EP3757493A1 - Verfahren und anlage zur gewinnung eines stickstoffreichen und eines sauerstoffreichen luftprodukts unter einsatz einer tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

Verfahren und anlage zur gewinnung eines stickstoffreichen und eines sauerstoffreichen luftprodukts unter einsatz einer tieftemperaturzerlegung von luft Download PDF

Info

Publication number
EP3757493A1
EP3757493A1 EP19020402.4A EP19020402A EP3757493A1 EP 3757493 A1 EP3757493 A1 EP 3757493A1 EP 19020402 A EP19020402 A EP 19020402A EP 3757493 A1 EP3757493 A1 EP 3757493A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
air
liquid
pressure column
condenser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19020402.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Lautenschlager
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP19020402.4A priority Critical patent/EP3757493A1/de
Publication of EP3757493A1 publication Critical patent/EP3757493A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
    • F25J3/04187—Cooling of the purified feed air by recuperative heat-exchange; Heat-exchange with product streams
    • F25J3/0423—Subcooling of liquid process streams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
    • F25J3/04078—Providing 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
    • F25J3/0409—Providing 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04406—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system
    • F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/50—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column
    • F25J2200/54—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column in the low pressure column of a double pressure main column system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/40—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using hybrid system, i.e. combining cryogenic and non-cryogenic separation techniques
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold end
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/80—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using membrane, i.e. including a permeation step
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/40—Air or oxygen enriched air, i.e. generally less than 30mol% of O2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/42—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for obtaining a nitrogen-rich air product and an oxygen-rich air product using a low-temperature decomposition of air according to the preambles of the independent claims.
  • Air separation plants have rectification column systems which can conventionally be designed as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • rectification columns for obtaining nitrogen and / or oxygen in liquid and / or gaseous state, i.e. the rectification columns for nitrogen-oxygen separation
  • rectification columns can be provided for obtaining further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon.
  • the terms “rectification” and “distillation” and “column” and “column” or terms composed of these are often used synonymously.
  • the rectification columns of the mentioned rectification column systems are operated at different pressure levels.
  • Known double column systems have a so-called high pressure column (also referred to as a pressure column, medium pressure column or lower column) and a so-called low pressure column (also referred to as an upper column).
  • the high pressure column is typically operated at a pressure level of 4 to 7 bar, in particular approx. 5.3 bar.
  • the low pressure column is at a pressure level of typically 1 to 2 bar, in particular about 1.4 bar operated. In certain cases, higher pressure levels can also be used in one or in both rectification columns.
  • the pressures given here and below are absolute pressures at the top of the respective columns given.
  • the present invention therefore has the task of specifying a method and an air separation plant by means of which larger amounts of gaseous nitrogen at a pressure level significantly above atmospheric and at the same time a gaseous, oxygen-rich air product can advantageously be provided.
  • the present invention proposes a method and a system for obtaining a nitrogen-rich air product and an oxygen-rich air product using a low-temperature decomposition of air with the features of the independent patent claims.
  • Refinements of the present invention are the subject of the dependent patent claims and the following description.
  • Liquids and gases can be rich or poor in one or more components in the parlance used here, with “rich” for a content of at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99% and “poor” can mean a content of no more than 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis.
  • the term “predominantly” can match the definition of "rich”.
  • Liquids and gases can also be enriched or depleted in one or more components, these terms referring to a content in refer to a source liquid or gas from which the liquid or gas was obtained.
  • the liquid or the gas is "enriched” if this or this is 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”, “nitrogen” or “argon” is used here, this also includes a liquid or a gas that is rich in oxygen or nitrogen, but does not necessarily have to consist exclusively of these.
  • pressure level and "temperature level” to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that corresponding pressures and temperatures in a corresponding system do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values to realize the inventive concept.
  • pressures and temperatures typically move in certain ranges, for example ⁇ 1%, 5%, 10% or 20% around a mean value.
  • Corresponding pressure levels and temperature levels can be in disjoint areas or in areas that overlap.
  • pressure levels include, for example, unavoidable or expected pressure losses.
  • temperature levels include, for example, unavoidable or expected pressure losses.
  • the values specified in bar with regard to the pressure levels are absolute pressures.
  • expansion machines “expansion machines” or the like are typically understood to mean known turboexpander. These expansion machines can in particular also be coupled to compressors or boosters. These compressors can in particular be turbo compressors. A corresponding combination of turbo expander and turbo compressor is typically also referred to as a "turbine booster”.
  • turbine booster the turbo-expander and the turbo-compressor are mechanically coupled, the coupling being able to take place at the same speed (for example via a common shaft) or at different speeds (for example via a suitable transmission gear).
  • compressor is generally used here, even if it is a booster coupled with a turboexpander.
  • a “main air compressor” is characterized by the fact that it compresses all of the air that is fed to the air separation plant and separated there. In contrast, in one or more optionally provided further compressors, for example booster compressors, only a portion of this air that has already been previously compressed in the main air compressor is further compressed.
  • the “main heat exchanger” of an air separation plant represents the heat exchanger in which at least the majority of the air supplied to the air separation plant and broken down there is cooled. This takes place at least partly in countercurrent to the material flows that are discharged from the air separation plant. Such "diverted” material flows or “products” are fluids in the parlance used here, which no longer participate in system-internal circuits, but are permanently withdrawn from them.
  • a “heat exchanger” for use in the context of the present invention can be designed in a manner customary in the art. It serves for the indirect transfer of heat between at least two e.g. fluid flows guided in countercurrent to one another, for example a warm compressed air flow and one or more cold fluid flows or a cryogenic liquid air product and one or more warm or warmer, but possibly also cryogenic fluid flows.
  • a heat exchanger can be formed from a single or several parallel and / or serially connected heat exchanger sections, e.g. from one or more plate heat exchanger blocks. It is, for example, a plate heat exchanger (plate fin heat exchanger).
  • Such a heat exchanger has “passages” which are designed as separate fluid channels with heat exchange surfaces and which are connected to form “groups of passages” in parallel and separated by other passages.
  • a heat exchanger is characterized by the fact that heat is exchanged between two mobile media in it at one point in time, namely at least one fluid flow to be cooled and at least one fluid flow to be heated.
  • a “condenser evaporator” is a heat exchanger in which a first, condensing fluid flow enters into indirect heat exchange with a second, evaporating fluid flow.
  • Each condenser evaporator has a liquefaction space and an evaporation space.
  • the liquefaction and evaporation spaces have liquefaction and evaporation passages.
  • the relative spatial terms “above”, “below”, “above”, “below”, “above”, “below”, “next to”, “next to each other", “vertical”, “horizontal” etc. refer to the spatial alignment of the components of an air separation plant in normal operation.
  • An arrangement of two components “one above the other” is understood here to mean that the upper end of the lower of the two components is at a lower or the same geodetic height as the lower end of the upper of the two components and that the projections of the two apparatus parts overlap in a horizontal plane .
  • the two components can be arranged exactly one above the other, i. the axes of the two components perpendicular to the horizontal run on the same vertical straight line.
  • the axes of the two components do not have to be exactly perpendicular, but can also be offset from one another, especially if one of the two components, for example a rectification column or a column part with a smaller diameter, is to have the same distance from the sheet metal jacket of a coldbox as another with a larger one Diameter.
  • the present invention is based on the knowledge that a modification of a conventional air separation plant can be used particularly advantageously to obtain nitrogen at a pressure level as explained above, ie a pressure level of approx. 10 bar or more generally from 7 to 12 bar, and that thus, in an embodiment according to the invention, an oxygen-rich, gaseous air product can also be provided under pressure in a particularly advantageous manner and in different purities.
  • a double column system is used which, in contrast to classic processes or air separation plants, is operated at a higher pressure level or at two higher pressure levels.
  • the corresponding columns of such a double column arrangement are also referred to here as high pressure column and low pressure column, but at least the high pressure column here is operated at a significantly higher pressure level than the high pressure column of a known air separation plant.
  • the invention is based in particular on a method or a corresponding system as they are known from the patent literature mentioned at the beginning.
  • this overhead gas can be withdrawn, which is directly, i.e. can be provided as a nitrogen product at a desired product pressure without further compression.
  • the air separation plant proposed according to the invention or a corresponding method the use of booster compressors for a corresponding nitrogen product or, in principle, also possible internal compression, as is known from the prior art, is unnecessary.
  • an oxygen-rich air product can also be obtained in a gaseous state under pressure.
  • the method proposed according to the invention can in principle also be used to obtain further air products such as liquid oxygen, argon and the like and expanded accordingly.
  • the following explanations relate in particular to the extraction of pressurized, gaseous nitrogen and oxygen or a corresponding nitrogen-rich air product and a corresponding oxygen-rich air product.
  • a known modification of a conventional air separation plant is made to the effect that the high pressure column and the low pressure column are each operated with condenser evaporators which liquefy the top gas of the corresponding columns and return them to them.
  • the so-called main condenser is used to condense overhead gas from the high pressure column, provided that no further columns, such as for argon production, are present.
  • Top gas of the low-pressure column is typically not liquefied in conventional processes because the pressures used are also insufficient for this purpose. Rather, in conventional systems, a return to the low-pressure column is formed exclusively by liquid from the high-pressure column.
  • the gaseous, oxygen-rich air product is formed from liquid which is present in an evaporation space of the condenser-evaporator, which cools and condenses the top gas of the low-pressure column, and which is here generally referred to as the "second" condenser-evaporator.
  • the formation of the gaseous, oxygen-rich air product from this liquid includes an internal compression, as is basically known from the field of air separation.
  • a gaseous, pressurized air product is conventionally formed by removing a cryogenic, liquid air product from the rectification column system, subjecting it to a pressure increase to a product pressure, and heating it to the gaseous or supercritical state at the product pressure.
  • gaseous, pressurized oxygen, gaseous, pressurized nitrogen and / or gaseous, pressurized argon can be generated by means of conventional internal compression.
  • the internal compression offers a number of advantages compared to an alternatively also possible external compression and is explained, for example, by Häring (see above) in Section 2.2.5.2, "Internal Compression".
  • the present invention proposes a method for obtaining a nitrogen-rich air product and an oxygen-rich air product using a low-temperature separation of air in an air separation plant.
  • the air separation plant has a rectification column system with a high pressure column operated at a first pressure level and a low pressure column operated at a second pressure level below the first pressure level. Details on this have already been explained.
  • the rectification column system used according to the invention represents in particular a modification of a conventional double column system.
  • compressed air is cooled and at least fed into the high pressure column.
  • an expansion can take place before the feed, for example in an expansion machine or in an expansion valve.
  • the compressed air can also be at least partially liquefied during cooling, or at least one cooled compressed air flow in a gaseous state and at least one cooled compressed air flow in a liquefied state can be used.
  • the present invention is not limited to specific configurations of the air supply. Some of the compressed compressed air can also be partially cooled and then relaxed, but discharged from the system. In this way, cold can be obtained by heating this relaxed compressed air in a main heat exchanger against compressed air that is later fed into the rectification column system.
  • the high pressure column is operated at a higher pressure level than in conventional systems, so that in the context of the present invention the first pressure level is 7 to 12 bar.
  • the second pressure level is advantageously 3 to 5 bar, so the low-pressure column is also operated at a higher pressure level than is conventionally the case.
  • top gas of the high pressure column can be provided directly as a pressurized nitrogen product which is present at a desired product pressure without recompression.
  • a first condensate is formed in a first condenser evaporator and partially or completely returned to the high pressure column. It is also possible for only part of a corresponding condensate to be returned to the high pressure column and a further part of the condensate to be carried out as a liquid nitrogen product from the air separation plant.
  • a second condensate is formed in a second condenser-evaporator using overhead gas from the low-pressure column and partially or completely returned to the low-pressure column.
  • some of the corresponding liquefied Top gas of the low pressure column can be returned to the high pressure column by means of a pump after liquefaction.
  • All streams of matter used within the scope of the invention or removed from the rectification column system or its two rectification columns or fed into them can be cooled against each other (subcooled), for which purpose corresponding subcoolers (also referred to as subcooling countercurrent) can be used.
  • subcoolers also referred to as subcooling countercurrent
  • Such sub-coolers can also be combined into larger units that subject more than two material flows to a mutual heat exchange with one another.
  • bottom liquid from the low-pressure column is fed into an evaporation space of the second condenser evaporator.
  • Liquid is taken from the evaporation chamber of the second condenser evaporator, subjected to a pressure increase in the liquid state, evaporated or transferred to the supercritical state, and used to provide the oxygen-rich, gaseous air product.
  • a corresponding pressurized oxygen product can also be provided in a particularly advantageous manner in the course of the process optimized for the provision of pressurized nitrogen.
  • the internally compressed material flow or the liquid used to form this material flow from the second condenser evaporator is the only liquid with an oxygen content of more than 40% in a corresponding system, and this can therefore advantageously be used as an oxygen product with or without subsequent further processing will.
  • Typical pressures at which the nitrogen-rich, gaseous pressure product is provided in the context of the present invention are, for example, 7 to 10 bar.
  • the method proposed according to the invention also offers particular advantages, in particular, because in this case the liquid otherwise used to flush the evaporation chamber is released as a gaseous product. Therefore, the cold balance remains essentially unaffected compared to a liquid delivery, so that an amount corresponding to up to 20% of the amount of the nitrogen-rich, gaseous air product can be withdrawn in the form of the oxygen-rich, gaseous air product.
  • the oxygen-rich, gaseous air product is provided in an amount which is 1 to 20% of an amount in which the nitrogen-rich, gaseous air product is provided.
  • the purity of the liquid removed from the evaporation chamber of the second condenser evaporator, subjected to the pressure increase in the liquid state and evaporated or transferred to the supercritical state is sufficient for the intended use, for example for oxygen-enriched combustion, this can be used as the oxygen-rich, gaseous air product can be used.
  • the oxygen content of the liquid from the second condenser-evaporator is, as mentioned, more than 40% oxygen, in particular 60 to 78% oxygen, on a molar basis.
  • the liquid removed from the evaporation chamber of the second condenser evaporator, subjected to the pressure increase in the liquid state and evaporated or transferred to the supercritical state can also be used as the oxygen-rich, gaseous air product already briefly mentioned non-cryogenic oxygen enrichment are subjected.
  • Pressure swing adsorption and / or membrane separation have proven to be particularly advantageous in connection with the measures proposed according to the invention. The reason for this is, in particular, that the liquid taken from the evaporation chamber of the second condenser evaporator, subjected to the pressure increase in the liquid state and evaporated or transferred to the supercritical state is completely free of water and carbon dioxide, which is particularly advantageous for further use in a corresponding process offers.
  • the pressure swing adsorption can in particular be carried out in the form of what is known as vacuum pressure swing adsorption, which is characterized in that a subatmospheric desorption pressure of, for example, 100 to 900 mbar or 200 to 800 mbar is used.
  • the non-cryogenic oxygen enrichment can be done to a level of 80 to 95% on a molar basis if pressure swing adsorption is used, and to a level of 80 to 99.9% on a molar basis if a membrane process is used.
  • a membrane process is particularly advantageous because here the energy required for material separation is withdrawn from the fluid by reducing the pressure (the gradient of the partial pressures of oxygen drives the material separation). Compared to (vacuum) pressure swing adsorption, the devices used in a membrane process are inexpensive, space-saving, low-maintenance and do not generate any additional noise emissions. In addition, the start-up time in a membrane process is very short.
  • Polyimide or poly (p-phenylene oxide), for example, are suitable as membrane material for oxygen separation.
  • the evaporation chamber of the second top condenser can in particular be operated at a pressure level of 1.2 to 2.5 bar.
  • the bottom liquid of the low-pressure column is therefore expanded from the second pressure level to this pressure level before being fed into the evaporation space, and the liquid is withdrawn from the evaporation space at this pressure level.
  • the liquid pressure increase of the liquid withdrawn from the evaporation chamber of the second top condenser can in particular take place to a pressure level of 5 to 80 bar. As mentioned, this enables particularly good adaptation to the material flows that are otherwise passed through the main heat exchanger. If the liquid pressure increase of the liquid withdrawn from the evaporation chamber of the second top condenser is at a pressure level well above 8 to 10 bar, it can make sense for cost reasons to heat the liquid to be evaporated in a separate exchanger against process air.
  • air is compressed to at least the first pressure level, a first portion of this air being cooled in the form of one or more compressed air streams in a main heat exchanger of the air separation plant and fed into the high pressure column .
  • This first portion is passed through the main heat exchanger in particular to the cold end and cooled to a temperature level of -150 to -180 ° C.
  • a second portion of this air is cooled in the main heat exchanger, advantageously only to an intermediate temperature level of -50 to -150 ° C., expanded, heated in the main heat exchanger and discharged from the air separation plant. In this way, a loss of cold in the system can be compensated.
  • the present invention also extends to an air separation plant which is set up to carry out a corresponding method and which has the means specified in the associated independent patent claim.
  • this independent patent claim and the above explanations relating to the method proposed according to the invention, which relate to a corresponding air separation plant in the same way.
  • Air separation plants each designated 100, 200 and 300 according to particularly preferred embodiments of the present invention are illustrated in a greatly simplified, schematic representation as process flow diagrams.
  • a so-called warm part of the corresponding air separation plants 100, 200 and 300 is in each case not illustrated in detail, but is indicated in summary with 1.
  • the warm part of an air separation plant includes in particular the so-called main air compressor and a pre-cooling device, for example in the form of a direct contact cooler, connected downstream of this.
  • the warm part of a corresponding air separation plant typically comprises a cleaning device for the air to be processed in the air separation plant, which is typically set up as an adsorber station with suitable molecular sieve adsorbers. These can, in particular, be operated alternately and operated using a regeneration gas, as will also be explained below.
  • a corresponding Adsorber station which is explicitly provided in the warm part 1 of the air separation plants 100, 200 and 300, is designated by 2.
  • a compressed and correspondingly purified feed air stream a which comprises air which is processed in a rectification column system 10.
  • the rectification column system 10 comprises a high pressure column 11 and a low pressure column 12.
  • An essential aspect of the embodiment illustrated here is that the high pressure column 11 and the low pressure column 12 each have top condensers 111 and 121, respectively.
  • a condensate is formed in the top condenser 111, referred to here as the “first” top condenser, which is also referred to here as the “first” condensate. This first condensate is at least partially returned to the high pressure column 11.
  • top condenser 121 referred to here as the "second” top condenser
  • a condensate is formed, which is referred to here as the "second” condensate, and which is partially or completely returned to the low-pressure column 12. Further details are explained below.
  • FIG. 1 to 3 illustrated air separation plants 100, 200 and 300 Another common aspect of the Figures 1 to 3 illustrated air separation plants 100, 200 and 300 is that three partial flows b, c and d of the feed air flow a are formed and are each subjected to a cooling in a main heat exchanger 3.
  • the substreams b are guided through the main heat exchanger 3 up to the cold end and ultimately fed into the high pressure column 11.
  • the partial flow c is only partially cooled in the main heat exchanger 3, expanded in a braked turbine 4, heated again in the main heat exchanger 3, and released into atmosphere A.
  • the formation and expansion of partial flow c is optional.
  • Illustrated air separation plants 100, 200 and 300 designed according to embodiments of the present invention are further characterized in that the first pressure level at which the high-pressure column 11 is operated is significantly above the pressure level at which the high-pressure columns of the in conventional air separation plants used double column systems are operated. Details on the corresponding pressures have already been explained.
  • each pressure nitrogen is provided, which is drawn off from the top of the high pressure column 11 in the form of a stream e, heated in the main heat exchanger 3 and discharged from the air separation plants 100, 200 and 300.
  • a partial flow of the material flow e which is not specifically identified here, can be branched off on the warm side of the main heat exchanger 3 and used, for example, as a sealing gas.
  • a further stream f is also withdrawn from the top of the high-pressure column 11, passed through the already mentioned first condenser-evaporator 111 and at least partially liquefied there.
  • a portion of the correspondingly formed liquid is returned to the high pressure column 11 in the form of a stream g; a further portion can be led to the system boundary in the form of a stream h as a liquid nitrogen product.
  • An oxygen-enriched stream i is discharged from the bottom of the high-pressure column 11, passed through a subcooler 14, and then released into the low-pressure column 12.
  • Top gas of the low-pressure column 12 is taken from this in the form of a stream k and passed through the condenser-evaporator 121. Again, a portion of this can be returned to the low-pressure column 12 in the form of a stream I. Another portion is passed in the form of a stream m by means of a pump 15 through a subcooler 16 and then fed into the high pressure column 12.
  • a stream n is withdrawn from the bottom of the low-pressure column 12 and is likewise passed through the subcooler 16 and then through a subcooler 17 and then expanded into an evaporation space of the top condenser 121.
  • Gas from the evaporation space of the condenser evaporator 121 is withdrawn in the form of a material flow p and optionally, if present, passed through the subcooler 13 and the subcooler 17.
  • the stream p is then heated in the main heat exchanger 3 and can, for example, be used as a regeneration gas in the Adsorber station 2 are used, which is provided in the warm part 1 of the air separation units 100, 200 and 300.
  • liquid is withdrawn in the form of a substance flow q, subjected to a pressure increase by means of a pump 19 in the liquid state, evaporated in the main heat exchanger 3 or transferred to the supercritical state, and used to provide an oxygen-rich, gaseous air product that another main product of the air separation plants 100, 200, 300 according to FIGS Figures 1 to 3 represents.
  • the vaporized or converted into the supercritical state stream q is fed to a consumer 101 in a materially unchanged composition.
  • the illustrated air separation plant 300 represents a variant of the air separation plant 200 according to FIG Figure 2
  • a further oxygen enrichment is carried out, namely in a membrane separation 301.
  • a material flow t which is further enriched in oxygen and a waste flow u can be formed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines stickstoffreichen Luftprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300), die ein Rektifikationskolonnensystem (10) mit einer auf einem ersten Druckniveau betriebenen Hochdruckkolonne (11) und einer auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betriebenen Niederdruckkolonne (12) aufweist. Es ist vorgesehen, dass das erste Druckniveau bei 7 bis 12 bar liegt, dass unter Verwendung von Kopfgas der Hochdruckkolonne (11) in einem ersten Kondensatorverdampfer (111) ein erstes Kondensat gebildet und teilweise oder vollständig auf die Hochdruckkolonne (11) zurückgeführt wird, dass unter Verwendung von Kopfgas der Niederdruckkolonne (12) in einem zweiten Kondensatorverdampfer (121) ein zweites Kondensat gebildet und teilweise oder vollständig auf die Niederdruckkolonne (11) zurückgeführt wird, dass in einen Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers (121) Sumpfflüssigkeit aus der Niederdruckkolonne (12) eingespeist wird, und dass aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers (121) Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung unterworfen, verdampft oder in den überkritischen Zustand überführt, und zur Bereitstellung des sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts verwendet wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Gewinnung eines stickstoffreichen Luftprodukts und eines sauerstoffreichen Luftprodukts unter Einsatz einer Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
    • Stand der Technik
  • Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
  • Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die herkömmlicherweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelkolonnensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben den Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Häufig werden dabei die Begriffe "Rektifikation" und "Destillation" sowie "Kolonne" und "Säule" bzw. hieraus zusammengesetzte Begriffe synonym verwendet.
  • Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Hochdruckkolonne (auch als Druckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (auch als obere Kolonne bezeichnet) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druckniveau von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die Niederdruckkolonne wird auf einem Druckniveau von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in einer oder in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen.
  • Die Erzeugung von Stickstoff auf einem Druckniveau von ca. 10 bar bei gleichzeitig großen Produktionsmengen ist in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen mit vernünftigen Ausbeuten häufig nicht möglich. Der Stickstoff fällt hier zum Großteil als Niederdruckprodukt an und muss daher verdichtet werden. Der restliche Teil kann unter dem Druck der Hochdruckkolonne gewonnen werden, muss aber, da diese in dem erwähnten niedrigeren Druckbereich betrieben wird, ebenfalls nachverdichtet werden, um den erwünschen Produktdruck zu erzielen. Letzteres gilt auch für alternative Ausgestaltungen, in denen ausschließlich die Hochdruckkolonne zur Stickstoffproduktion verwendet wird.
  • Herkömmliche Doppelkolonnensysteme zur Tieftemperaturzerlegung von Luft weisen lediglich zur Kondensation von Kopfgas der Hochdruckkolonne einen Kondensatorverdampfer (zu dem Begriff siehe unten), den sogenannten Hauptkondensator, auf. Wenn große Mengen an Druckstickstoff gewonnen werden sollen, also insbesondere für die soeben erläuterte Aufgabe, kann ein abgewandeltes Doppelsäulenverfahren zum Einsatz kommen, bei dem grundsätzlich höhere Drücke verwendet werden. Dadurch ist es möglich, Kopfgas der Niederdruckkolonne in einem Kopfkondensator zu gegen sauerstoffangereicherte Flüssigkeit aus dem Rektifikationskolonnensystem zu kondensieren. Aufgrund der höheren verwendeten Druckniveaus kann hierbei außerdem gasförmiger Stickstoff aus der Hochdruckkolonne direkt, d.h. ohne weitere Verdichtung, auf einem entsprechenden Druckniveau bereitgestellt werden. Entsprechende Verfahren sind beispielsweise aus der US 4,453,957 A und der EP 3 290 843 A2 bekannt.
  • Verfahren und Anlagen, die in der soeben erläuterten Weise zur Erzeugung von gasförmigem Stickstoff auf entsprechenden Druckniveaus optimiert sind, sind häufig nicht zur gleichzeitigen Gewinnung von gasförmigem Drucksauerstoff bzw. entsprechenden gasförmigen, sauerstoffreichen Luftprodukten eingerichtet, weshalb herkömmlicherweise dann, wenn auch derartige Luftprodukte bereitgestellt werden sollen, auf im Sinne der Stickstoffproduktion möglicherweise nachteiligere Verfahren und Anlagen zurückgegriffen werden muss.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Luftzerlegungsanlage anzugeben, mittels welchem bzw. welcher größere Mengen an gasförmigem Stickstoff auf einem deutlich überatmosphärischen Druckniveau und zugleich ein gasförmiges, sauerstoffreiches Luftprodukt in vorteilhafter Weise bereitgestellt werden können.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Anlage zur Gewinnung eines stickstoffreichen Luftprodukts und eines sauerstoffreichen Luftprodukts unter Einsatz einer Tieftemperaturzerlegung von Luft mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung näher erläutert und nachfolgend verwendete Begriffe definiert.
  • Die in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring (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.
  • 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 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der Definition von "reich" entsprechen. Flüssigkeiten und Gase können ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen Gehalt in einer Ausgangsflüssigkeit oder einem Ausgangsgas beziehen, aus der oder dem die Flüssigkeit oder das Gas gewonnen wurde. Die Flüssigkeit oder das Gas sei "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", "Stickstoff" oder "Argon" die Rede, sei hierunter auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, die bzw. das reich an Sauerstoff oder Stickstoff ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss.
  • Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5%, 10% 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 den bezüglich der Druckniveaus in bar angegebenen Werten handelt es sich um Absolutdrücke.
  • Ist hier von "Entspannungsmaschinen", "Expansionsturbinen" oder dergleichen die Rede, seien darunter typischerweise bekannte Turboexpander verstanden. Diese Entspannungsmaschinen können insbesondere auch mit Verdichtern bzw. Boostern gekoppelt sein. Bei diesen Verdichtern kann es sich insbesondere um Turboverdichter handeln. Eine entsprechende Kombination aus Turboexpander und Turboverdichter wird typischerweise auch als "Turbinenbooster" bezeichnet. In einem Turbinenbooster sind der Turboexpander und der Turboverdichter mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein geeignetes übersetzendes Getriebe) erfolgen kann. Allgemein wird hier der Begriff "Verdichter" verwendet, auch wenn es sich um einen mit einem Turboexpander gekoppelten Booster handelt.
  • Ein "Hauptluftverdichter" zeichnet sich dadurch aus, dass durch ihn die gesamte, der Luftzerlegungsanlage zugeführte und dort zerlegte Luft verdichtet wird. Hingegen wird in einem oder mehreren optional vorgesehenen weiteren Verdichtern, beispielsweise Nachverdichtern, nur jeweils ein Anteil dieser bereits zuvor im Hauptluftverdichter verdichteten Luft weiter verdichtet. Entsprechend stellt der "Hauptwärmetauscher" einer Luftzerlegungsanlage den Wärmetauscher dar, in dem zumindest der überwiegende Anteil der der Luftzerlegungsanlage zugeführten und dort zerlegten Luft abgekühlt wird. Dies erfolgt zumindest zum Teil im Gegenstrom zu Stoffströmen, die aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Solche "ausgeleiteten" Stoffströme oder "Produkte" sind im hier verwendeten Sprachgebrauch Fluide, die nicht mehr an anlageninternen Kreisläufen teilnehmen, sondern diesen dauerhaft entzogen werden.
  • Ein "Wärmetauscher" zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in fachüblicher Art ausgebildet sein. Er dient zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei z.B. im Gegenstrom zueinander geführten Fluidströmen, beispielsweise einem warmen Druckluftstrom und einem oder mehreren kalten Fluidströmen oder einem tiefkalten flüssigen Luftprodukt und einem oder mehreren warmen bzw. wärmeren, ggf. aber auch noch tiefkalten Fluidströmen. Ein Wärmetauscher kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Es handelt sich beispielsweise um einen Plattenwärmetauscher (engl. Plate Fin Heat Exchanger). Ein derartiger Wärmetauscher weist "Passagen" auf, die als voneinander getrennte Fluidkanäle mit Wärmeaustauschflächen ausgebildet und parallel und durch andere Passagen getrennt zu "Passagengruppen" zusammengeschlossen sind. Kennzeichen eines Wärmetauschers ist, dass in ihm zu einem Zeitpunkt Wärme zwischen zwei mobilen Medien ausgetauscht wird, nämlich wenigstens einem abzukühlenden und wenigstens einem zu erwärmenden Fluidstrom.
  • Als "Kondensatorverdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensatorverdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf. Verflüssigungs- und Verdampfungsraum weisen Verflüssigungs- bzw. Verdampfungspassagen auf. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Der Verdampfungs- und der Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
  • Die relativen räumlichen Begriffe "oben", "unten", "über", "unter", "oberhalb", "unterhalb", "neben", "nebeneinander", "vertikal", "horizontal" etc. beziehen sich hier auf die räumliche Ausrichtung der Komponenten einer Luftzerlegungsanlage im Normalbetrieb. Unter einer Anordnung zweier Komponenten "übereinander" wird hier verstanden, dass das sich obere Ende der unteren der beiden Komponenten auf niedrigerer oder gleicher geodätischer Höhe befindet wie das untere Ende der oberen der beiden Komponenten und sich die Projektionen der beiden Apparateteile in einer horizontalen Ebene überschneiden. Insbesondere können die beiden Komponenten genau übereinander angeordnet sein, d.h. die Achsen der beiden Komponenten senkrecht zur Horizontalen verlaufen auf derselben vertikalen Geraden. Die Achsen der beiden Komponenten müssen jedoch nicht genau senkrecht übereinander liegen, sondern können auch gegeneinander versetzt sein, insbesondere wenn einer der beiden Komponenten, beispielsweise eine Rektifikationskolonne oder ein Kolonnenteil mit geringerem Durchmesser, denselben Abstand zum Blechmantel einer Coldbox aufweisen soll wie ein anderer mit größerem Durchmesser.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich zur Gewinnung von Stickstoff auf einem Druckniveau wie eingangs erläutert, d.h. einem Druckniveau von ca. 10 bar oder allgemeiner von 7 bis 12 bar, eine Abwandlung einer herkömmlichen Luftzerlegungsanlage besonders vorteilhaft nutzen lässt, und dass sich damit in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung auch ein sauerstoffreiches, gasförmiges Luftprodukt unter Druck in besonders vorteilhafter Weise und in unterschiedlichen Reinheiten bereitstellen lässt. In der erfindungsgemäß eingesetzten Abwandlung wird dabei ein Doppelkolonnensystem eingesetzt, das im Gegensatz zu klassischen Verfahren bzw. Luftzerlegungsanlagen auf einem höheren Druckniveau bzw. auf zwei höheren Druckniveaus betrieben wird. Die entsprechenden Kolonnen derartigen Doppelkolonnenanordnung werden auch hier als Hochdruckkolonne und Niederdruckkolonne bezeichnet, wobei zumindest die Hochdruckkolonne jedoch hier auf einem deutlich höheren Druckniveau als die Hochdruckkolonne einer bekannten Luftzerlegungsanlage betrieben wird. Die Erfindung geht dabei insbesondere von einem Verfahren bzw. einer entsprechenden Anlage aus, wie sie aus der eingangs erwähnten Patentliteratur bekannt sind.
  • Durch den Betrieb der Hochdruckkolonne auf einem entsprechenden höheren Druckniveau kann dieser Kopfgas entnommen werden, welches direkt, d.h. ohne eine weitere Verdichtung, als Stickstoffprodukt auf einem gewünschten Produktdruck bereitgestellt werden kann. Durch den Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Luftzerlegungsanlage bzw. eines entsprechenden Verfahrens erübrigt sich damit der Einsatz von Nachverdichtern für ein entsprechendes Stickstoffprodukt bzw. eine grundsätzlich ebenfalls mögliche Innenverdichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen kann ferner ein sauerstoffreiches Luftprodukt in gasförmigem Zustand unter Druck gewonnen werden. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann grundsätzlich auch zur Gewinnung weiterer Luftprodukte wie flüssigem Sauerstoff, Argon und dergleichen verwendet und entsprechend erweitert werden. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich jedoch insbesondere auf die Gewinnung von druckbeaufschlagtem, gasförmigem Stickstoff und Sauerstoff bzw. eines entsprechenden stickstoffreichen Luftprodukts und eines entsprechenden sauerstoffreichen Luftprodukts.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird also eine an sich bekannte Abwandlung einer herkömmlichen Luftzerlegungsanlage dahingehend vorgenommen, dass die Hochdruckkolonne und die Niederdruckkolonne jeweils mit Kondensatorverdampfern betrieben werden, die Kopfgas der entsprechenden Kolonnen verflüssigen und auf diese zurückführen. In herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen wird, wie erwähnt, lediglich der sogenannte Hauptkondensator zur Kondensation von Kopfgas der Hochdruckkolonne verwendet, sofern keine weiteren Kolonnen wie beispielsweise zur Argonproduktion vorhanden sind. Kopfgas der Niederdruckkolonne wird in herkömmlichen Verfahren typischerweise nicht verflüssigt, weil hierzu auch die verwendeten Drücke nicht ausreichen. Vielmehr wird in herkömmlichen Anlagen ein Rücklauf auf die Niederdruckkolonne ausschließlich durch Flüssigkeit aus der Hochdruckkolonne gebildet.
  • Das gasförmige, sauerstoffreiche Luftprodukt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus Flüssigkeit gebildet, die in einem Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers vorliegt wird, welcher das Kopfgas der Niederdruckkolonne kühlt und kondensiert, und der hier allgemein als "zweiter" Kondensatorverdampfer bezeichnet wird. Die Bildung des gasförmigen, sauerstoffreichen Luftprodukts aus dieser Flüssigkeit umfasst eine Innenverdichtung, wie sie grundsätzlich aus dem Bereich der Luftzerlegung bekannt ist.
  • Bei der Innenverdichtung wird herkömmlicherweise ein gasförmiges, druckbeaufschlagtes Luftprodukt dadurch gebildet, dass dem Rektifikationskolonnensystem ein tiefkaltes, flüssiges Luftprodukt entnommen, einer Druckerhöhung auf einen Produktdruck unterworfen, und auf dem Produktdruck durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt wird. Beispielsweise können mittels herkömmlicher Innenverdichtung gasförmiger, druckbeaufschlagter Sauerstoff, gasförmiger, druckbeaufschlagter Stickstoff und/oder gasförmiges, druckbeaufschlagtes Argon erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer alternativ ebenfalls möglichen externen Verdichtung und ist z.B. bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert. Anlagen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei der eine entsprechende Innenverdichtung zum Einsatz kommt, sind auch in der US 2007/0209389 A1 und in der WO 2015/127648 A1 gezeigt. Die vorliegende Erfindung setzt die Innenverdichtung in Zusammenhang mit der Flüssigkeit aus dem erwähnten zweiten Kondensatorverdampfer ein.
  • Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung zur Erzielung der zuvor erläuterten Vorteile ein Verfahren zur Gewinnung eines stickstoffreichen Luftprodukts und eines sauerstoffreichen Luftprodukts unter Einsatz einer Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Luftzerlegungsanlage vor. Die Luftzerlegungsanlage weist ein Rektifikationskolonnensystem mit einer auf einem ersten Druckniveau betriebenen Hochdruckkolonne und einer auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betriebenen Niederdruckkolonne auf. Details hierzu wurden bereits erläutert. Wie erwähnt, stellt das erfindungsgemäß eingesetzte Rektifikationskolonnensystem dabei insbesondere eine Abwandlung eines herkömmlichen Doppelkolonnensystems dar.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird Druckluft abgekühlt und zumindest in die Hochdruckkolonne eingespeist. Je nach der Verdichtung der Druckluft, die auch in Anteilen auf unterschiedliche Druckniveaus erfolgen kann, kann dabei eine Entspannung vor der Einspeisung erfolgen, beispielsweise in einer Entspannungsmaschine oder in einem Entspannungsventil. Die Druckluft kann bei der Abkühlung auch zumindest teilweise verflüssigt werden bzw. können zumindest ein abgekühlter Druckluftstrom in gasförmigem und zumindest ein abgekühlter Druckluftstrom in verflüssigtem Zustand verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungen der Lufteinspeisung beschränkt. Ein Teil der verdichteten Druckluft kann auch teilabgekühlt und danach entspannt, jedoch aus der Anlage ausgeleitet werden. Auf diese Weise kann Kälte gewonnen werden, indem diese entspannte Druckluft in einem Hauptwärmetauscher gegen später in das Rektifikationskolonnensystem eingespeiste Druckluft erwärmt wird.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird, wie erwähnt, die Hochdruckkolonne auf einem höheren Druckniveau als in herkömmlichen Anlagen betrieben, so dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung das erste Druckniveau bei 7 bis 12 bar liegt. Im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens beträgt das zweite Druckniveau vorteilhafterweise 3 bis 5 bar, die Niederdruckkolonne wird also auf ebenfalls auf einem höheren Druckniveau als herkömmlicherweise der Fall betrieben. Auf diese Weise kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung Kopfgas der Hochdruckkolonne direkt als Druckstickstoffprodukt bereitgestellt werden, das ohne Nachverdichtung auf einem gewünschten Produktdruck vorliegt.
  • Ferner wird unter Verwendung von Kopfgas der Hochdruckkolonne erfindungsgemäß in einem ersten Kondensatorverdampfer ein erstes Kondensat gebildet und teilweise oder vollständig auf die Hochdruckkolonne zurückgeführt. Es kann auch nur ein Teil eines entsprechenden Kondensats auf die Hochdruckkolonne zurückgeführt und ein weiterer Teil des Kondensats als Flüssigstickstoffprodukt aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt werden.
  • Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Kopfgas der Niederdruckkolonne in einem zweiten Kondensatorverdampfer ein zweites Kondensat gebildet und teilweise oder vollständig auf die Niederdruckkolonne zurückgeführt. Insbesondere kann ein Teil des entsprechenden verflüssigten Kopfgases der Niederdruckkolonne dabei auch nach der Verflüssigung mittels einer Pumpe auf die Hochdruckkolonne zurückgeführt werden.
  • Sämtliche im Rahmen der Erfindung eingesetzten bzw. dem Rektifikationskolonnensystem oder ihrer beiden Rektifikationskolonnen entnommenen bzw. in diese eingespeisten Stoffströme können gegeneinander abgekühlt (unterkühlt) werden, wozu entsprechende Unterkühler (auch als Unterkühlungsgegenströmer bezeichnet) verwendet werden können. Derartige Unterkühler können auch zu größeren Einheiten zusammengefasst werden, die mehr als zwei Stoffströme einem wechselseitigen Wärmeaustausch miteinander unterwerfen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird in einen Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers Sumpfflüssigkeit aus der Niederdruckkolonne eingespeist. Aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers wird Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung unterworfen, verdampft oder in den überkritischen Zustand überführt, und zur Bereitstellung des sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts verwendet.
  • Durch den Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen, insbesondere durch die Innenverdichtung der Flüssigkeit aus dem zweiten Kondensatorverdampfer, kann im Zuge des für die Bereitstellung von Druckstickstoff optimierten Verfahrens in besonderes vorteilhafter Weise auch ein entsprechendes Drucksauerstoffprodukt bereitgestellt werden. Der innenverdichtete Stoffstrom bzw. die zur Bildung dieses Stoffstroms verwendete Flüssigkeit aus dem zweiten Kondensatorverdampfer stellt die einzige Flüssigkeit mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 40% in einer entsprechenden Anlage dar, und diese kann daher, mit oder ohne anschließende weitere Aufbereitung, vorteilhafterweise als Sauerstoffprodukt genutzt werden.
  • Durch die nach der Innenverdichtung erfolgende Überführung in den gasförmigen oder überkritischen Zustand wird dem Prozess keine wertvolle Kälte entzogen, wie dies im Falle einer direkten Ausleitung der Fall wäre. Dies ist besonders vorteilhaft, weil in Luftzerlegungsanlagen, die zur Bereitstellung von gasförmigem Druckstickstoff in der erläuterten Art optimiert sind, typischerweise eine vergleichsweise geringe Kälteleistung installiert ist. Der minimale Innenverdichtungsdruck, also das Druckniveau, auf den die Flüssigkeit aus dem zweiten Kondensatorverdampfer in flüssigem Zustand gebracht wird, liegt bei ca. 6 bar, was im Q-T-Profil ausgesprochen gut zu der bei ca. 10 bar bereitgestellten Prozessluft passt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird in Ausgestaltungen beispielsweise ein Innenverdichtungsdruck von 6 bis 10 bar verwendet. Des weiteren können jedoch auch höhere Innenverdichtungsdrücke sinnvoll erzeugt werden, insbesondere dann, wenn eine weitere Aufreinigung des Drucksauerstoffprodukt in einer anschließenden nichtkryogenen Sauerstoffanreicherung erfolgen soll. Typische Drücke, auf die im Rahmen der vorliegenden Erfindung das stickstoffreiche, gasförmige Druckprodukt bereitgestellt wird, liegen bei beispielsweise 7 bis 10 bar.
  • Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren bietet insbesondere auch deshalb besondere Vorteile, weil hierbei ansonsten zur Spülung des Verdampfungsraums verwendete Flüssigkeit als gasförmiges Produkt abgegeben wird. Daher bleibt die Kältebilanz im Vergleich zu einer flüssigen Abgabe im Wesentlichen unberührt, so dass eine bis zu 20% der Menge des stickstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts entsprechende Menge in Form des sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts abgezogen werden kann. Mit anderen Worten wird in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung das sauerstoffreiche, gasförmige Luftprodukt in einer Menge bereitgestellt, die bei 1 bis 20% einer Menge liegt, in der das stickstoffreiche, gasförmige Luftprodukt bereitgestellt wird.
  • Reicht eine Reinheit der aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers entnommenen, in flüssigem Zustand der Druckerhöhung unterworfenen und verdampften oder in den überkritischen Zustand überführten Flüssigkeit für den beabsichtigten Verwendungszweck, beispielsweise für eine sauerstoffangereicherte Verbrennung aus, kann diese ohne die Zusammensetzung beeinflussende Maßnahmen als das sauerstoffreiche, gasförmige Luftprodukt verwendet werden. Der Sauerstoffgehalt der Flüssigkeit aus dem zweiten Kondensatorverdampfer liegt, wie erwähnt, bei mehr als 40% Sauerstoff, insbesondere bei 60 bis 78% Sauerstoff, auf molarer Basis.
  • Bei einem höheren Reinheitsbedarf kann die aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers entnommene, in flüssigem Zustand der Druckerhöhung unterworfene und verdampfte oder in den überkritischen Zustand überführte Flüssigkeit zur Bereitstellung als das sauerstoffreiche, gasförmige Luftprodukt jedoch auch der bereits kurz angesprochenen nichtkryogenen Sauerstoffanreicherung unterworfen werden. Als besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen haben sich dabei die Druckwechseladsorption und/oder eine Membrantrennung erwiesen. Der Grund dafür ist insbesondere der, dass die aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers entnommene, in flüssigem Zustand der Druckerhöhung unterworfene und verdampfte oder in den überkritischen Zustand überführte Flüssigkeit vollständig frei von Wasser und Kohlendioxid ist, was für die Weiterverwendung in einem entsprechenden Verfahren besondere Vorteile bietet.
  • Die Druckwechseladsorption kann insbesondere in Form einer sogenannten Vakuumdruckwechseladsorption durchgeführt werden, die sich dadurch auszeichnet, dass ein unteratmosphärischer Desorptionsdruck von beispielsweise 100 bis 900 mbar oder 200 bis 800 mbar verwendet wird.
  • Die nichtkryogene Sauerstoffanreicherung kann insbesondere auf einen Gehalt von 80 bis 95% auf molarer Basis erfolgen, wenn eine Druckwechseladsorption eingesetzt werden, und auf einen Gehalt von 80 bis 99,9% auf molarer Basis, wenn ein Membranverfahren verwendet wird.
  • Ein Membranverfahren ist deshalb von besonderem Vorteil, weil hier die zur Stofftrennung benötigte Energie dem Fluid per Druckreduktion entzogen wird (der Gradient der Partialdrücke des Sauerstoffes treibt die Stofftrennung). Im Vergleich zu einer (Vakuum-)Druckwechseladsorption sind die in einem Membranverfahren eingesetzten Apparate kostengünstig, platzsparend, wartungsarm und erzeugen keine zusätzlichen Schallemissionen. Zudem ist die Anfahrzeit in einem Membranverfahren sehr kurz. Als Membranmaterial zur Sauerstofftrennung bieten sich beispielsweise Polyimid oder Poly(p-Phenylenoxid) an.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Verdampfungsraum des zweiten Kopfkondensators insbesondere auf einem Druckniveau von 1,2 bis 2,5 bar betrieben werden. Die Sumpfflüssigkeit der Niederdruckkolonne wird also vor der Einspeisung in den Verdampfungsraum ausgehend von dem zweiten Druckniveau auf dieses Druckniveau entspannt und die Flüssigkeit wird dem Verdampfungsraum auf diesem Druckniveau entnommen.
  • Die flüssige Druckerhöhung der aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kopfkondensators entnommenen Flüssigkeit kann insbesondere auf ein Druckniveau von 5 bis 80 bar erfolgen. Wie erwähnt, kann hierdurch eine besonders gute Adaption an die ansonsten durch den Hauptwärmetauscher geführten Stoffströme erfolgen. Liegt die flüssige Druckerhöhung der aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kopfkondensators entnommenen Flüssigkeit auf ein Druckniveau deutlich über 8 bis 10 bar, so kann es aus Kostengründen sinnvoll sein, die zu verdampfende Flüssigkeit in einem separaten Tauscher gegen Prozessluft anzuwärmen.
  • In einem Verfahren gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird, wie bereits teilweise angesprochen, Luft auf mindestens das erste Druckniveau verdichtet, wobei ein erster Anteil dieser Luft in Form eines oder mehrerer Druckluftströme in einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage abgekühlt und in die Hochdruckkolonne eingespeist wird. Dieser erste Anteil wird insbesondere bis zum kalten Ende durch den Hauptwärmetauscher geführt und dabei auf ein Temperaturniveau von -150 bis - 180 °C abgekühlt. Hingegen wird ein zweiter Anteil dieser Luft in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt, und zwar vorteilhafterweise nur auf ein Zwischentemperaturniveau von -50 bis -150 °C, entspannt, in dem Hauptwärmetauscher erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet. Auf diese Weise kann ein Kälteverlust in der Anlage ausgeglichen werden.
  • Die vorliegende Erfindung erstreckt sich, wie erwähnt, ferner auf eine Luftzerlegungsanlage, die zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens eingerichtet ist, und die die in dem zugehörigen unabhängigen Patentanspruch angegebenen Mittel aufweist. Zu weiteren Details sei auf diesen unabhängigen Patentanspruch und die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens verwiesen, die eine entsprechende Luftzerlegungsanlage in gleicher Weise betreffen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend auf die beigefügten Figuren näher erläutert, die bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Figur 1 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.
    • Figur 2 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.
    • Figur 3 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.
  • In den Figuren sind einander baulich oder funktional entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
    • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Figuren 1 bis 3 sind jeweils mit 100, 200 und 300 bezeichnete Luftzerlegungsanlagen gemäß besonders bevorzugter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung in stark vereinfachter, schematischer Darstellung als Prozessflussdiagramme veranschaulicht.
  • Ein sogenannter warmer Teil der entsprechenden Luftzerlegungsanlagen 100, 200 und 300 ist jeweils nicht im Detail veranschaulicht, sondern zusammengefasst mit 1 angegeben. Zur fachüblichen Ausgestaltung eines entsprechenden warmen Teils einer Luftzerlegungsanlage sei auf die eingangs zitierte Fachliteratur verwiesen. Der warme Teil einer Luftzerlegungsanlage umfasst insbesondere den sogenannten Hauptluftverdichter sowie eine diesem nachgeschaltete Vorkühleinrichtung, beispielsweise in Form eines Direktkontaktkühlers. Ferner umfasst der warme Teil einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage typischerweise eine Reinigungseinrichtung für die in der Luftzerlegungsanlage zu bearbeitende Luft, die typischerweise als Adsorberstation mit geeigneten Molsiebadsorbern eingerichtet ist. Diese können insbesondere im Wechselbetrieb gefahren und unter Verwendung eines Regeneriergases betrieben werden, wie nachfolgend auch noch erläutert. Zur besseren Unterscheidung und einfacheren Bezugnahme ist eine entsprechende Adsorberstation, die jedoch explizit in dem warmen Teil 1 der Luftzerlegungsanlagen 100, 200 und 300 bereitgestellt ist, mit 2 bezeichnet.
  • In den Luftzerlegungsanlagen 100, 200 und 300 wird jeweils ein verdichteter und entsprechend aufgereinigter Einsatzluftstrom a bereitgestellt, der Luft umfasst, welche in einem Rektifikationskolonnensystem 10 bearbeitet wird. Das Rektifikationskolonnensystem 10 umfasst dabei eine Hochdruckkolonne 11 und eine Niederdruckkolonne 12. Ein wesentlicher Aspekt der hier veranschaulichten Ausgestaltung ist der, dass die Hochdruckkolonne 11 und die Niederdruckkolonne 12 jeweils Kopfkondensatoren 111 bzw. 121 aufweisen. Unter Verwendung von Kopfgas der Hochdruckkolonne wird dabei in dem hier als "erstem" Kopfkondensator bezeichneten Kopfkondensator 111 ein Kondensat gebildet, das hier auch als "erstes" Kondensat bezeichnet wird. Dieses erste Kondensat wird zumindest zum Teil auf die Hochdruckkolonne 11 zurückgeführt. In dem hier als "zweitem" Kopfkondensator bezeichneten Kopfkondensator 121 wird unter Verwendung von Kopfgas der Niederdruckkolonne ein Kondensat gebildet, das hier als "zweites" Kondensat bezeichnet wird, und das teilweise oder vollständig auf die Niederdruckkolonne 12 zurückgeführt wird. Weitere Details werden weiter unten erläutert.
  • Ein weiterer gemeinsamer Aspekt der in den Figuren 1 bis 3 veranschaulichten Luftzerlegungsanlagen 100, 200 und 300 ist der, dass drei Teilströme b, c und d des Einsatzluftstroms a gebildet und jeweils einer Abkühlung in einem Hauptwärmetauscher 3 unterworfen werden. Die Teilströme b werden dabei bis zum kalten Ende durch den Hauptwärmetauscher 3 geführt und letztlich in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist. Der Teilstrom c wird hingegen in dem Hauptwärmetauscher 3 nur teilabgekühlt, in einer gebremsten Turbine 4 entspannt, in dem Hauptwärmetauscher 3 wieder erwärmt, und an die Atmosphäre A abgegeben. Die Bildung und Entspannung des Teilstroms c ist optional.
  • Die in den Figuren 1 bis 3 veranschaulichten, gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Luftzerlegungsanlagen 100, 200 und 300 zeichnen sich ferner dadurch aus, dass das erste Druckniveau, auf dem die Hochdruckkolonne 11 betrieben wird, deutlich oberhalb des Druckniveaus liegt, auf dem in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen die Hochdruckkolonnen der verwendeten Doppelkolonnensysteme betrieben werden. Details zu entsprechenden Drücken wurden bereits erläutert.
  • Als eines der Hauptprodukte der Luftzerlegungsanlagen 100, 200 und 300, die in den Figuren 1 bis 3 veranschaulicht sind, wird jeweils Druckstickstoff bereitgestellt, der vom Kopf der Hochdruckkolonne 11 in Form eines Stoffstroms e abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher 3 erwärmt und aus den Luftzerlegungsanlagen 100, 200 und 300 ausgeleitet wird. Ein hier nicht gesondert bezeichneter Teilstrom des Stoffstroms e kann warmseitig des Hauptwärmetauschers 3 abgezweigt und beispielsweise als Dichtgas verwendet werden.
  • Vom Kopf der Hochdruckkolonne 11 wird ferner ein weiterer Stoffstrom f abgezogen, durch den bereits erwähnten ersten Kondensatorverdampfer 111 geführt und dort zumindest teilweise verflüssigt. Ein Anteil der entsprechend gebildeten Flüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms g auf die Hochdruckkolonne 11 zurückgeführt, ein weiterer Anteil kann in Form eines Stoffstroms h als Flüssigstickstoffprodukt an die Anlagengrenze geführt werden.
  • Aus dem Sumpf der Hochdruckkolonne 11 wird ein mit Sauerstoff angereicherter Stoffstrom i ausgeführt, durch einen Unterkühler 14 geleitet, und danach in die Niederdruckkolonne 12 entspannt. Kopfgas der Niederdruckkolonne 12 wird dieser in Form eines Stoffstroms k entnommen und durch den Kondensatorverdampfer 121 geführt. Wiederum kann ein Anteil hiervon in Form eines Stoffstroms I auf die Niederdruckkolonne 12 zurückgeführt werden. Ein weiterer Anteil wird in Form eines Stoffstroms m mittels einer Pumpe 15 durch einen Unterkühler 16 geführt und anschließend in die Hochdruckkolonne 12 eingespeist.
  • Aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne 12 wird ein Stoffstrom n abgezogen, der ebenfalls durch den Unterkühler 16 sowie anschließend durch einen Unterkühler 17 geführt und danach in einen Verdampfungsraum des Kopfkondensators 121 entspannt wird. Gas aus dem Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers 121 wird in Form eines Stoffstroms p entnommen und dabei optional, soweit vorhanden, durch den Unterkühler 13 sowie den Unterkühler 17 geführt. Der Stoffstrom p wird danach in dem Hauptwärmetauscher 3 erwärmt und kann beispielsweise als Regeneriergas in der Adsorberstation 2 verwendet werden, die in dem warmen Teil 1 der Luftzerlegungsanlagen 100, 200 und 300 bereitgestellt ist.
  • Aus dem Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers 121 wird jeweils Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms q abgezogen, mittels einer Pumpe 19 in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung unterworfen, in dem Hauptwärmetauscher 3 verdampft oder in den überkritischen Zustand überführt, und zur Bereitstellung eines sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts verwendet, das ein weiteres Hauptprodukt der Luftzerlegungsanlagen 100, 200, 300 gemäß den Figuren 1 bis 3 darstellt.
  • In der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur wird dabei der verdampfte oder in den überkritischen Zustand überführte Stoffstrom q in stofflich unveränderter Zusammensetzung einem Verbraucher 101 zugeführt.
  • Dagegen zeichnet sich die in Figur 2 veranschaulichte Luftzerlegungsanlage 200 insbesondere dadurch gegenüber der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100 aus, dass der verdampfte oder in den überkritischen Zustand überführte Stoffstrom q einer Druckwechseladsorption 201 unterworfen wird. Auf diese Weise kann ein weiter an Sauerstoff angereicherter Stoffstrom r mit dem oben erläuterten Sauerstoffgehalt und ein Abgasstrom s gebildet werden.
  • Die in Figur 3 veranschaulichte Luftzerlegungsanlage 300 stellt eine Variante der Luftzerlegungsanlage 200 gemäß Figur 2 dar. Auch in dieser Variante wird eine weitere Sauerstoffanreicherung vorgenommen, und zwar in einer Membrantrennung 301. Wiederum können ein weiter an Sauerstoff angereicherter Stoffstrom t und ein Abfallstrom u gebildet werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Gewinnung eines stickstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts und eines sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts unter Einsatz einer Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300), die ein Rektifikationskolonnensystem (10) mit einer auf einem ersten Druckniveau betriebenen Hochdruckkolonne (11) und einer auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betriebenen Niederdruckkolonne (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckniveau bei 7 bis 12 bar liegt, dass unter Verwendung von Kopfgas der Hochdruckkolonne (11) in einem ersten Kondensatorverdampfer (111) ein erstes Kondensat gebildet und teilweise oder vollständig auf die Hochdruckkolonne (11) zurückgeführt wird, dass unter Verwendung von Kopfgas der Niederdruckkolonne (12) in einem zweiten Kondensatorverdampfer (121) ein zweites Kondensat gebildet und teilweise oder vollständig auf die Niederdruckkolonne (11) zurückgeführt wird, dass in einen Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers (121) Sumpfflüssigkeit aus der Niederdruckkolonne (12) eingespeist wird, und dass aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers (121) Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung unterworfen, verdampft oder in den überkritischen Zustand überführt, und zur Bereitstellung des sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das sauerstoffreiche, gasförmige Luftprodukt in einer Menge bereitgestellt wird, die bei 1 bis 20% einer Menge liegt, in der das stickstoffreiche, gasförmige Luftprodukt bereitgestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers (121) entnommene, in flüssigem Zustand der Druckerhöhung unterworfene und verdampfte oder in den überkritischen Zustand überführte Flüssigkeit ohne die Zusammensetzung beeinflussende Maßnahmen als das sauerstoffreiche, gasförmige Luftprodukt verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers (121) entnommene, in flüssigem Zustand der Druckerhöhung unterworfene und verdampfte oder in den überkritischen Zustand überführte Flüssigkeit zur Bereitstellung als das sauerstoffreiche, gasförmige Luftprodukt einer nichtkryogenen Sauerstoffanreicherung unterworfen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die nichtkryogene Sauerstoffanreicherung unter Verwendung einer Druckwechseladsorption (201) und/oder unter Verwendung einer Membrantrennung (301) durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers (121) auf einem Druckniveau von 1,2 bis 2,5 bar betrieben wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die in flüssigem Zustand erfolgende Druckerhöhung der aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers (121) entnommenen Flüssigkeit auf ein Druckniveau von 5 bis 80 bar vorgenommen wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Flüssigkeit aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers (121) mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 40% entnommen wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem Luft auf mindestens das erste Druckniveau verdichtet wird, wobei ein erster Anteil dieser Luft in Form eines oder mehrerer Druckluftströme in einem Hauptwärmetauscher (3) der Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) abgekühlt und in die Hochdruckkolonne (11) eingespeist wird, und wobei ein zweiter Anteil dieser Luft in dem Hauptwärmetauscher (3) abgekühlt, entspannt, in dem Hauptwärmetauscher (3) erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) ausgeleitet wird.
  10. Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300), die ein Rektifikationskolonnensystem (10) mit einer für einen Betrieb auf einem ersten Druckniveau eingerichteten Hochdruckkolonne (11) und einer auf für einen Betrieb auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus eingerichteten Niederdruckkolonne (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckniveau bei 7 bis 12 bar liegt, dass Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung von Kopfgas der Hochdruckkolonne (11) in einem ersten Kondensatorverdampfer (111) ein erstes Kondensat zu bilden und teilweise oder vollständig auf die Hochdruckkolonne (11) zurückzuführen, dass Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, in einem zweiten Kondensatorverdampfer (121) unter Verwendung von Kopfgas der Niederdruckkolonne (12) ein zweites Kondensat zu bilden und teilweise oder vollständig auf die Niederdruckkolonne (11) zurückzuführen, dass Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, in einen Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers (121) Sumpfflüssigkeit aus der Niederdruckkolonne (12) einzuspeisen, und dass Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, aus dem Verdampfungsraum des zweiten Kondensatorverdampfers (121) Flüssigkeit zu entnehmen, in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung zu unterwerfen, zu verdampfen oder in den überkritischen Zustand zu überführen, und zur Bereitstellung des sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts zu verwenden.
  11. Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) nach Anspruch 10, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.
EP19020402.4A 2019-06-25 2019-06-25 Verfahren und anlage zur gewinnung eines stickstoffreichen und eines sauerstoffreichen luftprodukts unter einsatz einer tieftemperaturzerlegung von luft Withdrawn EP3757493A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19020402.4A EP3757493A1 (de) 2019-06-25 2019-06-25 Verfahren und anlage zur gewinnung eines stickstoffreichen und eines sauerstoffreichen luftprodukts unter einsatz einer tieftemperaturzerlegung von luft

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19020402.4A EP3757493A1 (de) 2019-06-25 2019-06-25 Verfahren und anlage zur gewinnung eines stickstoffreichen und eines sauerstoffreichen luftprodukts unter einsatz einer tieftemperaturzerlegung von luft

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3757493A1 true EP3757493A1 (de) 2020-12-30

Family

ID=67070522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19020402.4A Withdrawn EP3757493A1 (de) 2019-06-25 2019-06-25 Verfahren und anlage zur gewinnung eines stickstoffreichen und eines sauerstoffreichen luftprodukts unter einsatz einer tieftemperaturzerlegung von luft

Country Status (1)

Country Link
EP (1) EP3757493A1 (de)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4453957A (en) 1982-12-02 1984-06-12 Union Carbide Corporation Double column multiple condenser-reboiler high pressure nitrogen process
EP0884543A1 (de) * 1997-06-13 1998-12-16 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Verfahren und Anlage zur Lufttrennung durch kryogene Destillation
EP1055893A1 (de) * 1999-05-25 2000-11-29 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Tieftemperaturdestilationsanlage zur Luftzerlegung
US20070209389A1 (en) 2006-03-10 2007-09-13 Prosser Neil M Cryogenic air separation system for enhanced liquid production
WO2015127648A1 (en) 2014-02-28 2015-09-03 Praxair Technology, Inc. Pressurized product stream delivery
EP3290843A2 (de) 2016-07-12 2018-03-07 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von druckstickstoff und flüssigstickstoff durch tieftemperaturzerlegung von luft

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4453957A (en) 1982-12-02 1984-06-12 Union Carbide Corporation Double column multiple condenser-reboiler high pressure nitrogen process
EP0884543A1 (de) * 1997-06-13 1998-12-16 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Verfahren und Anlage zur Lufttrennung durch kryogene Destillation
EP1055893A1 (de) * 1999-05-25 2000-11-29 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Tieftemperaturdestilationsanlage zur Luftzerlegung
US20070209389A1 (en) 2006-03-10 2007-09-13 Prosser Neil M Cryogenic air separation system for enhanced liquid production
WO2015127648A1 (en) 2014-02-28 2015-09-03 Praxair Technology, Inc. Pressurized product stream delivery
EP3290843A2 (de) 2016-07-12 2018-03-07 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von druckstickstoff und flüssigstickstoff durch tieftemperaturzerlegung von luft

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Industrial Gases Processing", 2006, WILEY-VCH, article "Cryogenic Rectification"
"MIXED PURITY OXYGEN FACILITY", RESEARCH DISCLOSURE, KENNETH MASON PUBLICATIONS, HAMPSHIRE, UK, GB, no. 452, 1 November 2001 (2001-11-01), XP001087237, ISSN: 0374-4353 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2235460B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur tieftemperatur-luftzerlegung
EP1067345B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
EP1243882B1 (de) Argongewinnung mit einem Drei-Säulen-System zur Luftzerlegung und einer Rohargonsäule
EP3410050B1 (de) Verfahren zur gewinnung eines oder mehrerer luftprodukte und luftzerlegungsanlage
EP3870915B1 (de) Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft
EP1994344A1 (de) Vefahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft
EP1357342A1 (de) Drei-Säulen-System zur Tieftemperaturzerlegung mit Argongewinnung
EP2236964A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperatur-Luftzerlegung
EP4133227A2 (de) Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft, luftzerlegungsanlage und verbund aus wenigstens zwei luftzerlegungsanlagen
EP1074805B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff unter überatmosphärischem Druck
WO2020169257A1 (de) Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft
EP3980705A1 (de) Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft
WO2021078405A1 (de) Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft
EP2551619A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Druckstickstoff und Drucksauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft
EP4065910A1 (de) Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft
EP2914913B1 (de) Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft in einer luftzerlegungsanlage und luftzerlegungsanlage
DE19933558C5 (de) Dreisäulenverfahren und -vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
DE102017010001A1 (de) Verfahren und Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
WO2020083525A1 (de) Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft
EP3394536A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von reinem stickstoff und reinem sauerstoff durch tieftemperaturzerlegung von luft
EP4127583B1 (de) Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft
EP2963371B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur gewinnung eines druckgasprodukts durch tieftemperaturzerlegung von luft
EP3870917B1 (de) Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft
EP3757493A1 (de) Verfahren und anlage zur gewinnung eines stickstoffreichen und eines sauerstoffreichen luftprodukts unter einsatz einer tieftemperaturzerlegung von luft
EP3771873A1 (de) Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20210701