zudem eine Hochdrucksäule und einen die Hochdrucksäule 11 und Niederdrucksäule 12 wärmetauschend verbindenden Hauptkondensator 13 aufweist, eingespeist. Bei der Entspannungsturbine 210 handelt es sich somit um eine typische Lachmann-Turbine, bezüglich derer auf die einführenden Erläuterungen verwiesen wird.After dividing the partial flow b into partial flows d and e, these are fed to a main heat exchanger 3 of the air separation plant 200 on the warm side. The Partial stream d is taken from the main heat exchanger 3 at an intermediate temperature level, expanded in a expansion turbine 210, which can in particular be mechanically coupled to a generator or an oil brake, and into a low-pressure column 12 of a rectification column system 10, which also has a high-pressure column and a high-pressure column 11 and Low pressure column 12 has heat-exchanging connecting main capacitor 13, fed. The expansion turbine 210 is therefore a typical Lachmann turbine, for which reference is made to the introductory explanations.

Der Teilstrom e wird bis zum kalten Ende durch den Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage 200 geführt und anschließend in einen unteren Bereich der Hochdrucksäule 11 eingespeist. Der Teilstrom c wird einer Nachverdichtung in einem Nachverdichter 4, dem ein nicht gesondert bezeichneter Nachkühler nachgeschaltet ist, unterworfen. Anschließend wird der Teilstrom c in weitere Teilströme f und g aufgeteilt, die dem Hauptwärmetauscher 3 jeweils warmseitig zugeführt werden.The partial stream e is led to the cold end through the main heat exchanger of the air separation plant 200 and then fed into a lower region of the high-pressure column 11. The partial flow c is subjected to a post-compression in a post-compressor 4, which is followed by an after-cooler (not designated separately). Sub-stream c is then divided into further sub-streams f and g, which are each fed to the main heat exchanger 3 on the warm side.

Der Teilstrom f wird bis zum kalten Ende durch den Hauptwärmetauscher 3 geführt und mittels einer Entspannungsturbine 5 bzw. eines Entspannungsventils 6 entspannt. Bei der Entspannungsturbine 5 handelt es sich dabei um eine sogenannte Joule-Thomson-Entspannungsturbine, bezüglich derer ebenfalls auf die obigen Erläuterungen verwiesen wird. Als klassische Joule-Thomson-Entspannungsturbine wird in dieser eine Entspannung vorgenommen, bei welcher sich das Fluid am Austritt im vollständig oder fast vollständig flüssigen Zustand befindet. Der in der Entspannungsturbine 5 und im Entspannungsventil 6 entspannte Stoffstrom f wird ebenfalls in die Hochdrucksäule 11 eingespeist. Bei dem Teilstrom f handelt es sich hierbei um einen typischen Drosselstrom.The partial flow f is led to the cold end through the main heat exchanger 3 and expanded by means of an expansion turbine 5 or an expansion valve 6. The expansion turbine 5 is a so-called Joule-Thomson expansion turbine, for which reference is also made to the above explanations. As a classic Joule-Thomson expansion turbine, expansion is carried out in this, in which the fluid at the outlet is in the completely or almost completely liquid state. The stream f released in the expansion turbine 5 and in the expansion valve 6 is likewise fed into the high-pressure column 11. The partial flow f is a typical choke current.

Der Teilstrom g wird dem Hauptwärmetauscher 3 auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, das im dargestellten Beispiel jedoch unterhalb des Zwischentemperaturniveaus liegt, auf dem der Stoffstrom d dem Hauptwärmetauscher entnommen wird, und in einer Entspannungsturbine 220 entspannt. Die Entspannungsturbine 220 ist eine klassische Claude-Entspannungsturbine und wird in der dargestellten herkömmlichen Luftzerlegungsanlage 200 ohne bzw. mit nur geringem Flüssigkeitsanteil am Turbinenaustritt betrieben. Der Stoffstrom g wird nach seiner Entspannung in der Entspannungsturbine 220 mit dem Stoffstrom e vereinigt und in den unteren Bereich der Hochdrucksäule 11 eingespeist.The partial stream g is taken from the main heat exchanger 3 at an intermediate temperature level, which, however, in the example shown is below the intermediate temperature level at which the material stream d is taken from the main heat exchanger, and is expanded in an expansion turbine 220. The expansion turbine 220 is a classic Claude expansion turbine and is operated in the illustrated conventional air separation plant 200 with little or no liquid at the turbine outlet. The stream of matter g is after its relaxation in the Expansion turbine 220 combined with the stream e and fed into the lower region of the high pressure column 11.

Aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 11 wird ein Stoffstrom h entnommen, durch einen Unterkühlungsgegenströmer 8 geführt, und in die Niederdrucksäule 12 entspannt. Vom Kopf der Hochdrucksäule 11 wird stickstoffreiches Kopfgas in Form eines Stoffstroms i abgezogen, das zum Teil in Form eines Stoffstroms k durch den Hauptkondensator 11 geführt und dabei zumindest teilweise verflüssigt wird. Wiederum ein Teil hiervon wird in Form eines Stoffstroms I als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 11 zurückgeführt, ein weiterer Teil wird in Form eines Stoffstroms m durch den Unterkühlungsgegenströmer 8 geführt und am Kopf der Niederdrucksäule 12 als Rücklauf aufgegeben.A material flow h is removed from the bottom of the high-pressure column 11, passed through a supercooling counterflow 8, and expanded into the low-pressure column 12. Nitrogen-rich head gas in the form of a stream i is drawn off from the top of the high-pressure column 11, which is partly passed through the main condenser 11 in the form of a stream k and is at least partially liquefied in the process. Again a part of it is fed back in the form of a material flow I to the high pressure column 11, a further part is led in the form of a material flow m through the supercooling countercurrent 8 and fed in at the top of the low pressure column 12 as a return.

Ein nicht in dem Hauptkondensator 11 verflüssigter Anteil des Stoffstroms i, hier mit n bezeichnet, wird in dem Hauptwärmetauscher 3 erwärmt und verdampft und als Druckstickstoff (PGAN) aus der Luftzerlegungsanlage 200 ausgeführt. Aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 12 wird eine sauerstoffreiche Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms o abgezogen, mittels einer Pumpe 9 druckerhöht, und in dem Hauptwärmetauscher 3 erwärmt und dadurch in den gasförmigen bzw. überkritischen Zustand überführt. Auf diese Weise kann ein hier innenverdichtetes Drucksauerstoffprodukt (PGOX) bereitgestellt werden. Von einem Zwischenbereich der Niederdrucksäule 12 wird ein gasförmiger Stoffstrom p abgeführt, durch den Unterkühlungsgegenströmer 8 geführt und in dem Hauptwärmetauscher 3 erwärmt. Es handelt es sich hierbei um sogenannten Unreinstickstoff (UN2), der für unterschiedliche Zwecke in der Luftzerlegungsanlage 200 eingesetzt werden kann.A portion of the stream i, which is not liquefied in the main condenser 11, here designated n, is heated and evaporated in the main heat exchanger 3 and is carried out as compressed nitrogen (PGAN) from the air separation plant 200. An oxygen-rich liquid in the form of a stream o is drawn off from the bottom of the low-pressure column 12, the pressure is raised by means of a pump 9, and is heated in the main heat exchanger 3 and thereby converted into the gaseous or supercritical state. In this way, an internally compressed compressed oxygen product (PGOX) can be provided. A gaseous stream p is discharged from an intermediate region of the low-pressure column 12, passed through the supercooling counterflow 8 and heated in the main heat exchanger 3. This is so-called impure nitrogen (UN2), which can be used for different purposes in the air separation plant 200.

In einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung im Kopfbereich der Niederdrucksäule 12 scheidet sich stickstoffreiche Flüssigkeit ab, die in Form eines Stoffstroms r abgezogen und als Flüssigstickstoffprodukt (LIN) bereitgestellt werden kann. Ein vom Kopf der Hochdrucksäule 12 abgezogenes gasförmiges Fluid kann in Form eines Stoffstroms s durch den Unterkühlungsgegenströmer und durch den Hauptwärmetauscher 3 geführt, erwärmt, und als Niederdruckstickstoffprodukt (LPGAN) bereitgestellt werden.A liquid retention device in the head region of the low-pressure column 12 separates out nitrogen-rich liquid, which can be drawn off in the form of a material flow r and made available as a liquid nitrogen product (LIN). A gaseous fluid drawn off from the top of the high-pressure column 12 can be conducted in the form of a material flow s through the supercooling countercurrent and through the main heat exchanger 3, heated, and provided as a low-pressure nitrogen product (LPGAN).

Wie bereits erläutert, erweist sich der Betrieb einer entsprechenden Anlage, die in herkömmlichen Konfigurationen, wie sie in Figur 200 veranschaulicht sind, typischerweise wenigstens zwei Entspannungsturbinen umfassen, als aufwendig und insbesondere die Erstellung ist mit hohen Investitionskosten verbunden.As already explained, the operation of a corresponding system, which in conventional configurations as illustrated in FIG. typically comprise at least two expansion turbines, as complex and in particular the creation is associated with high investment costs.

In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet. Bereits in Figur 1 veranschaulichte und hier zu einem vergleichbaren Zweck vorhandene Komponenten sind in Figur 2 mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nur teilweise erneut erläutert.In Figure 2 is an air separation plant according to an embodiment of the invention schematically illustrated and generally designated 100. Already in Figure 1 Components illustrated and present here for a comparable purpose are in Figure 2 indicated with identical reference numerals and are only partially explained again for the sake of clarity.

Wie in Figur 2 veranschaulicht, wird auch hier mittels eines Hauptluftverdichters 1 über einen Filter 2 Umgebungsluft (A) angesaugt und auf ein Druckniveau verdichtet, das hier als "erstes" Druckniveau bezeichnet wird. Nach einem oder mehreren Aufbereitungsschritten 20, die insbesondere eine Kühlung und Aufreinigung umfassen können, wird die entsprechend verdichtete Druckluft, die hier wie in Figur 1 in Form eines Stoffstroms a veranschaulicht ist, in Teilströme b und c aufgeteilt, wobei der erste Teilstrom b hier durchgängig als "erster" Druckluftstrom und der Teilstrom c hierdurchgängig als "zweiter" Druckluftstrom bezeichnet werden.As in Figure 2 illustrated, ambient air (A) is drawn in here by means of a main air compressor 1 via a filter 2 and compressed to a pressure level, which is referred to here as the "first" pressure level. After one or more processing steps 20, which may in particular include cooling and purification, the correspondingly compressed compressed air, which is here as in FIG Figure 1 is illustrated in the form of a stream a, divided into partial streams b and c, the first partial stream b being referred to here consistently as the "first" compressed air stream and the partial stream c being referred to throughout as the "second" compressed air stream.

Im Gegensatz zu der Luftzerlegungsanlage 200 gemäß Figur 2 wird dabei der erste Druckluftstrom b ohne weitere Aufteilung in zwei Teilströme durch den Hauptwärmetauscher 3 geführt. Entsprechendes gilt für den Teilstrom c, der auch hier in dem Nachverdichter 4 verdichtet wird, und zwar auf ein hier "drittes" Druckniveau bezeichnetes Druckniveau von beispielsweise ca. 80 bar. Auch dieser zweite Druckluftstrom c wird vom warmen Ende zum kalten Ende durch den Hauptwärmetauscher 3 geführt. Der erste Druckluftstrom b und der zweite Druckluftstrom c werden damit in dem Hauptwärmetauscher 3 in getrennten Passagen abgekühlt wie oben erläutert.In contrast to the air separation plant 200 according to Figure 2 the first compressed air flow b is passed through the main heat exchanger 3 without further division into two partial flows. The same applies to the partial flow c, which is also compressed here in the post-compressor 4, to a pressure level referred to here as "third" pressure level of, for example, approximately 80 bar. This second compressed air stream c is also led from the warm end to the cold end through the main heat exchanger 3. The first compressed air flow b and the second compressed air flow c are thus cooled in the main heat exchanger 3 in separate passages, as explained above.

Der erste Druckluftstrom b wird in dem dargestellten Beispiel in den unteren Bereich der Hochdrucksäule 11 des Rektifikationssäulensystems 10 eingespeist, der zweite Druckluftstrom c wird unter Verwendung der Entspannungsturbine 5 und des Entspannungsventils 6 auf das erste Druckniveau entspannt. Der entspannte Druckluftstrom c, hier mit t bezeichnet, wird als Zweiphasengemisch, das sich am Austritt der wenigstens einen Entspannungsturbine 5 bildet, hier in die Hochdrucksäule 11 eingespeist. In der Hochdrucksäule 11 wird hieraus in einer geeigneten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung eine Flüssigfraktion abgeschieden. Diese Flüssigfraktion, hiermit u bezeichnet, wird zumindest teilweise aus der Hochdrucksäule 11 abgezogen, durch den Unterkühlungsgegenströmer 3 geführt und in die Niederdrucksäule 12 des Rektifikationssäulensystem 10 entspannt.In the example shown, the first compressed air stream b is fed into the lower region of the high-pressure column 11 of the rectification column system 10, the second compressed air stream c is expanded to the first pressure level using the expansion turbine 5 and the expansion valve 6. The relaxed compressed air flow c, here denoted by t, is fed here into the high-pressure column 11 as a two-phase mixture which forms at the outlet of the at least one expansion turbine 5. In the high-pressure column 11, this becomes a suitable one Liquid retention device separated a liquid fraction. This liquid fraction, referred to here as u, is at least partially withdrawn from the high-pressure column 11, passed through the supercooling counterflow 3 and expanded into the low-pressure column 12 of the rectification column system 10.

Der Betrieb der in Figur 2 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100 entspricht ansonsten dem Betrieb der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100. Es werden jedoch keine weiteren Entspannungsturbinen 210 und 220 eingesetzt und in der Entspannungsturbine 5 erfolgt eine Entspannung derart, dass am Austritt der Entspannungsturbine ein beträchtlicher Gasanteil vorliegt. In der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 2 kann insbesondere sauerstoffarmer Stickstoff auf einem Druckniveau von 5 bis 6 bar in Form des Stoffstroms i abgezogen und teilweise als Produkt bereitgestellt werden.Operation of the in Figure 2 Air separation plant 100 illustrated otherwise corresponds to the operation of FIG Figure 1 Air separation plant 100 illustrated. However, no further expansion turbines 210 and 220 are used, and expansion takes place in the expansion turbine 5 in such a way that a considerable proportion of gas is present at the outlet of the expansion turbine. In the air separation plant 100 according to Figure 2 In particular, low-oxygen nitrogen can be drawn off at a pressure level of 5 to 6 bar in the form of stream i and partially made available as a product.

In der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 2 erfolgt die Druckerhöhung der Pumpe 9 des Stoffstroms o insbesondere auf ein Druckniveau von 20 bis 40 bar, beispielsweise ca. 30 bar. Vom Kopf der Niederdrucksäule 12 wird in Form eines Stoffstroms s Unreinstickstoff (UN2) abgezogen, die Niederdrucksäule 12 wird dadurch forciert betrieben.In the air separation plant 100 according to Figure 2 the pump 9 of the material flow o is increased in particular to a pressure level of 20 to 40 bar, for example approx. 30 bar. From the top of the low pressure column 12, impure nitrogen (UN2) is drawn off in the form of a material flow, the low pressure column 12 is thereby forced to operate.

Claims (14)

Verfahren zur Gewinnung eines Luftprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Rektifikationssäulensystem (10), das eine Hochdrucksäule (11), die auf einem ersten Druckniveau betrieben wird, und eine Niederdrucksäule (12), die auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben wird aufweist, wobei - ein erster Druckluftstrom auf dem ersten Druckniveau und ein zweiter Druckluftstrom auf einem dritten Druckniveau oberhalb des ersten Druckniveaus bereitgestellt und einer Abkühlung unterworfen werden, - der erste Druckluftstrom in das Rektifikationssäulensystem (11) eingespeist wird und der zweite Druckluftstrom unter Verwendung einer Entspannungsturbine (5) auf das erste Druckniveau entspannt und in das Rektifikationssäulensystem (11) eingespeist wird, und - ein flüssiger Stoffstrom aus dem Rektifikationssäulensystem (10) ausgeführt, in flüssigem Zustand druckerhöht, in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und als das Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Entspannungsturbine (5), die bei der Entspannung des zweiten Druckluftstroms auf das erste Druckniveau verwendet wird, derart betrieben wird, dass sich an deren Austritt ein Zweiphasengemisch bildet, das am Austritt einen Gasanteil von 5 bis 25%, bezogen auf das gesamte Zweiphasengemisch, aufweist. Method for extracting an air product using an air separation plant (100) with a rectification column system (10) which has a high pressure column (11) which is operated at a first pressure level and a low pressure column (12) which is at a second pressure level below the first pressure level is operated, wherein a first compressed air flow at the first pressure level and a second compressed air flow at a third pressure level above the first pressure level are provided and subjected to cooling, - The first compressed air stream is fed into the rectification column system (11) and the second compressed air stream is expanded to the first pressure level and fed into the rectification column system (11) using a decompression turbine (5), and a liquid stream of material from the rectification column system (10) is carried out, the pressure is increased in the liquid state, it is converted into the gaseous or supercritical state and the air product is discharged from the air separation plant (100), characterized in that - The expansion turbine (5), which is used in the expansion of the second compressed air flow to the first pressure level, is operated such that a two-phase mixture is formed at the outlet, which has a gas content of 5 to 25% at the outlet, based on the entire two-phase mixture , having. Verfahren nach Anspruch 1, bei der zusätzlich zu der Entspannungsturbine (5), die bei der Entspannung des zweiten Druckluftstroms auf das erste Druckniveau verwendet wird, keine weiteren Entspannungsturbinen verwendet werden.Method according to Claim 1, in which no further expansion turbines are used in addition to the expansion turbine (5), which is used when the second compressed air flow is expanded to the first pressure level. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem keine Entspannungsturbinen verwendet werden, die derart betrieben werden, dass an ihrem Austritt eine reine Gasphase oder ein Zweiphasengemisch mit einem Gasanteil von mehr als 80% vorliegt.Method according to one of the preceding claims, in which no expansion turbines are used which are operated in such a way that at their outlet there is a pure gas phase or a two-phase mixture with a gas fraction of more than 80%. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem keine flüssigen Luftprodukte oder flüssige Luftprodukte in einer Menge von nicht mehr als 1 Molprozent der dem Rektifikationssäulensystem (10) insgesamt zugeführten Luft aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet werden.Method according to one of the preceding claims, in which no liquid air products or liquid air products in an amount of not more than 1 mole percent of the total air supplied to the rectification column system (10) are discharged from the air separation plant (100). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Luftprodukt auf einem Druckniveau von nicht mehr als 50 bar aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird.Method according to one of the preceding claims, in which the air product is discharged from the air separation plant (100) at a pressure level of not more than 50 bar. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der erste Druckluftstrom mittels einer ersten Verdichtungseinrichtung (1) auf das erste Druckniveau verdichtet oder auf dem ersten Druckniveau von extern bereitgestellt wird, und bei dem der zweite Druckluftstrom zunächst mittels der ersten Verdichtungseinrichtung (1) auf das erste Druckniveau gebracht oder ebenfalls auf dem ersten Druckniveau von extern bereitgestellt wird und anschließend mittels einer zweiten Verdichtungseinrichtung (4) auf das dritte Druckniveau weiter verdichtet wird.Method according to one of the preceding claims, in which the first compressed air flow is compressed to the first pressure level by means of a first compression device (1) or is provided externally at the first pressure level, and in which the second compressed air flow is first applied to the by means of the first compression device (1) is brought to the first pressure level or is likewise provided externally at the first pressure level and is then further compressed to the third pressure level by means of a second compression device (4). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Temperaturniveau, auf das der erste Druckluftstrom abgekühlt wird, bei -150 bis -180°C liegt.Method according to one of the preceding claims, in which a temperature level to which the first compressed air stream is cooled is from -150 to -180 ° C. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erste Druckniveau bei 5 bis7 bar und das zweite Druckniveau bei 1,1 bis 2 bar und das dritte Druckniveau bei 50 bis 90 bar liegt.Method according to one of the preceding claims, in which the first pressure level is 5 to 7 bar and the second pressure level is 1.1 to 2 bar and the third pressure level is 50 to 90 bar. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Teil des in der Entspannungsturbine (5) auf das erste Druckniveau entspannten ersten Druckluftstroms in die Niederdrucksäule (12) eingespeist wird.Method according to one of the preceding claims, in which a part of the first compressed air stream expanded to the first pressure level in the expansion turbine (5) is fed into the low-pressure column (12). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Zweiphasengemisch, das sich am Austritt der Entspannungsturbine (5) bildet, die bei der Entspannung des zweiten Druckluftstroms auf das erste Druckniveau verwendet wird, teilweise oder vollständig in die Hochdrucksäule (11) eingespeist wird, in der Hochdrucksäule (11) hieraus eine Flüssigfraktion abgeschieden wird, und die Flüssigfraktion teilweise oder vollständig durch einen Unterkühlungsgegenströmer (8) geführt, auf das zweite Druckniveau entspannt und in die Niederdrucksäule (12) eingespeist wird.Method according to one of Claims 1 to 8, in which the two-phase mixture which forms at the outlet of the expansion turbine (5), which is used when the second compressed air stream is expanded to the first pressure level, is partly or completely fed into the high-pressure column (11) , a liquid fraction is separated therefrom in the high-pressure column (11), and the liquid fraction is partially or completely passed through a subcooling countercurrent (8), expanded to the second pressure level and fed into the low-pressure column (12). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der zweite Druckluftstrom teilweise unter Verwendung der Entspannungsturbine (5) und teilweise unter Verwendung eines Entspannungsventils (6) auf das erste Druckniveau entspannt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the second compressed air stream is expanded to the first pressure level partly using the expansion turbine (5) and partly using an expansion valve (6). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der erste und der zweite Druckluftstrom vollständig in das Rektifikationssäulensystem (10) eingespeist werden und zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Druckluftstrom keine weitere Luft in das Rektifikationssäulensystem (10) eingespeist wird.Method according to one of the preceding claims, in which the first and the second compressed air stream are completely fed into the rectification column system (10) and in addition to the first and the second compressed air stream no further air is fed into the rectification column system (10). Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der erste Druckluftstrom 60 bis 80 Molprozent und der zweite Druckluftstrom den Rest der insgesamt in das Rektifikationssäulensystem (10) eingespeisten Luft umfassen.The method of claim 12, wherein the first stream of compressed air comprises 60 to 80 mole percent and the second stream of compressed air comprises the remainder of the total air fed into the rectification column system (10). Luftzerlegungsanlage (100) zur Gewinnung eines Luftprodukts, mit einem Rektifikationssäulensystem (10), das eine Hochdrucksäule (11), die für einen Betrieb auf einem ersten Druckniveau eingerichtet ist, und eine Niederdrucksäule (12), die für einen Betrieb auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus eingerichtet ist aufweist, wobei - Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, einen ersten Druckluftstrom auf dem ersten Druckniveau und einen zweiten Druckluftstrom auf einem dritten Druckniveau oberhalb des ersten Druckniveaus bereitzustellen und einer Abkühlung zu unterwerfen, - Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, den ersten Druckluftstrom in das Rektifikationssäulensystem (11) einzuspeisen und den zweiten Druckluftstrom unter Verwendung wenigstens einer Entspannungsturbine (5) auf das erste Druckniveau zu entspannen und in das Rektifikationssäulensystem (11) einzuspeisen, und - Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, einen flüssigen Stoffstrom aus dem Rektifikationssäulensystem (10) auszuführen, in flüssigem Zustand druckzuerhöhen, in den gasförmigen oder überkritischen Zustand zu überführen und als das Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage (100) auszuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass - die Luftzerlegungsanlage (100) dafür eingerichtet ist, die Entspannungsturbine (5), die bei der Entspannung des zweiten Druckluftstroms auf das erste Druckniveau verwendet wird, derart zu betreiben, dass sich an deren Austritt ein Zweiphasengemisch bildet, das am Austritt einen Gasanteil von 5 bis 25%, bezogen auf das gesamte Zweiphasengemisch, aufweist. Air separation plant (100) for extracting an air product, with a rectification column system (10) which has a high pressure column (11) which is set up for operation at a first pressure level and a low pressure column (12) which is set up for operation at a second pressure level below of the first pressure level is established, wherein Means are provided which are set up to provide a first compressed air flow at the first pressure level and a second compressed air flow at a third pressure level above the first pressure level and to subject them to cooling, - Means are provided which are set up to feed the first compressed air stream into the rectification column system (11) and to relax the second compressed air stream using at least one expansion turbine (5) to the first pressure level and to feed into the rectification column system (11), and Means are provided which are set up to carry out a liquid stream from the rectification column system (10), to increase the pressure in the liquid state, to convert it to the gaseous or supercritical state and to discharge it as the air product from the air separation plant (100), characterized in that - The air separation plant (100) is set up to operate the expansion turbine (5), which is used in the expansion of the second compressed air flow to the first pressure level, in such a way that a two-phase mixture forms at its outlet, which has a gas fraction of 5 at the outlet up to 25%, based on the total two-phase mixture.
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