EP4211409A1 - Verfahren zur gewinnung eines oder mehrerer luftprodukte und luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verfahren zur gewinnung eines oder mehrerer luftprodukte und luftzerlegungsanlage

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Publication number
EP4211409A1
EP4211409A1 EP21751977.6A EP21751977A EP4211409A1 EP 4211409 A1 EP4211409 A1 EP 4211409A1 EP 21751977 A EP21751977 A EP 21751977A EP 4211409 A1 EP4211409 A1 EP 4211409A1
Authority
EP
European Patent Office
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air
pressure
column
fed
pressure level
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.)
Pending
Application number
EP21751977.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Palaniswamy OTTE
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
Publication of EP4211409A1 publication Critical patent/EP4211409A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F25J3/04672—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system having a top condenser
    • F25J3/04678—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system having a top condenser cooled by oxygen enriched liquid from high pressure column bottoms
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    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
    • F25J3/04812—Different modes, i.e. "runs" of operation
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    • F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
    • F25J2240/46—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being oxygen
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    • 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 for obtaining one or more air products and an air separation plant according to the respective preambles of the independent patent claims.
  • Air separation plants of the classic type have column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • rectification columns for obtaining nitrogen and/or oxygen in the liquid and/or gaseous state ie rectification columns for nitrogen-oxygen separation, rectification columns for obtaining further air components, in particular inert gases, can be provided.
  • the rectification columns of the column systems mentioned are operated at different pressure levels.
  • Known double column systems have a so-called pressure column (also referred to as a high-pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (upper column).
  • the high-pressure column is typically operated at a pressure level of 4 to 7 bar, in particular about 5.6 bar, while the low-pressure column is operated at a pressure level of typically 1 to 2 bar, in particular about 1.4 bar. In certain cases, higher pressure levels can also be used in both rectification columns.
  • the pressures specified here and below are absolute pressures at the top of the columns specified in each case.
  • the object of the present invention is to improve methods for the low-temperature decomposition of air and for the provision of air products and, in particular, to design them in an energetically more favorable manner.
  • So-called main (air) compressor/boost compressor main air compressor/booster air compressor, MAC-BAC) method or so-called high air pressure (HAP) method can be used for air separation.
  • the main air compressor/boosting processes are the more conventional processes, high air pressure processes are increasingly being used as alternatives in recent times.
  • Main air compressor/post-compressor processes are characterized in that only part of the total amount of feed air supplied to the column system is compressed to a pressure level that is significantly, ie at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar above of the pressure level of the pressure column, and thus the highest pressure level used in the column system. A further portion of the feed air quantity is only compressed to the pressure level of the pressure column or a pressure level which differs therefrom by no more than 1 to 2 bar and is fed into the pressure column at this pressure level without expansion.
  • An example of such a main air compressor/post-compressor process is shown by Häring (see above) in Figure 2.3A.
  • the total amount of feed air fed to the column system is compressed to a pressure level which is substantially, ie 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar above the pressure level of the pressure column and thus the highest pressure level used in the column system.
  • the pressure difference can be up to 14, 16, 18 or 20 bar, for example.
  • turbo compressors In air separation plants, multi-stage turbo compressors are used to compress all of the separated air, which are referred to here as “main air compressors” or “main compressors” for short.
  • the mechanical structure of turbo compressors is known in principle to those skilled in the art.
  • a turbo compressor the medium to be compressed is compressed by means of turbine blades or impellers, which are arranged on a turbine wheel or directly on a shaft.
  • a turbo compressor forms a structural unit which, however, can have several compressor stages in the case of a multi-stage turbo compressor.
  • a compressor stage generally includes a turbine wheel or a corresponding arrangement of turbine blades. All of these airends can be driven by a common shaft. However, it can also be provided that the compressor stages are driven in groups with different shafts, in which case the shafts can also be connected to one another via gears.
  • the main air compressor is distinguished by the fact that it compresses the entire amount of air fed into the column system and used and broken down for the production of air products, i.e. the entire feed air.
  • a "post-compressor" can also be provided, in which, however, only part of the air quantity compressed in the main air compressor is brought to an even higher pressure.
  • This can also be designed as a turbo compressor.
  • Additional turbo compressors are typically provided for compressing partial amounts of air, which are also referred to as boosters, but only perform compression to a relatively small extent in comparison to the main air compressor or the secondary compressor.
  • a booster can also be present in a high-air pressure process, however, this then compresses a subset of the air starting from a correspondingly higher pressure level.
  • Air can also be expanded at several points in air separation plants, for which purpose, among other things, expansion machines in the form of turboexpanders, also referred to here as “expansion turbines”, can be used.
  • Turboexpanders can also be coupled to and drive turbocompressors. If one or more turbo compressors are driven without externally supplied energy, i.e. only via one or more turbo expanders, the term “turbine booster” or “booster turbine” is also used for such an arrangement.
  • the turboexpander (the expansion turbine) and the turbocompressor (the booster) are mechanically coupled, with the coupling being able to take place at the same speed (e.g. via a common shaft) or at different speeds (e.g. via an intermediate gear).
  • Liquid, gaseous or fluids in the supercritical state can be rich or poor in one or more components in the language used here, with “rich” for a content of at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5% , 99.9% or 99.99% and “poor” can stand for a content of at most 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis .
  • the term “predominantly” may correspond to the definition of "rich” just given, but in particular denotes a content of more than 90%. If, for example, "nitrogen” is mentioned here, it can be a clean gas, but it can also be a gas rich in nitrogen.
  • pressure level and “temperature level” are used below to characterize pressures and temperatures, which is intended to express the fact that pressures and temperatures do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values in order to implement an inventive concept. However, such pressures and temperatures typically range within certain ranges, for example ⁇ 1%, 5% or 10% around an average value. Different pressure levels and temperature levels can be in disjunctive areas or in areas that overlap. In particular, for example, pressure levels include unavoidable or to be expected pressure losses, for example due to cooling effects. The same applies to temperature levels.
  • the pressure levels given here in bar are absolute pressures, unless otherwise stated.
  • HAP process is typically more cost-efficient than conventional MAC-BAC processes in terms of production costs and some operating costs due to the small number of rotating machines and the higher pressures that occur, there are usually disadvantages in terms of energy consumption.
  • the present invention is based on the finding that a modification of a corresponding "excess air" process offers particular advantages.
  • part of the overall compressed and cooled air is turbine-expanded, but not (as in a Joule-Thomson turbine) fed into the pressure column or (as in a Lachmann turbine) fed into the low-pressure column and separated there , but heated again to a temperature level on the warm side of the same in the main heat exchanger without being broken down and discharged from the system.
  • the relaxation can be particular atmospheric pressure.
  • air can be compressed (HAP) in the main air compressor to a high pressure, e.g.
  • HAP high pressure
  • the air can then be further compressed in one or two boosters, usually connected in series.
  • the boosters are driven by turbines.
  • a turbine expands the pressure above the HAP pressure achieved by means of the booster to the pressure column pressure (e.g. 5.6 bar).
  • This air is then divided into the necessary pressure column air (which is required for rectification) and an excess portion.
  • the excess portion (the "excess air”, also referred to as excess air in the following) is heated in the main heat exchanger and fed to a second turbine, which drives the second booster or (depending on the liquid performance in relation to the internal compression quantity) a generator and relaxes it to a pressure that is slightly is above ambient pressure. This portion is then heated in the main heat exchanger and e.g. blown off into the environment.
  • the present invention enables an improvement in the performance (in terms of the total cost of ownership, TCO) of HAP processes, especially in the case under consideration with a high liquid production, in which the use of an excess air turbine makes sense.
  • the present invention can be used in particular in cases in which more than 35%, in particular more than 40% or more than 50% of liquid air products, based on the amount of internally compressed air products, are removed from the air separation plant at least at times.
  • the present invention makes use of the fact that the so-called injection equivalent is not fully utilized in many systems and operating cases. It is known that increasing the injection equivalent can improve energy absorption.
  • the term blown-in air quantity refers to the compressed air expanded with a typical Lachmann turbine ("blow-in turbine") and fed (“blown-in”) into the low-pressure column.
  • the air expanded in this way into the low-pressure column disturbs the rectification, which is why the amount of air that can be expanded in the injection turbine and thus the cold that can be generated in this way for a corresponding system are limited.
  • Nitrogen-rich air products which are removed from the pressure column and carried out from the air separation plant, also influence the rectification in this way.
  • the amount of air injected into the low pressure column plus the nitrogen removed from the pressure column and discharged from the air separation plant can be stated in relation to the total air fed into the column system. The value obtained is the "blow-in equivalent".
  • the injection equivalent is therefore defined as the amount of compressed air that is compressed and expanded by means of an injection turbine into the low-pressure column of an air separation plant plus the amount of nitrogen that may have been removed from the pressure column and not returned to the pressure column itself as liquid reflux or to the low-pressure column as liquid reflux is given up, based on the total compressed air fed into the column system.
  • the nitrogen that is taken from the pressure column can be pure or essentially pure nitrogen from the top of the pressure column, but also a nitrogen-enriched gas that can be drawn off with a lower nitrogen content from an area below the top of the high-pressure column.
  • the present invention proposes a process for obtaining one or more air products, in which an air separation plant is used which has a column system with a pressure column, the pressure column being in a pressure range of 4 to 7 bar, for example 5 to 6 bar, in particular approx 5.6 bar, with air being supplied to the column system and being separated in the column system, and with at least 90% of the total air supplied to the column system, in particular more than 95% or all of the air, being compressed to a base pressure level which is more than 5 bar above the pressure range at which the pressure column is operated, for example at 20 to 30 bar, in particular about 23 bar.
  • a HAP method is used.
  • Nitrogen-rich gas is removed from the pressure column and, at least in a first operating mode, further air is compressed to a pressure level above the base pressure level, expanded and heated in the column system without decomposition.
  • part of the nitrogen-rich gas taken from the pressure column is fed to the further air upstream of the expansion.
  • the feeding can take place before the further air is heated, in which case the further air and the supplied nitrogen-rich gas are heated together, in particular in the main heat exchanger.
  • it can also be fed in after the additional air has been heated, in which case the additional air and the nitrogen-rich gas fed in are then previously heated separately from one another, in particular in the main heat exchanger. Both alternatives are explained in more detail below as embodiments of the invention.
  • the injection equivalent By feeding the nitrogen-rich gas taken from the pressure column to the excess air, the injection equivalent can be better utilized. This feed (in an amount that depends on the product constellation and the correspondingly optimal injection equivalent) reduces the excess air that is required. The power of the turbine used to expand the excess air remains about the same because the additional amount of the The nitrogen-rich gas extracted from the pressure column compensates for the reduction in excess air.
  • the injection equivalent since the injection equivalent is increased, the amount of air for rectification increases. Overall, however, the amount of air required at the main air compressor is reduced. Depending on the product constellation, the reduction can be up to approx. 6%. The reduction translates directly into energy savings. However, increasing the blowing equivalent also decreases the argon yield, but reduces the overall cost.
  • the present invention can be implemented in different modes of operation, whereby the aforementioned "first" mode of operation can also be the only mode of operation.
  • a second operating mode can be provided, in which case the additional air is also compressed to a pressure level above the base pressure level in the second operating mode, expanded and heated in the column system without decomposition (i.e. excess air is used), and in the second operating mode no nitrogen-rich gas taken from the pressure column is fed to the further air.
  • the injection equivalent can be lowered temporarily in the second operating mode, for example, if increased argon production is desired.
  • a third operating mode can also be provided.
  • the numbering is only done here for the sake of clarification; there does not have to be a second operating mode and the method can also include, for example, only the first and third operating modes.
  • no further air is compressed to a pressure level above the base pressure level, expanded and without decomposition in the column system (that is to say no excess air is used), and in the third operating mode part of the nitrogen-rich gas removed from the pressure column is expanded and heated instead of the additional air.
  • the injection equivalent can be correspondingly increased in the third operating mode.
  • the additional air can be fed successively on the warm side to a main heat exchanger of the air separation plant for use as excess air at the pressure level above the base pressure level, removed from the main heat exchanger at a first intermediate temperature level, subjected to a first turbine expansion, fed to the main heat exchanger on the cold side, fed to the main heat exchanger on a removed from the second intermediate temperature level, subjected to a second turbine expansion, fed to the main heat exchanger at a third intermediate temperature level, and removed from the hot side of the main heat exchanger.
  • the part of the nitrogen-rich gas taken from the pressure column, which is fed to the further air, i.e. the excess air, can in particular be fed to the main heat exchanger together with the further air on the cold side after its first turbine expansion, subjected to the second turbine expansion, fed to the main heat exchanger at the third intermediate temperature level, and the main heat exchanger are taken from the warm side.
  • the nitrogen-rich gas is heated here together with the other air.
  • the part of the nitrogen-rich gas taken from the pressure column, which is fed to the further air, i.e. the excess air, but also fed to the main heat exchanger on the cold side can be taken off on the hot side and fed to the further air at the second intermediate temperature level and before the second turbine expansion . In this configuration, therefore, separate heating takes place.
  • the base pressure level (HAP pressure) within the scope of the present invention can be 11 to 28 bar, in particular 16 to 24 bar, for example approximately 23 bar.
  • the pressure level above the base pressure level to which the additional air, i.e. the air used to provide the excess air, is compressed can be increased in each subsequent booster by a factor of 1.1 to 1.6, in particular by a factor of 22 to 50 bar, for example 22 to 30 bar in Systems where the second turbine expansion of the excess air is performed in a turbine coupled to a generator and 35 to 50 bar in systems where the second turbine expansion of the excess air is performed in a turbine coupled to a booster.
  • the pressure range in which the pressure column is operated can be, in particular, 4 to 7 bar, for example 5 to 6 bar, in particular about 5.6 bar, as mentioned.
  • the main heat exchanger can be operated at a temperature level of 0 to 50 °C on the warm side and at a temperature level of -150 to -177 °C on the cold side.
  • the mentioned first intermediate temperature level can be -120 to -90 °C
  • the second intermediate temperature level can be -20 to 30 °C
  • the third intermediate temperature level can be -110 to -60 °C.
  • the first turbine expansion can be carried out at a pressure level of 4 to 7 bar and the second turbine expansion can be carried out at a pressure level of 100 mbar to 500 mbar above atmospheric pressure.
  • the additional air i.e. the air used to provide the excess air
  • the additional air can be compressed to the pressure level above the base pressure level using one or two boosters, with one booster or at least one of the two boosters using at least one of the expansion machines is or are driven, which are used in the mentioned first and second turbine relaxation.
  • a booster it can be driven using the expander used in the first or second turbine expansion, or when using two boosters, one of them can be driven using the expander used in the first turbine expansion and the other of them can be driven using the be driven in the second turbine expansion used expansion machine.
  • the respective assignment is arbitrary.
  • one of the expansion machines can also be braked, for example by means of a generator or in some other way, in which case the further air is typically only compressed to the pressure level above the base pressure level using a booster.
  • the other air that is compressed to the pressure level above the base pressure level, expanded and heated without decomposition in the column system i.e. the air used as excess air
  • This air, which is fed into the column system and which is compressed together with the other air to the pressure level above the base pressure level can in particular be cooled to a first proportion and fed into the column system without being subjected to the first and second expansion, and a second portion in liquefied form are separated after the first expansion and fed into the column system.
  • the present invention also extends to an air separation plant.
  • an air separation plant For features and advantages of such an air separation plant, reference is made to the corresponding independent patent claim.
  • such an air separation plant is set up to carry out a method in one or more of the configurations explained above and has appropriately designed means for this purpose.
  • FIG. 1 shows an air separation plant not designed according to the invention in a simplified representation.
  • FIG. 2 shows an air separation plant designed according to an embodiment of the invention in a simplified representation.
  • FIG. 3 shows an air separation plant configured according to an embodiment of the invention in a simplified representation.
  • FIG. 1 shows an air separation plant not designed according to the invention in the form of a simplified process flow diagram.
  • air is sucked in from the atmosphere A by means of a main air compressor 1 via a filter 2 and compressed to the base pressure level mentioned several times above.
  • a compressed air flow a provided in this way is fed to an adsorber station 3 after cooling in heat exchangers (not designated separately) and separation of water W, where it is freed from undesirable components such as water and carbon dioxide.
  • the compressed air flow a is divided into two partial flows b and c.
  • Partial flow b is fed to a main heat exchanger 4 at the warm end and removed at the cold end.
  • the partial flow c is further compressed using two boosters 5 and 6 and then also fed to the main heat exchanger 4 at the warm end. Again a partial flow d of the partial flow c is taken from the main heat exchanger 4 at the cold end.
  • the partial streams b and d are throttle-expanded, liquefied at least in part, combined and fed into a pressure column 11 of a column system 10 in the form of a material stream that is not designated separately.
  • the column system 10 has a low-pressure column 12 connected to the pressure column 11 in the form of a double column and thermally coupled via a main condenser 13 .
  • a supercooling countercurrent 14 and an argon recovery part 15 of conventional design are provided, by means of which pure argon X can be recovered. The latter can be operated as often described in the technical literature.
  • a low-temperature rectification is carried out at a rectification pressure level.
  • Another partial flow e of the partial flow c is taken from the main heat exchanger 4 at an intermediate temperature level, expanded in an expansion turbine 7 coupled to the booster 5, thereby partially liquefied, and fed into a separator 9, where a liquid phase and a gas phase form.
  • the liquid phase is conducted in the form of a stream f through the subcooling countercurrent 14 and then fed into the low-pressure column 12 .
  • the gas phase is divided into two partial streams g and h.
  • Partial stream g is fed into pressure column 11 .
  • the partial stream h is fed to the main heat exchanger 4 at the cold end and removed from it near the warm end. It is then expanded in an expansion turbine 8 coupled to the booster 6, fed back to the main heat exchanger 4 at an intermediate temperature level, removed from this at the warm end, and discharged from the plant. This is the so-called excess air, also denoted by H here. Since the partial flow h already includes cleaned air, it can, for example, be compressed again in the main air compressor 2 and used to form the compressed air flow a in order to reduce the cleaning effort.
  • a nitrogen-rich top gas is formed at the top of the pressure column 11, part of which is heated in gaseous form in the form of a stream i in the main heat exchanger 4 and discharged as a pressure product I from the air separation plant. Another part is at least partially condensed in the main condenser 13 . A first part (unmarked) of the condensate formed is fed back to the pressure column 11 as reflux, a second part is provided in the form of a stream k as internally compressed nitrogen product K and a third part in the form of a stream m through out the supercooling countercurrent 14 and fed into the low-pressure column 12 as reflux at its head.
  • the low-pressure column 12 is mainly fed with bottom liquid from the pressure column 11, which is removed from it in the form of a stream o.
  • the bottom liquid from the pressure column 11 is used to cool overhead condensers in the argon recovery section 15 and is partially evaporated there. Evaporated and non-evaporated fractions are transferred to the low-pressure column 12, as illustrated here in the form of the streams p.
  • the argon recovery section 15 is materially connected to the low-pressure column 12 via material flows q, which are not explained in detail here. Liquid air is also fed into the low-pressure column 12 in the form of a stream n, which is taken from the pressure column 11 directly below the feed point for the streams b and d and passed through the supercooling countercurrent 14 .
  • Bottom liquid from the low-pressure column 12 can be removed from it in the form of a stream r and provided in part in the form of a stream s as liquid nitrogen S and in part in the form of a stream t to provide internal compression products T1, T1.
  • Gaseous nitrogen can be drawn off from the top of the low-pressure column 12 in the form of a stream u, and liquid nitrogen can be drawn off in the form of a stream v.
  • the latter can be provided as liquid nitrogen V, as well as a partial flow of material flow m as pressurized liquid nitrogen M.
  • FIG. 2 shows an air separation plant designed according to an embodiment of the invention in a simplified representation. This is denoted overall by 100 and includes all of the components of the air separation plant illustrated in FIG.
  • FIG. 3 shows an air separation plant designed according to a further embodiment of the invention in a simplified representation. This is denoted overall by 200 and includes all of the components of the air separation plant 100 illustrated in FIG. The partial flow c is thus compressed only by means of the booster 5.
  • FIG. 4 shows an air separation plant designed according to a further embodiment of the invention in a simplified representation. This is denoted overall by 300 and includes all the components of the air separation plant 100 illustrated in Figure 2, but in contrast to that, instead of the local material flow w, a material flow x is branched off from the material flow i on the hot side of the main heat exchanger 4 and fed to the material flow h.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte, bei dem eine Luftzerlegungsanlage verwendet wird, die ein Kolonnensystem (10) mit einer Druckkolonne (11) aufweist, wobei die Druckkolonne (11) in einem Druckbereich von 4 bis 7 bar betrieben wird, wobei dem Kolonnensystem (10) Luft zugeführt und in dem Kolonnensystem (10) zerlegt wird, wobei zumindest 90% der dem Kolonnensystem (10) insgesamt zugeführten Luft auf ein Basisdruckniveau verdichtet wird, das mehr als 5 bar oberhalb des Druckbereichs liegt, auf dem die Druckkolonne (11) betrieben wird, wobei der Druckkolonne (11) stickstoffreiches Gas entnommen wird, und wobei zumindest in einem ersten Betriebsmodus weitere Luft auf ein Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet, entspannt und ohne Zerlegung in dem Kolonnensystem (10) erwärmt wird. Es ist vorgesehen, dass zumindest in dem ersten Betriebsmodus ein Teil des der Druckkolonne (11) entnommenen stickstoffreichen Gases der weiteren Luft stromaufwärts des Entspannens zugespeist wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und Luftzerlegungsanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und eine Luftzerlegungsanlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Hintergrund der Erfindung
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 klassischer Art weisen Kolonnensysteme auf, die beispielsweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als Doppelkolonnensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen, vorgesehen sein.
Die Rektifikationskolonnen der genannten Kolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Druckkolonne (auch als Hochdruckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (obere Kolonne) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druckniveau von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,6 bar, betrieben, die Niederdruckkolonne dagegen auf einem Druckniveau von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1 ,4 bar. In bestimmten Fällen können 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 vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und zur Bereitstellung von Luftprodukten zu verbessern und insbesondere energetisch günstiger auszugestalten.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und eine Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Nachfolgend werden zunächst einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung erläutert und zur Beschreibung der Erfindung verwendete Begriffe definiert.
Zur Luftzerlegung können sogenannte Haupt(luft)verdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren oder sogenannte Hochluftdruck-( High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zum Einsatz.
Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Kolonnensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet wird, das wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, oberhalb des Druckniveaus der Druckkolonne, und damit dem höchsten in dem Kolonnensystem verwendeten Druckniveau, liegt. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf das Druckniveau der Druckkolonne oder ein Druckniveau, das sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar hiervon unterscheidet, verdichtet, und auf diesem ohne Entspannung in die Druckkolonne eingespeist. Ein Beispiel für ein derartiges Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt.
Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die gesamte dem Kolonnensystem insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet, das wesentlich, d.h. um 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar oberhalb des Druckniveaus der Druckkolonne und damit dem höchsten in dem Kolonnensystem verwendeten Druckniveau, liegt. Der Druckunterschied kann beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar betragen.
Hochluftdruck-Verfahren sind vielfach beschrieben worden und beispielsweise aus der EP 2 980 514 A1 und der EP 2 963 367 A1 bekannt.
Zu den in Luftzerlegungsanlagen eingesetzten Vorrichtungen bzw. Apparaten sei auf Fachliteratur wie Häring (s.o.), insbesondere Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" verwiesen. Nachfolgend werden zur Verdeutlichung und klareren Abgrenzung einige Aspekte entsprechender Vorrichtungen näher erläutert.
In Luftzerlegungsanlagen kommen zur Verdichtung der gesamten zerlegten Luft mehrstufige Turboverdichter zum Einsatz, die hier als "Hauptluftverdichter" oder kurz als "Hauptverdichter" bezeichnet werden. Der mechanische Aufbau von Turboverdichtern ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. In einem Turboverdichter erfolgt die Verdichtung des zu verdichtenden Mediums mittels Turbinenschaufeln bzw. Impellern, die auf einem Turbinenrad oder direkt auf einer Welle angeordnet sind. Ein Turboverdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch bei einem mehrstufigen Turboverdichter mehrere Verdichterstufen aufweisen kann. Eine Verdichterstufe umfasst dabei in der Regel ein Turbinenrad oder eine entsprechende Anordnung von Turbinenschaufeln. Alle dieser Verdichterstufen können von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Verdichterstufen gruppenweise mit unterschiedlichen Wellen anzutreiben, wobei die Wellen auch über Getriebe miteinander verbunden sein können.
Der Hauptluftverdichter zeichnet sich dadurch aus, dass durch diesen die gesamte in das Kolonnensystem eingespeiste und zur Herstellung von Luftprodukten verwendete und zerlegte Luftmenge, also die gesamte Einsatzluft, verdichtet wird. Entsprechend kann auch ein "Nachverdichter" vorgesehen sein, in dem aber nur ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Luftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird. Auch dieser kann Turboverdichter ausgebildet sein. Zur Verdichtung von Teilluftmengen sind typischerweise weitere Turboverdichter vorgesehen, die auch als Booster bezeichnet werden, im Vergleich zu dem Hauptluftverdichter oder dem Nachverdichter jedoch nur eine Verdichtung in relativ geringem Umfang vornehmen. Auch in einem Hochluftdruck-Verfahren kann ein Nachverdichter vorhanden sein, dieser verdichtet jedoch eine Teilmenge der Luft dann ausgehend von einem entsprechend höheren Druckniveau.
An mehreren Stellen in Luftzerlegungsanlagen kann ferner Luft entspannt werden, wozu unter anderem Entspannungsmaschinen in Form von Turboexpandern, hier auch als "Entspannungsturbinen" bezeichnet, zum Einsatz kommen können. Turboexpander können auch mit Turboverdichtern gekoppelt sein und diese antreiben. Werden ein oder mehrere Turboverdichter ohne extern zugeführte Energie, d.h. nur über einen oder mehrere Turboexpander, angetrieben, wird für eine derartige Anordnung auch der Begriff "Turbinenbooster" oder "Boosterturbine" verwendet. In einem Turbinenbooster sind der Turboexpander (die Entspannungsturbine) und der Turboverdichter (der Booster) mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein zwischengeschaltetes Getriebe) erfolgen kann.
In typischen Luftzerlegungsanlagen sind zur Kälteerzeugung und Verflüssigung von Stoffströmen an unterschiedlichen Stellen entsprechende Entspannungsturbinen vorhanden. Hierbei handelt es sich insbesondere um sogenannte Joule-Thomson- Turbinen, Claude-Turbinen und Lachmann-Turbinen. Zur Funktion und zum Zweck entsprechender Turbinen wird ergänzend auf die Fachliteratur, beispielsweise F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, insbesondere die Abschnitte 2.4, "Contemporary Liquefaction Cycles", 2.6, "Theoretical Analysis of the Claude Cycle" und 3.8.1 , "The Lachmann Principle", verwiesen.
Flüssige, gasförmige oder auch im überkritischen Zustand vorliegende Fluide können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder 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 soeben getroffenen Definition von "reich" entsprechen, bezeichnet jedoch insbesondere einen Gehalt von mehr als 90%. Ist hier beispielsweise von "Stickstoff" die Rede, kann es sich um ein Reingas, aber auch ein an Stickstoff reiches Gas handeln. Nachfolgend werden zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau" verwendet, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um ein erfinderisches Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5% oder 10% um einen Mittelwert liegen. Unterschiedliche Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten, ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke, sofern nicht anders erwähnt.
Merkmale und Vorteile der Erfindung
Während ein HAP-Verfahren aufgrund der geringen Anzahl an drehenden Maschinen und den höheren auftretenden Drücken typischerweise hinsichtlich der Erstellungskosten und einiger Betriebskosten kosteneffizienter sind als konventionelle MAC-BAC-Verfahren, sind zumeist Nachteile im Energiebedarf zu verzeichnen.
Bei Anlagen mit einer sehr hohen Flüssigleistung (d.h. einer vergleichsweise großen Menge an flüssig der Anlage entnommenen Luftprodukten) im Verhältnis zu innenverdichteten Strömen (zur Innenverdichtung sei ebenfalls auf die einleitend zitierte Fachliteratur verwiesen), oder bei (im Wesentlichen) ausschließlicher Flüssigproduktion, werden sogenannte "Excess Air"-Verfahren eingesetzt (siehe auch Figur 1 und die diesbezüglichen Erläuterungen).
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Modifikation eines entsprechenden "Excess Air"-Verfahrens besondere Vorteile bietet. Bei einem derartigen Verfahren wird, allgemein gesprochen, ein Teil der insgesamt verdichteten und abgekühlten Luft turbinenentspannt, aber nicht (wie in einer Joule-Thomson- Turbine) in die Druckkolonne oder (wie in einer Lachmann-Turbine) in die Niederdruckkolonne eingespeist und dort zerlegt, sondern ohne Zerlegung im Hauptwärmetauscher wieder auf ein warmseitiges Temperaturniveau desselben erwärmt und aus der Anlage ausgeleitet. Die Entspannung kann insbesondere auf Atmosphärendruck erfolgen. Da die Luft eines entsprechend erwärmten Stoffstroms bereits einer Aufreinigung unterworfen wurde, kann dieser anstelle einer Abgabe an die Atmosphäre grundsätzlich wieder zur zu verdichtenden Einsatzluft, d.h. stromauf des Hauptwärmetauschers, zugespeist werden. Entsprechende Verfahren, auch in Kombination mit den bereits erläuterten HAP-Verfahren, sind aus der US 3,905,201 A, der WO 2014/154339 A2 und der EP 3 343 158 A1 bekannt.
In einem Beispiel, das auch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, kann Luft im Hauptluftverdichter auf einen hohen Druck, z.B. 23 bar, verdichtet werden (HAP). Anschließend kann die Luft in einem oder zwei, meist in Reihe, geschalteten Boostern weiter verdichtet werden. Die Booster werden von Turbinen angetrieben. Eine Turbine entspannt dabei von dem mittels der Booster erzielten Druck oberhalb des HAP-Drucks auf den Drucksäulendruck (z.B. 5,6 bar). Anschließend wird diese Luft auf die notwendige Drucksäulenluft (welche zur Rektifikation notwendig ist) und einen Überschussanteil aufgeteilt. Der Überschussanteil (die "Excess Air", nachfolgend auch als Überschussluft bezeichnet) wird im Hauptwärmetauscher angewärmt und einer zweiten Turbine zugeführt, welche den zweiten Booster oder (je nach Flüssigkeitsleistung im Verhältnis zur Innenverdichtungsmenge) einen Generator antreibt und auf einen Druck entspannt, welcher etwas über Umgebungsdruck liegt. Dieser Anteil wird dann im Hauptwärmetauscher angewärmt und z.B. in die Umgebung abgeblasen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die nachfolgend erläuterten Maßnahmen eine Verbesserung der Performance (im Sinne der Total Cost of Ownership, TCO) von HAP-Verfahren, speziell im betrachteten Fall mit einer hohen Flüssigproduktion, bei denen der Einsatz einer Excess Air Turbine sinnvoll ist. Die vorliegende Erfindung kann dabei insbesondere in Fällen zum Einsatz kommen, in denen der Luftzerlegungsanlage zumindest zeitweise mehr als 35%, insbesondere mehr als 40% oder mehr als 50% flüssiger Luftprodukte, bezogen auf die Menge innenverdichteter Luftprodukte, entnommen werden.
Die vorliegende Erfindung nutzt dabei die Tatsache aus, dass das sogenannte Einblaseäquivalent bei vielen Anlagen und Betriebsfällen nicht vollständig ausgenutzt wird. Es ist bekannt, dass eine Erhöhung des Einblaseäquivalents die Energieaufnahme verbessern kann. Der Begriff der eingeblasenen Luftmenge bezieht sich auf die mit einer typischen Lachmann-Turbine ("Einblaseturbine") entspannte und in die Niederdruckkolonne eingespeiste ("eingeblasene") Druckluft. Die auf diese Weise in die Niederdrucksäule entspannte Luft stört die Rektifikation, weshalb die Menge der in der Einblaseturbine entspannbaren Luft und damit die für eine entsprechende Anlage auf diese Weise erzeugbare Kälte begrenzt sind. Auch stickstoffreiche Luftprodukte, die der Druckkolonne entnommen und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt werden, beeinflussen die Rektifikation in dieser Weise. Die Menge der in die Niederdruckkolonne eingeblasenen Luft zuzüglich des der Druckkolonne entnommenen und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführten Stickstoffs kann im Verhältnis zur gesamten, dem Kolonnensystem zugeführten Luft angegeben werden. Der erhaltene Wert ist das "Einblaseäquivalent".
Das Einblaseäquivalent ist also definiert als die Menge der verdichteten und mittels einer Einblaseturbine in die Niederdruckkolonne einer Luftzerlegungsanlage entspannten Druckluft zuzüglich der Menge des Stickstoffs, der ggf. der Druckkolonne entnommen und weder als flüssiger Rücklauf in die Druckkolonne selbst zurückgeführt noch als flüssiger Rücklauf auf die Niederdruckkolonne aufgegeben wird, bezogen auf die gesamte in das Kolonnensystem eingespeiste Druckluft. Der Stickstoff, der der Druckkolonne entnommen wird, kann dabei reiner oder im Wesentlichen reiner Stickstoff vom Kopf der Druckkolonne sein, aber auch ein an Stickstoff angereichertes Gas, das mit geringerem Stickstoffgehalt aus einem Bereich unterhalb des Kopfs aus der Hochdrucksäule abgezogen werden kann.
Wie erwähnt, verbessert die Erhöhung des Einblaseäquivalents die Energieaufnahme. Die Erhöhung erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, in der ein HAP-Verfahren mit Excess-Air-Turbine eingesetzt wird, durch bedarfsweise Entspannung zumindest eines Teils des Druckstickstoffs aus der Druckkolonne, bzw. allgemeiner eines stickstoffreichen Fluids aus der Druckkolonne, in der Excess-Air-Turbine.
Durch eine Erhöhung des Einblaseäquivalents wird die benötigte Luftmenge zur
Bereitstellung der geforderten Produkte exponentiell erhöht. Im Weiteren reduziert eine Erhöhung des Einblaseäquivalents die Argonausbeute. Zur Optimierung dessen gibt es ein Optimum, bis zu welchem das Einblaseäquivalent ausgereizt werden kann. Dieses Optimum liegt je nach Energie und Argonbewertung bei 10 bis 20. Bei Anlagen ohne Argonproduktion liegt das Optimum deutlich höher.
Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte vor, bei dem eine Luftzerlegungsanlage verwendet wird, die ein Kolonnensystem mit einer Druckkolonne aufweist, wobei die Druckkolonne in einem Druckbereich von 4 bis 7 bar, beispielsweise 5 bis 6 bar, insbesondere ca. 5,6 bar, betrieben wird, wobei dem Kolonnensystem Luft zugeführt und in dem Kolonnensystem zerlegt wird, und wobei zumindest 90% der dem Kolonnensystem insgesamt zugeführten Luft, insbesondere mehr als 95% oder sämtliche Luft, auf ein Basisdruckniveau verdichtet wird, das mehr als 5 bar oberhalb des Druckbereichs liegt, auf dem die Druckkolonne betrieben wird, beispielsweise bei 20 bis 30 bar, insbesondere ca. 23 bar. Es wird also, wie mehrfach erwähnt, ein HAP-Verfahren eingesetzt. Der Druckkolonne wird stickstoffreiches Gas entnommen und zumindest in einem ersten Betriebsmodus wird weitere Luft auf ein Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet, entspannt und ohne Zerlegung in dem Kolonnensystem erwärmt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zumindest in dem ersten Betriebsmodus ein Teil des der Druckkolonne entnommenen stickstoffreichen Gases der weiteren Luft stromaufwärts des Entspannens zugespeist. Die Zuspeisung kann dabei vor der Erwärmung der weiteren Luft erfolgen, in welchem Fall die Erwärmung der weiteren Luft und des zugespeisten stickstoffreichen Gases, insbesondere im Hauptwärmetauscher, gemeinsam erfolgt. Die Zuspeisung kann aber auch nach der Erwärmung der weiteren Luft erfolgen, wobei dann die weitere Luft und das zugespeisten stickstoffreichen Gases zuvor separat voneinander, insbesondere im Hauptwärmetauscher, erwärmt werden. Beide Alternativen sind als Ausgestaltungen der Erfindung weiter unten noch näher erläutert.
Durch die Zuspeisung des der Druckkolonne entnommenen stickstoffreichen Gases zur Überschussluft kann das Einblaseäquivalent besser ausgereizt werden. Durch diese Zuspeisung (in einer Menge, die sich nach der Produktkonstellation und dementsprechend optimalen Einblaseäquivalent richtet) wird die notwendige Überschussluft reduziert. Die Leistung der für die Entspannung der Überschussluft verwendeten Turbine bleibt in etwa gleich, da die zusätzliche Menge des der Druckkolonne entnommenen stickstoffreichen Gases die Reduzierung der Überschussluft ausgleicht.
Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Einblaseäquivalent erhöht wird, steigt die Luftmenge zur Rektifikation an. Insgesamt wird jedoch die notwendige Luftmenge am Hauptluftverdichter verringert. Die Reduktion kann je nach Produktkonstellation bis zu ca. 6% betragen. Die Reduktion schlägt sich direkt in einer Energieeinsparung nieder. Allerdings wird durch die Erhöhung des Einblaseäquivalents auch die Argonausbeute verringert, wobei jedoch die Gesamtkosten verringert werden.
Die vorliegende Erfindung kann in unterschiedlichen Betriebsmodi durchgeführt werden, wobei der zuvor erwähnte "erste" Betriebsmodus auch der einzige Betriebsmodus sein kann. In einer Verfahrensvariante kann dagegen ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen sein, wobei auch in dem zweiten Betriebsmodus die weitere Luft auf ein Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet, entspannt und ohne Zerlegung in dem Kolonnensystem erwärmt wird (also Überschussluft verwendet wird), und wobei in dem zweiten Betriebsmodus kein der Druckkolonne entnommenes stickstoffreiches Gases der weiteren Luft zugespeist wird. In dieser Ausgestaltung kann in dem zweiten Betriebsmodus beispielsweise temporär das Einblaseäquivalent abgesenkt werden, wenn eine erhöhte Argonproduktion erwünscht ist.
Schließlich kann auch ein dritter Betriebsmodus vorgesehen sein. (Die Numerierung wird hier nur der Klarstellung halber vorgenommen; es muss kein zweiter Betriebsmodus vorhanden sein und das Verfahren kann auch beispielsweise nur den ersten und dritten Betriebsmodus umfassen.) In diesem wird keine weitere Luft auf ein Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet, entspannt und ohne Zerlegung in dem Kolonnensystem erwärmt (also keine Überschussluft verwendet), und in dem dritten Betriebsmodus wird statt der weiteren Luft ein Teil des der Druckkolonne entnommenen stickstoffreichen Gases entspannt und erwärmt. Auf diese Weise kann beispielsweise in Fällen, in denen eine reduzierte Menge an Stickstoffprodukten produziert werden soll, die Anlage auf hohe Energieoptimierung gefahren werden soll, und/oder die Argonproduktion unwichtig ist, in dem dritten Betriebsmodus das Einblaseäquivalent entsprechend erhöht werden. Die Argonproduktion wird damit bei maximiertem Einblaseäquivalent minimiert. Die weitere Luft kann in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zur Verwendung als Überschussluft auf dem Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus nacheinander warmseitig einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage zugeführt, dem Hauptwärmetauscher auf einem ersten Zwischentemperaturniveau entnommen, einer ersten Turbinenentspannung unterworfen, dem Hauptwärmetauscher kaltseitig zugeführt, dem Hauptwärmetauscher auf einem zweiten Zwischentemperaturniveau entnommen, einer zweiten Turbinenentspannung unterworfen, dem Hauptwärmetauscher auf einem dritten Zwischentemperaturniveau zugeführt, und dem Hauptwärmetauscher warmseitig entnommen werden. Es erfolgen also zwei Turbinenentspannungsschritte, zwischen denen eine Erwärmung im Hauptwärmetauscher stattfindet, so dass die bei der Entspannung erzeugte Entspannungskälte im Hauptwärmetauscher genutzt werden kann.
Der Teil des der Druckkolonne entnommenen stickstoffreichen Gases, der der weiteren Luft, also der Überschussluft, zugespeist wird, kann insbesondere dem Hauptwärmetauscher zusammen mit der weiteren Luft nach deren erster Turbinenentspannung kaltseitig zugeführt, der zweiten Turbinenentspannung unterworfen, dem Hauptwärmetauscher auf dem dritten Zwischentemperaturniveau zugeführt, und dem Hauptwärmetauscher warmseitig entnommen werden. Mit anderen Worten wird hier das stickstoffreiche Gas also zusammen mit der weiteren Luft erwärmt. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Teil des der Druckkolonne entnommenen stickstoffreichen Gases, der der weiteren Luft, also der Überschussluft, zugespeist wird, aber auch dem Hauptwärmetauscher kaltseitig zugeführt, warmseitig entnommen und der weiteren Luft auf dem zweiten Zwischentemperaturniveau und vor der zweiten Turbinenentspannung zugespeist werden. In dieser Ausgestaltung erfolgt also eine separate Erwärmung.
Das Basisdruckniveau (HAP-Druck) kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie erwähnt, 11 bis 28 bar, insbesondere 16 bis 24 bar, beispielsweise ca. 23 bar, betragen. Das Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus, auf das die weitere Luft, also die zur Bereitstellung der Überschussluft verwendete Luft, verdichtet wird, kann dabei jeweils in jedem nachfolgenden Booster insbeondere um das 1 ,1 - bis 1 ,6-fache erhöht werden, insbesondere 22 bis 50 bar betragen, beispielsweise 22 bis 30 bar in Anlagen, bei denen die zweite Turbinenentspannung der Überschussluft in einer Turbine vorgenommen wird, die mit einem Generator gekoppelt ist, und 35 bis 50 bar in Anlagen, bei denen die zweite Turbinenentspannung der Überschussluft in einer Turbine vorgenommen wird, die mit einem Booster gekoppelt ist. Der Druckbereich, in dem die Druckkolonne betrieben wird, kann insbesondere bei 4 bis 7 bar, beispielsweise 5 bis 6 bar, insbesondere ca. 5,6 bar, liegen, wie erwähnt. Der Hauptwärmetauscher kann warmseitig auf einem Temperaturniveau von 0 bis 50 °C und kaltseitig auf einem Temperaturniveau von -150 bis -177 °C betrieben werden. Das erwähnte erste Zwischentemperaturniveau kann bei -120 bis -90 °C liegen, das zweite Zwischentemperaturniveau kann bei -20 bis 30 °C liegen, das dritte Zwischentemperaturniveau kann bei -110 bis -60 °C liegen. Die erste Turbinenentspannung kann auf ein Druckniveau von 4 bis 7 bar durchgeführt werden und die zweite Turbinenentspannung kann auf ein Druckniveau von 100 mbar bis 500 mbar über Atmosphärendruck durchgeführt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die weitere Luft, also die zur Bereitstellung der Überschussluft verwendete Luft, unter Verwendung eines oder zweier Booster auf das Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet werden, wobei der eine Booster oder zumindest einer der zwei Booster unter Verwendung zumindest einer der Entspannungsmaschinen angetrieben wird oder werden, die bei der erwähnten ersten und zweiten Turbinenentspannung eingesetzt werden. Mit anderen Worten kann im Fall der Verwendung eines Boosters dieser unter Verwendung der bei der ersten oder zweiten Turbinenentspannung eingesetzten Entspannungsmaschine angetrieben werden, oder bei Verwendung von zwei Boostern kann einer hiervon unter Verwendung der bei der ersten Turbinenentspannung eingesetzten Entspannungsmaschine und der andere hiervon unter Verwendung der bei der zweiten Turbinenentspannung eingesetzten Entspannungsmaschine angetrieben werden. Die jeweilige Zuordnung ist dabei beliebig. Wie erwähnt, kann eine der Entspannungsmaschinen auch beispielsweise mittels eines Generators oder auf andere Weise gebremst werden, in welchem Fall typischerweise die weitere Luft nur unter Verwendung eines Boosters auf das Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet wird.
In jedem Fall kann das im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte
Kolonnensystem eine Niederdruckkolonne, die in einem Druckbereich von 1 bis 1 ,7 bar betrieben wird, sowie einen Argongewinnungsteil mit wenigstens einer weiteren Kolonne aufweisen. Wie erwähnt, kann durch die Erhöhung des Einblaseäquivalents die Argongewinnung beeinträchtigt werden. Insbesondere durch die Verwendung mehrerer Betriebsmodi kann dabei eine flexible Anpassung an den Bedarf erfolgen.
Die weitere Luft, die auf das Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet, entspannt und ohne Zerlegung in dem Kolonnensystem erwärmt wird, also die als Überschussluft verwendete Luft, kann zusammen mit Luft, die in das Kolonnensystem eingespeist wird, auf das Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet werden. Diese Luft, die in das Kolonnensystem eingespeist wird, und die zusammen mit der weiteren Luft auf das Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet wird, kann insbesondere zu einem ersten Anteil abgekühlt und in das Kolonnensystem eingespeist werden, ohne der ersten und zweiten Entspannung unterworfen zu werden, und zu einem zweiten Anteil in verflüssigter Form nach der ersten Entspannung abgeschieden und in das Kolonnensystem eingespeist werden.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage. Zu Merkmalen und Vorteilen einer derartigen Luftzerlegungsanlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch verwiesen. Insbesondere ist eine derartige Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet, ein Verfahren in einer oder mehreren der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen und weist hierzu entsprechend ausgebildete Mittel auf. Zu Merkmalen und Vorteilen sei daher ausdrücklich auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die die bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine nicht erfindungsgemäß ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Darstellung.
Figur 2 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Darstellung. Figur 3 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Darstellung.
In den Figuren sind jeweils gleiche oder vergleichbare Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. In mehreren Figuren identisch veranschaulichte Komponenten sind zum Teil nicht erneut mit Bezugszeichen versehen. Anlagenkomponenten können jeweils auch für entsprechende Verfahrensschritte stehen, so dass die nachfolgenden Erläuterungen zu den Luftzerlegungsanlagen auch entsprechende Verfahren betreffen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist eine nicht erfindungsgemäß ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in Form eines vereinfachten Prozessflussdiagramms veranschaulicht.
In der Luftzerlegungsanlage gemäß Figur 1 wird Luft aus der Atmosphäre A mittels eines Hauptluftverdichters 1 über einen Filter 2 angesaugt und auf das zuvor mehrfach erwähnte Basisdruckniveau verdichtet. Ein auf diese Weise bereitgestellter Druckluftstrom a wird nach einer Kühlung in nicht gesondert bezeichneten Wärmetauschern und einer Abscheidung von Wasser W einer Adsorberstation 3 zugeführt und dort von unerwünschten Komponenten wie Wasser und Kohlendioxid befreit. Der Druckluftstrom a wird in zwei Teilströme b und c aufgeteilt.
Der Teilstrom b wird einem Hauptwärmetauscher 4 am warmen Ende zugeführt und am kalten Ende entnommen. Der Teilstrom c wird unter Verwendung zweier Booster 5 und 6 weiter verdichtet und danach ebenfalls dem Hauptwärmetauscher 4 am warmen Ende zugeführt. Wiederum ein Teilstrom d des Teilstroms c wird dem Hauptwärmetauscher 4 am kalten Ende entnommen. Die Teilströme b und d werden drosselentspannt, dabei zumindest zu einem Teil verflüssigt, vereinigt, und in Form eines nicht gesondert bezeichneten Stoffstroms in eine Druckkolonne 11 eines Kolonnensystems 10 eingespeist.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Das Kolonnensystem 10 weist neben der Druckkolonne 11 eine mit der Druckkolonne 11 in Form einer Doppelkolonne verbundene und über einen Hauptkondensator 13 thermisch gekoppelte Niederdruckkolonne 12 auf. Als weiterer Teil des Kolonnensystems 10 sind ein Unterkühlungsgegenströmer 14 und ein fachüblich ausgebildeter Argongewinnungsteil 15 vorgesehen, mittels dessen Reinargon X gewonnen werden kann. Letzterer kann wie vielfach in der Fachliteratur beschrieben betrieben werden. In der Druckkolonne 11 und der Niederdruckkolonne 12 wird jeweils eine Tieftemperaturrektifikation auf einem Rektifikationsdruckniveau durchgeführt.
Ein weiterer Teilstrom e des Teilstroms c wird dem Hauptwärmetauscher 4 auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, in einer mit dem Booster 5 gekoppelten Entspannungsturbine 7 entspannt, dadurch teilverflüssigt, und in einen Abscheider 9 eingespeist, wo sich eine Flüssigphase und eine Gasphase bilden. Die Flüssigphase wird in Form eines Stoffstroms f durch den Unterkühlungsgegenströmer 14 geführt und anschließend daran in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist. Die Gasphase wird in zwei Teilströme g und h aufgeteilt.
Der Teilstrom g wird in die Druckkolonne 11 eingespeist. Der Teilstrom h wird dagegen dem Hauptwärmetauscher 4 am kalten Ende zugeführt und diesem nahe dem warmen Ende entnommen. Er wird anschließend in einer mit dem Booster 6 gekoppelten Entspannungsturbine 8 entspannt, auf einem Zwischentemperaturniveau wieder dem Hauptwärmetauscher 4 zugeführt, diesem am warmen Ende entnommen, und aus der Anlage ausgeleitet. Es handelt sich um die sogenannte Überschussluft, hier auch mit H bezeichnet. Da der Teilstrom h bereits gereinigte Luft umfasst, kann er beispielsweise im Hauptluftverdichter 2 erneut verdichtet und zur Bildung des Druckluftstroms a verwendet werden, um den Reinigungsaufwand zu reduzieren.
Am Kopf der Druckkolonne 11 wird ein stickstoffreiches Kopfgas gebildet, von dem ein Teil gasförmig in Form eines Stoffstroms i im Hauptwärmetauscher 4 erwärmt und als Druckprodukt I aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird. Ein weiterer Teil wird in dem Hauptkondensator 13 zumindest teilweise kondensiert. Von dem gebildeten Kondensat wird ein erster Teil (unbezeichnet) als Rücklauf auf die Druckkolonne 11 zurückgeführt, ein zweiter Teil in Form eines Stoffstroms k als innenverdichtetes Stickstoffprodukt K bereitgestellt und ein dritter Teil in Form eines Stoffstroms m durch den Unterkühlungsgegenströmer 14 geführt und an deren Kopf als Rücklauf in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist.
Hauptsächlich wird die Niederdruckkolonne 12 mit Sumpfflüssigkeit der Druckkolonne 11 gespeist, die dieser in Form eines Stoffstroms o entnommen wird. Die Sumpfflüssigkeit der Druckkolonne 11 wird im dargestellten Beispiel zur Kühlung von Kopfkondensatoren in dem Argongewinnungsteil 15 verwendet und dort teilweise verdampft. Verdampfte und unverdampfte Anteile werden, wie hier in Form der Stoffströme p veranschaulicht, in die Niederdruckkolonne 12 überführt. Der Argongewinnungsteil 15 ist über hier nicht näher erläuterte Stoffströme q stofflich an die Niederdruckkolonne 12 angebunden. In die Niederdruckkolonne 12 wird ferner Flüssigluft in Form eines Stoffstroms n eingespeist, die direkt unterhalb der Einspeisestelle für die Stoffströme b und d der aus der Druckkolonne 11 entnommen und durch den Unterkühlungsgegenströmer 14 geführt wird.
Sumpfflüssigkeit aus der Niederdruckkolonne 12 kann dieser in Form eines Stoffstroms r entnommen und zu einem Teil in Form eines Stoffstroms s als Flüssigstickstoff S bereitgestellt und zu einem weiteren Teil in Form eines Stoffstroms t zur Bereitstellung von Innenverdichtungsprodukten T1 , T1 verwendet werden. Gasförmiger Stickstoff kann vom Kopf der Niederdruckkolonne 12 in Form eines Stoffstroms u, flüssiger Stickstoff in Form eines Stoffstroms v abgezogen werden. Letzterer kann als Flüssigstickstoff V bereitgestellt werden, ebenso wie ein Teilstrom des Stoffstroms m als druckbeaufschlagter Flüssigstickstoff M.
Figur 2 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Darstellung. Diese ist insgesamt mit 100 bezeichnet und umfasst sämtliche Komponenten der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage.
In der Luftzerlegungsanlage kann, wie hier in Form eines Stoffstroms w veranschaulicht, zumindest in einem Betriebsmodus ein Teilstrom des Stoffstroms i zu dem Stoffstrom h zugespeist und mit diesem in der erläuterten Weise erwärmt und entspannt werden. In anderen Betriebsmodi kann die Bildung des Stoffstroms w auch unterbunden werden oder der Stoffstrom w kann den Stoffstrom h vollständig ersetzen. Figur 3 zeigt eine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Darstellung. Diese ist insgesamt mit 200 bezeichnet und umfasst sämtliche Komponenten der in Figur 2 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100, wobei jedoch anstelle des Boosters 6 ein Generator G bereitgestellt ist. Der Teilstrom c wird damit nur mittels des Boosters 5 verdichtet.
Figur 4 zeigt eine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Darstellung. Diese ist insgesamt mit 300 bezeichnet und umfasst sämtliche Komponenten der in Figur 2 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100, wobei abweichend zu jener jedoch anstelle des dortigen Stoffstroms w warmseitig des Hauptwärmetauschers 4 ein Stoffstrom x von dem Stoffstrom i abgezweigt und zu dem Stoffstrom h zugespeist wird.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte, bei dem eine Luftzerlegungsanlage verwendet wird, die ein Kolonnensystem (10) mit einer Druckkolonne (11) aufweist, wobei die Druckkolonne (11) in einem Druckbereich von 4 bis 7 bar betrieben wird, wobei dem Kolonnensystem (10) Luft zugeführt und in dem Kolonnensystem (10) zerlegt wird, wobei zumindest 90% der dem Kolonnensystem (10) insgesamt zugeführten Luft auf ein Basisdruckniveau verdichtet wird, das mehr als 5 bar oberhalb des Druckbereichs liegt, auf dem die Druckkolonne (11) betrieben wird, wobei der Druckkolonne (11) stickstoffreiches Gas entnommen wird, und wobei zumindest in einem ersten Betriebsmodus weitere Luft auf ein Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet, entspannt und ohne Zerlegung in dem Kolonnensystem (10) erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem ersten Betriebsmodus ein Teil des der Druckkolonne (11 ) entnommenen stickstoffreichen Gases der weiteren Luft stromaufwärts des Entspannens zugespeist wird. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Entspannen der weiteren Luft in einer Entspannungsmaschine, insbesondere einer Entspannungsturbine durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem auch in einem zweiten Betriebsmodus die weitere Luft auf ein Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet, entspannt und ohne Zerlegung in dem Kolonnensystem (10) erwärmt wird, und bei dem in dem zweiten Betriebsmodus kein der Druckkolonne (11) entnommenes stickstoffreiches Gas der weiteren Luft zugespeist wird. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem in dritten Betriebsmodus keine weitere Luft auf ein Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet, entspannt und ohne Zerlegung in dem Kolonnensystem (10) erwärmt wird, und bei dem in dem dritten Betriebsmodus statt der weiteren Luft ein Teil des der Druckkolonne (11) entnommenen stickstoffreichen Gases entspannt und erwärmt wird. Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die weitere Luft auf dem Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus nacheinander warmseitig einem Hauptwärmetauscher (4) der Luftzerlegungsanlage zugeführt, dem Hauptwärmetauscher (4) auf einem ersten Zwischentemperaturniveau entnommen, einer ersten Turbinenentspannung unterworfen, dem Hauptwärmetauscher (4) kaltseitig zugeführt, dem Hauptwärmetauscher (4) auf einem zweiten Zwischentemperaturniveau entnommen, einer zweiten Turbinenentspannung unterworfen, dem Hauptwärmetauscher (4) auf einem dritten Zwischentemperaturniveau zugeführt, und dem Hauptwärmetauscher (4) warmseitig entnommen wird. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Teil des der Druckkolonne (11) entnommenen stickstoffreichen Gases, der der weiteren Luft zugespeist wird, dem Hauptwärmetauscher (4) zusammen mit der weiteren Luft kaltseitig zugeführt, der zweiten Turbinenentspannung unterworfen, dem Hauptwärmetauscher (4) auf dem dritten Zwischentemperaturniveau zugeführt, und dem Hauptwärmetauscher (4) warmseitig entnommen wird. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Teil des der Druckkolonne (11) entnommenen stickstoffreichen Gases, der der weiteren Luft zugespeist wird, dem Hauptwärmetauscher (4) separat von der weiteren Luft kaltseitig zugeführt, dem Hauptwärmetauscher (4) warmseitig entnommen, und der weiteren Luft auf dem zweiten Zwischentemperaturniveau und vor der zweiten Turbinenentspannung zugespeist wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das Basisdruckniveau 16 bis 24 bar beträgt, bei dem das Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus, auf das die weitere Luft verdichtet wird, 27 bis 50 bar beträgt, bei dem der Druckbereich, in dem die Druckkolonne betrieben wird, bei 4 bis 7 bar liegt, bei dem der Hauptwärmetauscher (4) warmseitig auf einem Temperaturniveau von 0 bis 50 °C und kaltseitig auf einem Temperaturniveau von -150 bis -177 °C betrieben wird, bei dem das erste Zwischentemperaturniveau bei -120 bis -90 °C liegt, bei dem das zweite Zwischentemperaturniveau bei -20 bis 30 °C liegt, bei dem das dritte Zwischentemperaturniveau bei -110 bis -60 °C liegt, bei dem die erste Turbinenentspannung auf ein Druckniveau von 4 bis 7 bar durchgeführt wird, und bei dem die zweite Turbinenentspannung auf ein Druckniveau von 100 bis 500 mbar über Atmosphärendruck durchgeführt wird. 19
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die weitere Luft unter Verwendung eines oder zweier Booster (5, 6) auf das Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet wird, wobei der eine Booster oder zumindest einer der zwei Booster unter Verwendung zumindest einer der Entspannungsmaschinen (7, 9) angetrieben wird oder werden, die bei der ersten und zweiten Turbinenentspannung eingesetzt werden.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Kolonnensystem (10) ferner eine Niederdruckkolonne (12), die in einem Druckbereich von 1 bis 1 ,7 bar betrieben wird, sowie einen Argongwinnungsteil (15) mit wenigstens einer weiteren Kolonne aufweist.
11 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die weitere Luft, die auf das Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet, entspannt und ohne Zerlegung in dem Kolonnensystem (10) erwärmt wird, zusammen mit Luft, die in das Kolonnensystem (10) eingespeist wird, auf das Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem die Luft, die in das Kolonnensystem (10) eingespeist wird, und die zusammen mit der weiteren Luft auf das Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus verdichtet wird, zu einem ersten Anteil abgekühlt und in das Kolonnensystem (10) eingespeist wird, ohne der ersten und zweiten Entspannung unterworfen zu werden, und zu einem zweiten Anteil in verflüssigter Form nach der ersten Entspannung abgeschieden und in das Kolonnensystem (10) eingespeist wird.
13. Luftzerlegungsanlage, die ein Kolonnensystem (10) mit einer Druckkolonne (11) aufweist, wobei die Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet ist, Druckkolonne (11) in einem Druckbereich von 4 bis 7 bar zu betreiben, dem Kolonnensystem (10) Luft zuzuführen und in dem Kolonnensystem (10) zu zerlegen, dabei zumindest 90% der dem Kolonnensystem (10) insgesamt zugeführten Luft auf ein Basisdruckniveau 'zu verdichten, das mehr als 5 bar oberhalb des Druckbereichs liegt, auf dem die Druckkolonne (11 ) betrieben wird, der Druckkolonne (11 ) stickstoffreiches Gas zu entnehmen, und zumindest in einem ersten 20
Betriebsmodus weitere Luft auf ein Druckniveau oberhalb des Basisdruckniveaus zu verdichten, zu entspannen und ohne Zerlegung in dem Kolonnensystem (10) zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet ist, zumindest in dem ersten Betriebsmodus einen Teil des der Druckkolonne (11 ) entnommenen stickstoffreichen Gases der weiteren Luft stromaufwärts des Entspannens zuzuspeisen. Luftzerlegungsanlage mit Mitteln zur Durchführung der Verfahrensmerkmale, die in einem der Ansprüche 2 bis 12 genannt sind.
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