EP4246070A1 - Gas liquefaction method and gas liquefaction plant - Google Patents

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EP4246070A1
EP4246070A1 EP22020419.2A EP22020419A EP4246070A1 EP 4246070 A1 EP4246070 A1 EP 4246070A1 EP 22020419 A EP22020419 A EP 22020419A EP 4246070 A1 EP4246070 A1 EP 4246070A1
Authority
EP
European Patent Office
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heat exchanger
countercurrent heat
nitrogen
warm
operating periods
Prior art date
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Pending
Application number
EP22020419.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Haag
Thomas Hecht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0285—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings
    • F25J1/0288—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings using work extraction by mechanical coupling of compression and expansion of the refrigerant, so-called companders

Definitions

  • the invention relates to a gas liquefaction process and a corresponding system.
  • the object of the present invention is to improve the operation of corresponding systems and to expand it to include other liquefaction products.
  • nitrogen oxygen
  • oxygen argon
  • nitrogen oxygen
  • argon should be understood to mean the corresponding pure substances, but also mixtures with a content of, for example, more than 90%, 95% or 99% of the specified component.
  • Liquefaction of oxygen and/or argon can also be integrated into the processes for liquefying nitrogen explained at the beginning. To liquefy the oxygen and/or argon, it can be passed through the same countercurrent heat exchanger that is also used to liquefy the nitrogen.
  • the countercurrent heat exchanger used to liquefy the nitrogen is referred to as the “first” heat exchanger and the additional heat exchanger as the “second” heat exchanger.
  • Embodiments of the present invention solve these problems by providing an additional passage in the second countercurrent heat exchanger through which gaseous nitrogen is passed at high pressure of, for example, approximately 10 to 30 or 10 to 40 bar absolute pressure and, for example, ambient temperature (here also referred to as "warm pressurized nitrogen " designated). This warm pressurized nitrogen is cooled in the second countercurrent heat exchanger.
  • cold, gaseous nitrogen obtained during the expansion can be used to preset a temperature profile in the second countercurrent heat exchanger before the oxygen and/or argon liquefaction begins be fed back to the end.
  • the warm pressure nitrogen which cools down during the aforementioned relaxation due to the Joule-Thomson effect, or the cold low-pressure nitrogen that forms, is used here to preset a temperature profile in the second countercurrent heat exchanger before the actual oxygen and/or argon liquefaction begins is taken.
  • a corresponding operating period is also referred to here as a “cooling down period”
  • a corresponding operating mode is also referred to as “cooling down operation”, etc.
  • the warm high-pressure nitrogen can continue to be passed through the second countercurrent heat exchanger. However, this is no longer fed back to the second countercurrent heat exchanger as before (as cold low-pressure nitrogen), but is instead blown off into the environment, for example. In this way, the second countercurrent heat exchanger can be heated to such an extent that there is no longer any liquid nitrogen in it.
  • a corresponding operating period is also referred to here as a “warm-up period”, a corresponding operating mode as “warm-up mode”, etc.
  • the second countercurrent heat exchanger If the second countercurrent heat exchanger remains out of operation for a longer period of time, the temperature in it equalizes. This would result in excessive temperature differences at the warm and cold ends when restarting. Therefore, from time to time, warm, high-pressure nitrogen can be used in the manner explained in the second Countercurrent heat exchanger are cooled, with a partial flow of this, after appropriate expansion, being fed back to the second countercurrent heat exchanger as cold low-pressure nitrogen. The rest or another partial stream can be blown off as in warm-up mode. Using such a procedure, the temperature at the cold end of the second countercurrent heat exchanger can be adjusted.
  • a corresponding operating period is also referred to here as an “intercooling period”
  • a corresponding operating mode is also referred to as “intermediate temperature control operation”, etc.
  • the present invention proposes a process for gas liquefaction in which warm compressed nitrogen is provided at a pressure level of 10 to 30 bar or 10 to 40 bar absolute pressure and at a temperature level of 10 to 50 ° C, as already explained above.
  • a subset of the warm pressurized nitrogen (referred to here as the “first subset”) is increased in pressure, in particular in a serial arrangement of two turbine-driven boosters, and then into one Portion condensed in a first countercurrent heat exchanger to obtain liquid nitrogen.
  • This liquid nitrogen can be expanded into a container, whereby a gas phase that forms can be heated in the first countercurrent heat exchanger, in particular together with further gas, which also increases the pressure in the serial arrangement of the two turbine-driven boosters, but then in the first countercurrent heat exchanger is cooled and turbine-expanded without liquefaction.
  • the liquid phase from the container can be supercooled and partially provided as a liquid nitrogen product. It can be used in the context of the present invention in particular as explained below.
  • the present invention relates to a method in which gaseous oxygen and/or gaseous argon is condensed during one or more first operating periods in a second countercurrent heat exchanger to obtain liquid oxygen and/or liquid argon, i.e. an arrangement with a separate countercurrent heat exchanger for oxygen and/or Argon liquefaction as already explained.
  • condensation does not occur outside the one or more first operating periods or outside the one or more first operating periods in an amount that is significantly less than during the one or more first operating periods, ie less than 10% thereof.
  • a “separate" countercurrent heat exchanger is characterized by the fact that the heat exchanger passages of the first and second countercurrent heat exchangers are not connected to one another except for corresponding lines or support means or, in particular, there is no heat exchange between passages of the first and second countercurrent heat exchanger via common heat exchange surfaces (e.g. separating plates of a plate heat exchanger). is provided.
  • the cold required for the liquefaction of the liquid nitrogen is provided during the one or more first operating periods by evaporating a portion of the liquid nitrogen (i.e. in particular the aforementioned supercooled liquid nitrogen) to obtain gaseous nitrogen in the first countercurrent heat exchanger. This also occurs in particular not or in a significantly smaller amount outside of the one or more first operating periods, in particular in an amount of less than 10%.
  • the different temperature control modes i.e. the pre-cooling before the liquefaction operation, the heating after the liquefaction operation, as well as the intermediate temperature control, always take place using a second subset of the warm pressurized nitrogen, which is during one or more second operating periods (which in particular outside of the one or of the several first operating periods) is cooled in the second countercurrent heat exchanger.
  • Different configurations which have already been mentioned previously, include relaxation (and corresponding further cooling) as well as partial or complete recovery into the second countercurrent heat exchanger or a partial or complete execution of the process, for example blowing off into the atmosphere.
  • the one or more second operating periods can include one or more temperature control periods, during which the second subset of the warm compressed nitrogen is cooled by relaxation after cooling in the second countercurrent heat exchanger and partially or completely fed back to the second countercurrent heat exchanger .
  • a temperature profile or a setting can be made The cold end of the second countercurrent heat exchanger is kept cold, as already explained previously.
  • the one or more temperature control periods can therefore include a cooling period, which is followed by the one or more of the first operating periods and during which the second subset of the warm compressed nitrogen is cooled by relaxation after cooling in the second countercurrent heat exchanger and completely (or at least to one) in the second countercurrent heat exchanger the majority of more than 80%, 90% or the like) is fed back. In this way, a correspondingly cooled second countercurrent heat exchanger is available again for subsequent liquefaction operation.
  • the one or more temperature control periods can also include an intermediate cooling period, which lies between two of the first operating periods and during which a first portion of the second subset of the warm compressed nitrogen is cooled by relaxation after cooling in the second countercurrent heat exchanger and fed back to the second countercurrent heat exchanger, wherein a second portion of the second subset of the warm pressurized nitrogen is not fed back to the second countercurrent heat exchanger after cooling in the second countercurrent heat exchanger.
  • This embodiment relates in particular to keeping the cold end of the second countercurrent heat exchanger cold.
  • the one or more temperature control periods can also include a warm-up period which follows the or one of the first operating periods, and during which the second subset of the warm compressed nitrogen after cooling in the second countercurrent heat exchanger is not supplied to the second countercurrent heat exchanger or is supplied in an amount of less than 10 % is fed back in. In this way, the aforementioned heating of the second countercurrent heat exchanger can be achieved and thereby the accumulation of liquid nitrogen in the second countercurrent heat exchanger can be avoided.
  • a further embodiment of the invention may include that a subset of the pressure-increased warm pressurized nitrogen and/or the liquid nitrogen is at a pressure level below the pressure level of the warm pressurized nitrogen and at a Temperature level below the temperature level of the warm compressed nitrogen is provided in gaseous form and is passed through the second countercurrent heat exchanger during one or more third operating periods before the one or more first operating periods and before the one or more second operating periods.
  • the nitrogen used for this can in particular be nitrogen, which is increased in pressure in the serial booster arrangement, then cooled without liquefaction in the first countercurrent heat exchanger, and then expanded in turbines that are coupled to the boosters of the serial booster arrangement.
  • it can be nitrogen, which becomes gaseous when the liquefied nitrogen is expanded.
  • a portion of the pressure-increased first subset of the warm pressurized nitrogen that is not condensed in the first countercurrent heat exchanger while retaining the liquid nitrogen can be at least partially cooled in the first countercurrent heat exchanger, turbine-expanded and heated in the first countercurrent heat exchanger, whereby cold for the Liquefaction of the nitrogen can be provided in the first countercurrent heat exchanger.
  • liquid nitrogen can be subcooled to obtain supercooled liquid nitrogen, wherein the subset of the liquid nitrogen that is evaporated during the one or more first operating periods to obtain gaseous nitrogen in the first countercurrent heat exchanger is a subset of the subcooled Liquid nitrogen can be.
  • a gas liquefaction system is also the subject of the present invention.
  • This has a compressor arrangement which is set up to provide warm pressurized nitrogen at a pressure level of 10 to 30 bar or 10 to 40 bar absolute pressure and at a temperature level of 10 to 50 ° C, a booster arrangement and a first countercurrent heat exchanger which are set up for this purpose , to increase the pressure of a first portion of the warm pressurized nitrogen and then to condense it into a proportion to obtain liquid nitrogen, a second countercurrent heat exchanger and means which are adapted to supply gaseous oxygen and / or gaseous argon during one or more first operating periods in the second countercurrent heat exchanger to condense to obtain liquid oxygen and / or liquid argon, to evaporate a subset of the liquid nitrogen during the one or more first operating periods to obtain gaseous nitrogen in the second countercurrent heat exchanger, and a second subset of the warm pressurized nitrogen during a or several second operating periods in the second countercurrent heat exchanger.
  • a corresponding system can in particular have a control unit that is set up to switch system operation of the system between the one or more first operating periods and the one or more second operating periods.
  • a corresponding system is set up in particular to carry out a method as previously explained in different embodiments.
  • Figure 1 illustrates a system according to an embodiment of the invention.
  • Figure 1 is a system for nitrogen and oxygen liquefaction, which can be operated using a method according to an embodiment of the invention, illustrated schematically and designated overall by 100.
  • a system can also be set up for the additional or alternative liquefaction of argon and the present invention is not limited to the liquefaction of argon.
  • the following explanations therefore apply to both alternatives and only focus on oxygen for the sake of clarity. Below, the explanations regarding system components also apply to corresponding process steps and vice versa.
  • the system 100 is supplied with gaseous nitrogen in two parts and at a lower pressure level (as illustrated with 1) and at a higher pressure level (as illustrated with 2), which can be provided, for example, by means of an air separation plant.
  • the gaseous nitrogen 1, 2 is supplied at the inlet or at an intermediate stage of a multistage compressor arrangement 110, which in the example shown has a first compressor stage 111 and a second compressor stage 112 as well as aftercoolers 113 and 114, and is compressed in this.
  • a part 4 of the gaseous nitrogen 3 compressed in this way (“warm pressurized nitrogen”) is in a turbine booster arrangement 120, which has a first booster 121, a second booster 122, a first aftercooler 123, a second aftercooler 124, one with the first booster 121 mechanically coupled first expansion turbine 125 and a second expansion turbine 126 mechanically coupled to the second booster 122, further compressed and fed to a countercurrent heat exchanger 130 on the warm side (“first countercurrent heat exchanger").
  • a remainder 5 of the compressed gaseous nitrogen 3 is not further compressed and is also fed to the countercurrent heat exchanger 130 on the warm side.
  • the nitrogen 4 present at high pressure can be partly condensed into liquid nitrogen 9 in the countercurrent heat exchanger 130.
  • the liquid nitrogen 9 can be expanded into a container 150 via a valve not specifically designated, as can a part 19 of the nitrogen 4 which is at high pressure, but which is not completely passed through the countercurrent heat exchanger 130, but is removed from it again at an intermediate temperature and in the second expansion turbine 126 is expanded.
  • a further portion of corresponding pressurized nitrogen can be evaporated, which is removed from the first countercurrent heat exchanger 130 at an intermediate temperature and fed back to it after the expansion at an intermediate temperature.
  • Liquid 10 separated in the container 150 is passed through a subcooler 160, which is operated with a relaxed part 11 of the liquid 10.
  • a portion 13 of the supercooled liquid nitrogen 12 is fed into a tank 170.
  • At least part 15 of gas 14 from the container 150 is fed to the countercurrent heat exchanger 130 on the cold side, heated therein, and returned to the compressor arrangement 110 at an intermediate stage.
  • the system 100 has a further countercurrent heat exchanger 140 (“second countercurrent heat exchanger"), in which gaseous oxygen 20 can be condensed into liquid oxygen 21 in the system 100, which can be stored in a suitable tank. This takes place during the mentioned “first operating phase(s)”, but not (or to a lesser extent) in the “second operating phase(s)”.
  • second countercurrent heat exchanger gaseous oxygen 20 can be condensed into liquid oxygen 21 in the system 100, which can be stored in a suitable tank. This takes place during the mentioned “first operating phase(s)”, but not (or to a lesser extent) in the “second operating phase(s)”.
  • a portion 8 of the supercooled liquid nitrogen is used, which evaporates and is then fed back to the compressor arrangement 110 on the suction side.
  • At least part 16 of the gas 14 is expanded from the container 150, fed to the circulating nitrogen 8, which has already been mentioned several times, and heated together with this in the further countercurrent heat exchanger 140.
  • a warm-up operation includes, after the liquefaction of oxygen in the second countercurrent heat exchanger 140 has been interrupted, as illustrated by a material flow 6 shown in bold, that warm compressed nitrogen 6 is cooled in the second countercurrent heat exchanger 140. In this way, when corresponding gas is then removed from the system, as illustrated in FIG. 7, the countercurrent heat exchanger 140 can be baked out.
  • the nitrogen 6 is also correspondingly cooled in the second countercurrent heat exchanger 140, but then, as illustrated with 6 ', part of the nitrogen 6 (im Intermediate temperature control operation) or the entire nitrogen 6, for example via a suitable Joule-Thomson valve, is relaxed and fed back to the second countercurrent heat exchanger 140 on the cold side (together with the nitrogen stream 8). Corresponding nitrogen is thus also fed back to the compressor arrangement 110 on the suction side.
  • a further embodiment, which can optionally be provided, is illustrated with nitrogen stream 16. By guiding it through the second countercurrent heat exchanger 140 in a start-up operation, the second countercurrent heat exchanger 140 can be cooled down.
  • a particularly long service life of the second countercurrent heat exchanger 140 can be achieved even with a large number of starts and stops (more than 100, but also more than 10,000 possible).

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Gasverflüssigung vorgeschlagen, bei dem warmer Druckstickstoff (3) auf einem Druckniveau von 10 bis 30 bar und auf einem Temperaturniveau von 10 bis 50 °C bereitgestellt wird, eine erste Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) druckerhöht und danach zu einem Anteil in einem ersten Gegenstromwärmetauscher (130) unter Erhalt von Flüssigstickstoff (9) kondensiert wird, gasförmiger Sauerstoff und/oder gasförmiges Argon (20) während eines oder mehrerer erster Betriebszeiträume in einem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) unter Erhalt von Flüssigsauerstoff und/oder Flüssigargon (21) kondensiert wird, eine Teilmenge des Flüssigstickstoffs (9) während des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume unter Erhalt von gasförmigem Stickstoff in dem ersten Gegenstromwärmetauscher (130) verdampft wird, und eine zweite Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) während eines oder mehrerer zweiter Betriebszeiträume in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) abgekühlt wird. Eine Anlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Figure imgaf001
A process for gas liquefaction is proposed in which warm compressed nitrogen (3) is provided at a pressure level of 10 to 30 bar and at a temperature level of 10 to 50 °C, a first portion of the warm compressed nitrogen (3) is increased in pressure and then to a Portion is condensed in a first countercurrent heat exchanger (130) to obtain liquid nitrogen (9), gaseous oxygen and / or gaseous argon (20) during one or more first operating periods in a second countercurrent heat exchanger (140) to obtain liquid oxygen and / or liquid argon ( 21) is condensed, a subset of the liquid nitrogen (9) is evaporated during the one or more first operating periods to obtain gaseous nitrogen in the first countercurrent heat exchanger (130), and a second subset of the warm pressurized nitrogen (3) during one or more second ones Operating periods in the second countercurrent heat exchanger (140) is cooled. A system (100) is also the subject of the invention.
Figure imgaf001

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasverflüssigungsverfahren und eine entsprechende Anlage.The invention relates to a gas liquefaction process and a corresponding system.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Ein Verfahren zur Verflüssigung von Stickstoff ist beispielsweise im Artikel " Nitrogen" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineveröffentlichung 15. Juni 2000, doi: 10.1002/14356007.a17_457 in Figur 8 veranschaulicht und ferner auf Seite 10 im Abschnitt "Nitrogen Liquefaction" erläutert. Hierbei können insbesondere Anordnungen mit einem Gegenstromwärmetauscher und zwei Turbinenboosteranordnungen zum Einsatz kommen. Ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Anlage sind auch in Figur 5 der EP 3 594 596 A1 veranschaulicht und dort ausführlich erläutert.For example, a process for liquefying nitrogen can be found in the article " Nitrogen" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, online publication June 15, 2000, doi: 10.1002/14356007.a17_457 illustrated in Figure 8 and further explained on page 10 in the “Nitrogen Liquefaction” section. In particular, arrangements with a countercurrent heat exchanger and two turbine booster arrangements can be used. A corresponding method and a corresponding system are also shown in Figure 5 EP 3 594 596 A1 illustrated and explained in detail there.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung des Betriebs entsprechender Anlagen und die Erweiterung auf weitere Verflüssigungsprodukte.The object of the present invention is to improve the operation of corresponding systems and to expand it to include other liquefaction products.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch ein Gasverflüssigungsverfahren und eine entsprechende Anlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.This task is solved by a gas liquefaction process and a corresponding system with the features of the independent patent claims. Refinements are the subject of the dependent claims and the following description.

Generell sollen hier unter Begriffen wie "Stickstoff", "Sauerstoff" oder "Argon" die entsprechenden Reinstoffe, aber auch Gemische mit einem Gehalt von beispielsweise mehr als 90%, 95% oder 99% der angegebenen Komponente verstanden werden.In general, terms such as “nitrogen”, “oxygen” or “argon” should be understood to mean the corresponding pure substances, but also mixtures with a content of, for example, more than 90%, 95% or 99% of the specified component.

In den eingangs erläuterten Verfahren zur Verflüssigung von Stickstoff kann auch eine Verflüssigung von Sauerstoff und/oder Argon integriert werden. Zur Verflüssigung des Sauerstoffs und/oder Argons kann dieser durch denselben Gegenstromwärmetauscher geführt werden, der auch zur Verflüssigung des Stickstoffs eingesetzt wird.Liquefaction of oxygen and/or argon can also be integrated into the processes for liquefying nitrogen explained at the beginning. To liquefy the oxygen and/or argon, it can be passed through the same countercurrent heat exchanger that is also used to liquefy the nitrogen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit einem Schwerpunkt auf der Verflüssigung von Sauerstoff beschrieben, kann jedoch in gleicher Weise auch für die Verflüssigung von Argon eingesetzt werden. Argon verhält sich dabei - in Bezug auf die Aspekte, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung relevant sind - im Wesentlichen vergleichbar oder identisch wie Sauerstoff.The present invention is described below with a focus on the liquefaction of oxygen, but can also be used in the same way for the liquefaction of argon. Argon behaves - with regard to the aspects that are relevant in the context of the present invention - essentially comparable or identical to oxygen.

Bei Verflüssigungsverfahren der erläuterten Art besteht grundsätzlich der Wunsch, diese je nach Bedarf an entsprechenden Verflüssigungsprodukten im Wechselbetrieb durchzuführen, d.h. vergleichsweise häufig herunter- und wieder hochzufahren. Ist eine Sauerstoff- und/oder Argonverflüssigung in den Gegenstromwärmetauscher für die Verflüssigung des Stickstoffs integriert, kann Sauerstoff und/oder Argon jederzeit zu- und abgeschaltet werden, ohne den Gegenstromwärmetauscher signifikanten Thermospannungen auszusetzen, die seine Lebensdauer beeinträchtigen würde.In the case of liquefaction processes of the type explained, there is generally a desire to carry out these in alternating operation depending on the need for corresponding liquefaction products, i.e. to shut down and start up again comparatively frequently. If oxygen and/or argon liquefaction is integrated into the countercurrent heat exchanger for the liquefaction of the nitrogen, oxygen and/or argon can be switched on and off at any time without exposing the countercurrent heat exchanger to significant thermal voltages that would affect its service life.

In bestimmten Fällen kann es jedoch auch wünschenswert sein, einen weiteren Gegenstromwärmetauscher zur Verflüssigung des Sauerstoffs und/oder Argons zu verwenden. Dies kann beispielsweise bei der Nachrüstung einer ansonsten im Wesentlichen unveränderten Anordnung vorteilhaft sein. Nachfolgend wird in entsprechenden Konstellationen der für die Verflüssigung des Stickstoffs verwendete Gegenstromwärmetauscher als "erster" und der weitere Wärmetauscher als "zweiter" Wärmetauscher bezeichnet.In certain cases, however, it may also be desirable to use another countercurrent heat exchanger to liquefy the oxygen and/or argon. This can be advantageous, for example, when retrofitting an otherwise essentially unchanged arrangement. In the following, in appropriate constellations, the countercurrent heat exchanger used to liquefy the nitrogen is referred to as the “first” heat exchanger and the additional heat exchanger as the “second” heat exchanger.

Wenn gasförmiger Sauerstoff und/oder gasförmiges Argon in einem derartigen zweiten Gegenstromwärmetauscher verflüssigt wird, können jedoch beim Wechselbetrieb Probleme auftreten. Insbesondere beim Beginn der Zuschaltung der Sauerstoff- und/oder Argonverflüssigung steht kalter, flüssiger Stickstoff zur Verfügung, ohne dass der zweite Gegenstromwärmetauscher bereits abgekühlt ist. Hierbei können Temperaturdifferenzen von ca. 200 K auftreten. Ferner kann beim Wegschalten der Sauerstoff- und/oder Argonverflüssigung, bei der auch die Durchströmung des weiteren Gegenstromwärmetauschers unterbrochen wird, flüssiger Stickstoff in einem unteren Bereich des zweiten Gegenstromwärmetauschers stehenbleiben, der über die Zeit dessen oberes Ende über Wärmelängsleitung kaltzieht. Hierdurch kann es beim erneuten Start der Sauerstoff- und/oder Argonverflüssigung zu hohen Temperaturdifferenzen am oberen Ende kommen.However, if gaseous oxygen and/or gaseous argon is liquefied in such a second countercurrent heat exchanger, problems can arise during alternating operation. In particular, when switching on the oxygen and/or argon liquefaction, cold, liquid nitrogen is available without the second countercurrent heat exchanger having already cooled down. Temperature differences of approx. 200 K can occur. Furthermore, when switching off the oxygen and/or argon liquefaction, in which the flow through the further countercurrent heat exchanger is also interrupted, liquid nitrogen can remain in a lower region of the second countercurrent heat exchanger, which over time cold-draws its upper end via the longitudinal heat conduction. This can result in high temperature differences at the upper end when oxygen and/or argon liquefaction is restarted.

Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung lösen diese Probleme durch die Bereitstellung einer zusätzlichen Passage in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher, durch die gasförmiger Stickstoff bei hohem Druck von beispielsweise ca. 10 bis 30 oder 10 bis 40 bar Absolutdruck und beispielsweise Umgebungstemperatur geführt wird (hier auch als "warmer Druckstickstoff" bezeichnet). Dieser warme Druckstickstoff wird in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher abgekühlt.Embodiments of the present invention solve these problems by providing an additional passage in the second countercurrent heat exchanger through which gaseous nitrogen is passed at high pressure of, for example, approximately 10 to 30 or 10 to 40 bar absolute pressure and, for example, ambient temperature (here also referred to as "warm pressurized nitrogen " designated). This warm pressurized nitrogen is cooled in the second countercurrent heat exchanger.

Wird entsprechend abgekühlter Druckstickstoff danach über ein Entspannungsventil entspannt, kann bei der Entspannung erhaltener kalter, gasförmiger Stickstoff (hier auch als "kalter Niederdruckstickstoff" bezeichnet) zur Voreinstellung eines Temperaturprofils in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher diesem vor dem Beginn der Sauerstoff- und/oder Argonverflüssigung am kalten Ende wieder zugeführt werden. Der warme Druckstickstoff, der sich bei der erwähnten Entspannung durch den Joule-Thomson-Effekt abkühlt, bzw. der sich bildende kalte Niederdruckstickstoff wird also hier zur Voreinstellung eines Temperaturprofils in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher verwendet, bevor die eigentliche Sauerstoff- und/oder Argonverflüssigung in Betrieb genommen wird. Ein entsprechender Betriebszeitraum wird hier auch als "Abkühlzeitraum" bezeichnet, ein entsprechender Betriebsmodus auch als "Abkühlbetrieb" usw.If appropriately cooled pressurized nitrogen is then expanded via an expansion valve, cold, gaseous nitrogen obtained during the expansion (also referred to here as "cold low-pressure nitrogen") can be used to preset a temperature profile in the second countercurrent heat exchanger before the oxygen and/or argon liquefaction begins be fed back to the end. The warm pressure nitrogen, which cools down during the aforementioned relaxation due to the Joule-Thomson effect, or the cold low-pressure nitrogen that forms, is used here to preset a temperature profile in the second countercurrent heat exchanger before the actual oxygen and/or argon liquefaction begins is taken. A corresponding operating period is also referred to here as a “cooling down period”, a corresponding operating mode is also referred to as “cooling down operation”, etc.

Andererseits kann auch nach Abstellen der Einspeisung von zu verflüssigendem Sauerstoff und/oder Argon und von Flüssigstickstoff in den zweiten Gegenstromwärmetauscher der warme Hochdruckstickstoff weiterhin durch den zweiten Gegenstromwärmetauscher geführt werden. Dieser wird nun aber nicht mehr wie zuvor (als kalter Niederdruckstickstoff) dem zweiten Gegenstromwärmetauscher wieder zugeführt, sondern beispielsweise an die Umgebung abgeblasen. Auf diese Weise kann der zweite Gegenstromwärmetauscher soweit ausgeheizt werden, dass kein flüssiger Stickstoff mehr in diesem steht. Ein entsprechender Betriebszeitraum wird hier auch als "Anwärmzeitraum" bezeichnet, ein entsprechender Betriebsmodus als "Anwärmbetrieb" usw.On the other hand, even after the feeding of oxygen and/or argon to be liquefied and of liquid nitrogen into the second countercurrent heat exchanger has been stopped, the warm high-pressure nitrogen can continue to be passed through the second countercurrent heat exchanger. However, this is no longer fed back to the second countercurrent heat exchanger as before (as cold low-pressure nitrogen), but is instead blown off into the environment, for example. In this way, the second countercurrent heat exchanger can be heated to such an extent that there is no longer any liquid nitrogen in it. A corresponding operating period is also referred to here as a “warm-up period”, a corresponding operating mode as “warm-up mode”, etc.

Bleibt der zweite Gegenstromwärmetauscher längere Zeit außer Betrieb, gleicht sich die Temperatur im diesem aus. Dadurch würden am warmen und kalten Ende bei der Wiederinbetriebnahme zu hohe Temperaturdifferenzen entstehen. Deshalb kann von Zeit zu Zeit warmer Hochdruckstickstoff in der erläuterten Weise in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher abgekühlt werden, wobei ein Teilstrom hiervon, nach einer entsprechenden Entspannung, als kalter Niederdruckstickstoff dem zweiten Gegenstromwärmetauscher wieder zugeführt wird. Der Rest oder ein anderer Teilstrom kann wie im Anwärmbetrieb abgeblasen werden. Mittels einer derartigen Vorgehensweise kann eine Einstellung der Temperatur am kalten Ende des zweiten Gegenstromwärmetauschers erfolgen. Ein entsprechender Betriebszeitraum wird hier auch als "Zwischenkühlzeitraum" bezeichnet, ein entsprechender Betriebsmodus auch als "Zwischentemperierbetrieb" usw.If the second countercurrent heat exchanger remains out of operation for a longer period of time, the temperature in it equalizes. This would result in excessive temperature differences at the warm and cold ends when restarting. Therefore, from time to time, warm, high-pressure nitrogen can be used in the manner explained in the second Countercurrent heat exchanger are cooled, with a partial flow of this, after appropriate expansion, being fed back to the second countercurrent heat exchanger as cold low-pressure nitrogen. The rest or another partial stream can be blown off as in warm-up mode. Using such a procedure, the temperature at the cold end of the second countercurrent heat exchanger can be adjusted. A corresponding operating period is also referred to here as an “intercooling period”, a corresponding operating mode is also referred to as “intermediate temperature control operation”, etc.

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Gasverflüssigung vor, bei dem warmer Druckstickstoff auf einem Druckniveau von 10 bis 30 bar oder 10 bis 40 bar Absolutdruck und auf einem Temperaturniveau von 10 bis 50 °C bereitgestellt wird, wie bereits oben erläutert. Wie auch in nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung möglich und bereits unter Bezugnahme auf den Stand der Technik erläutert, wird dabei eine Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (hier als "erste Teilmenge" bezeichnet) druckerhöht, insbesondere in einer seriellen Anordnung aus zwei turbinengetriebenen Boostern, und danach zu einem Anteil in einem ersten Gegenstromwärmetauscher unter Erhalt von Flüssigstickstoff kondensiert. Dieser Flüssigstickstoff kann in einen Behälter entspannt werden, wobei eine sich dabei bildende Gasphase in dem ersten Gegenstromwärmetauscher erwärmt werden kann, und zwar insbesondere zusammen mit weiterem Gas, das in der seriellen Anordnung aus den zwei turbinengetriebenen Boostern ebenfalls druckerhöht, dann aber in dem ersten Gegenstromwärmetauscher ohne Verflüssigung abgekühlt und turbinenentspannt wird. Die Flüssigphase aus dem Behälter kann unterkühlt und teilweise als Flüssigstickstoffprodukt bereitgestellt werden. Sie kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere wie unten erläutert genutzt werden.The present invention proposes a process for gas liquefaction in which warm compressed nitrogen is provided at a pressure level of 10 to 30 bar or 10 to 40 bar absolute pressure and at a temperature level of 10 to 50 ° C, as already explained above. As is also possible in a configuration not according to the invention and has already been explained with reference to the prior art, a subset of the warm pressurized nitrogen (referred to here as the “first subset”) is increased in pressure, in particular in a serial arrangement of two turbine-driven boosters, and then into one Portion condensed in a first countercurrent heat exchanger to obtain liquid nitrogen. This liquid nitrogen can be expanded into a container, whereby a gas phase that forms can be heated in the first countercurrent heat exchanger, in particular together with further gas, which also increases the pressure in the serial arrangement of the two turbine-driven boosters, but then in the first countercurrent heat exchanger is cooled and turbine-expanded without liquefaction. The liquid phase from the container can be supercooled and partially provided as a liquid nitrogen product. It can be used in the context of the present invention in particular as explained below.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem gasförmiger Sauerstoff und/oder gasförmiges Argon während eines oder mehrerer erster Betriebszeiträume in einem zweiten Gegenstromwärmetauscher unter Erhalt von Flüssigsauerstoff und/oder Flüssigargon kondensiert wird, also eine Anordnung mit einem separaten Gegenstromwärmetauscher zur Sauerstoff- und/oder Argonverflüssigung wie bereits erläutert. Eine derartige Kondensation erfolgt insbesondere nicht außerhalb des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume bzw. außerhalb des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume in einer Menge, die deutlich geringer ist als während des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume, d.h. bei weniger als 10% hiervon liegt. Ein "separater" Gegenstromwärmetauscher zeichnet sich dabei dadurch aus, dass die Wärmetauscherpassagen des ersten und zweiten Gegenstromwärmetauschers bis auf entsprechende Leitungen oder Tragmittel nicht miteinander verbunden sind bzw. insbesondere kein Wärmeaustausch zwischen Passagen des ersten und zweiten Gegenstromwärmetauschers über gemeinsame Wärmeaustauschflächen (z.B. Trennplatten eines Plattenwärmetauschers) vorgesehen ist.The present invention relates to a method in which gaseous oxygen and/or gaseous argon is condensed during one or more first operating periods in a second countercurrent heat exchanger to obtain liquid oxygen and/or liquid argon, i.e. an arrangement with a separate countercurrent heat exchanger for oxygen and/or Argon liquefaction as already explained. In particular, such condensation does not occur outside the one or more first operating periods or outside the one or more first operating periods in an amount that is significantly less than during the one or more first operating periods, ie less than 10% thereof. A "separate" countercurrent heat exchanger is characterized by the fact that the heat exchanger passages of the first and second countercurrent heat exchangers are not connected to one another except for corresponding lines or support means or, in particular, there is no heat exchange between passages of the first and second countercurrent heat exchanger via common heat exchange surfaces (e.g. separating plates of a plate heat exchanger). is provided.

Die für die Verflüssigung des Flüssigstickstoffs erforderliche Kälte wird während des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume dadurch bereitgestellt, dass ein Teil des Flüssigstickstoffs (d.h. insbesondere des zuvor erwähnten unterkühlten Flüssigstickstoffs) unter Erhalt von gasförmigem Stickstoff in dem ersten Gegenstromwärmetauscher verdampft wird. Auch dies erfolgt insbesondere nicht oder in einer deutlich geringeren Menge außerhalb des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume, insbesondere in einer Menge von weniger als 10%.The cold required for the liquefaction of the liquid nitrogen is provided during the one or more first operating periods by evaporating a portion of the liquid nitrogen (i.e. in particular the aforementioned supercooled liquid nitrogen) to obtain gaseous nitrogen in the first countercurrent heat exchanger. This also occurs in particular not or in a significantly smaller amount outside of the one or more first operating periods, in particular in an amount of less than 10%.

Wie bereits zuvor erwähnt, erfolgen die unterschiedlichen Temperiermodi, d.h. die Vorkühlung vor dem Verflüssigungsbetrieb, die Erwärmung nach dem Verflüssigungsbetrieb, sowie die Zwischentemperierung stets unter Verwendung einer zweiten Teilmenge des warmen Druckstickstoffs, die während eines oder mehrerer zweiter Betriebszeiträume (die insbesondere außerhalb des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume liegen) in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher abgekühlt wird. Unterschiedliche Ausgestaltungen, die bereits zuvor angesprochen wurden, umfassen dabei eine Entspannung (und entsprechende weitere Abkühlung) sowie teilweise oder vollständige Rückspeisung in den zweiten Gegenstromwärmetauscher oder aber eine teilweise oder vollständige Ausführung aus dem Verfahren, beispielsweise ein Abblasen an die Atmosphäre.As already mentioned before, the different temperature control modes, i.e. the pre-cooling before the liquefaction operation, the heating after the liquefaction operation, as well as the intermediate temperature control, always take place using a second subset of the warm pressurized nitrogen, which is during one or more second operating periods (which in particular outside of the one or of the several first operating periods) is cooled in the second countercurrent heat exchanger. Different configurations, which have already been mentioned previously, include relaxation (and corresponding further cooling) as well as partial or complete recovery into the second countercurrent heat exchanger or a partial or complete execution of the process, for example blowing off into the atmosphere.

Mit anderen Worten kann bzw. können der eine oder die mehreren zweiten Betriebszeiträume einen oder mehrere Temperierzeiträume umfassen, während dessen oder derer die zweite Teilmenge des warmen Druckstickstoffs nach der Abkühlung in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher durch Entspannen abgekühlt und dem zweiten Gegenstromwärmetauscher teilweise oder vollständig wieder zugeführt wird. Auf diese Weise kann eine Einstellung eines Temperaturprofils bzw. ein Kalthalten des kalten Endes des zweiten Gegenstromwärmetauschers erfolgen, wie bereits zuvor erläutert.In other words, the one or more second operating periods can include one or more temperature control periods, during which the second subset of the warm compressed nitrogen is cooled by relaxation after cooling in the second countercurrent heat exchanger and partially or completely fed back to the second countercurrent heat exchanger . In this way, a temperature profile or a setting can be made The cold end of the second countercurrent heat exchanger is kept cold, as already explained previously.

Der eine oder die mehreren Temperierzeiträume können demnach einen Abkühlzeitraum umfassen, dem sich der oder einer der ersten Betriebszeiträume anschließt und während dessen die zweite Teilmenge des warmen Druckstickstoffs nach der Abkühlung in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher durch Entspannen abgekühlt und dem zweiten Gegenstromwärmetauscher vollständig (oder zumindest zu einem überwiegenden Teil von mehr als 80%, 90% oder dergleichen) wieder zugeführt wird. Ein entsprechend abgekühlter zweiter Gegenstromwärmetauscher steht auf diese Weise wieder für einen anschließenden Verflüssigungsbetrieb bereit.The one or more temperature control periods can therefore include a cooling period, which is followed by the one or more of the first operating periods and during which the second subset of the warm compressed nitrogen is cooled by relaxation after cooling in the second countercurrent heat exchanger and completely (or at least to one) in the second countercurrent heat exchanger the majority of more than 80%, 90% or the like) is fed back. In this way, a correspondingly cooled second countercurrent heat exchanger is available again for subsequent liquefaction operation.

Der eine oder die mehreren Temperierzeiträume können aber auch einen Zwischenkühlzeitraum umfassen, der zwischen zwei der ersten Betriebszeiträume liegt und während dessen ein erster Anteil der zweiten Teilmenge des warmen Druckstickstoffs nach der Abkühlung in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher durch Entspannen abgekühlt und dem zweiten Gegenstromwärmetauscher wieder zugeführt wird, wobei ein zweiter Anteil der zweiten Teilmenge des warmen Druckstickstoffs nach der Abkühlung in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher dem zweiten Gegenstromwärmetauscher nicht wieder zugeführt wird. Diese Ausgestaltung betrifft insbesondere das Kalthalten des kalten Endes des zweiten Gegenstromwärmetauschers.The one or more temperature control periods can also include an intermediate cooling period, which lies between two of the first operating periods and during which a first portion of the second subset of the warm compressed nitrogen is cooled by relaxation after cooling in the second countercurrent heat exchanger and fed back to the second countercurrent heat exchanger, wherein a second portion of the second subset of the warm pressurized nitrogen is not fed back to the second countercurrent heat exchanger after cooling in the second countercurrent heat exchanger. This embodiment relates in particular to keeping the cold end of the second countercurrent heat exchanger cold.

Der eine oder die mehreren Temperierzeiträume können auch einen Anwärmzeitraum umfassen, der sich dem oder einem der ersten Betriebszeiträume anschließt, und während dessen die zweite Teilmenge des warmen Druckstickstoffs nach der Abkühlung in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher dem zweiten Gegenstromwärmetauscher nicht oder in einer Menge von weniger als 10% wieder zugeführt wird. Auf diese Weise kann das erwähnte Ausheizen des zweiten Gegenstromwärmetauschers erreicht und dadurch die Ansammlung von flüssigem Stickstoff in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher vermieden werden.The one or more temperature control periods can also include a warm-up period which follows the or one of the first operating periods, and during which the second subset of the warm compressed nitrogen after cooling in the second countercurrent heat exchanger is not supplied to the second countercurrent heat exchanger or is supplied in an amount of less than 10 % is fed back in. In this way, the aforementioned heating of the second countercurrent heat exchanger can be achieved and thereby the accumulation of liquid nitrogen in the second countercurrent heat exchanger can be avoided.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann umfassen, dass eine Teilmenge des druckerhöhten warmen Druckstickstoffs und/oder des Flüssigstickstoffs auf einem Druckniveau unterhalb des Druckniveaus des warmen Druckstickstoffs und auf einem Temperaturniveau unterhalb des Temperaturniveaus des warmen Druckstickstoffs gasförmig bereitgestellt und während eines oder mehrerer dritter Betriebszeiträume vor dem einen oder den mehreren ersten Betriebszeiträumen und vor dem einen oder den mehreren zweiten Betriebszeiträumen durch den zweiten Gegenstromwärmetauscher geführt wird. Hierdurch kann insbesondere eine Abkühlung beim anfänglichen Abkühlen erzielt werden. Der hierfür verwendete Stickstoff kann insbesondere Stickstoff sein, der in der seriellen Boosteranordnung druckerhöht, danach ohne Verflüssigung in dem ersten Gegenstromwärmetauscher abgekühlt, und dann in Turbinen, die mit den Boostern der seriellen Boosteranordnung gekoppelt sind, entspannt wird. Ferner kann es sich um Stickstoff handeln, der beim Entspannen des verflüssigten Stickstoffs gasförmig wird.A further embodiment of the invention may include that a subset of the pressure-increased warm pressurized nitrogen and/or the liquid nitrogen is at a pressure level below the pressure level of the warm pressurized nitrogen and at a Temperature level below the temperature level of the warm compressed nitrogen is provided in gaseous form and is passed through the second countercurrent heat exchanger during one or more third operating periods before the one or more first operating periods and before the one or more second operating periods. In this way, cooling can be achieved in particular during the initial cooling. The nitrogen used for this can in particular be nitrogen, which is increased in pressure in the serial booster arrangement, then cooled without liquefaction in the first countercurrent heat exchanger, and then expanded in turbines that are coupled to the boosters of the serial booster arrangement. Furthermore, it can be nitrogen, which becomes gaseous when the liquefied nitrogen is expanded.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann also ein nicht in dem ersten Gegenstromwärmetauscher unter Erhalt des Flüssigstickstoffs kondensierter Anteil der druckerhöhten ersten Teilmenge des warmen Druckstickstoffs zumindest zu einem Teil in dem ersten Gegenstromwärmetauscher abgekühlt, turbinenentspannt und in dem ersten Gegenstromwärmetauscher erwärmt werden, wodurch Kälte für die Verflüssigung des Stickstoffs in dem ersten Gegenstromwärmetauscher bereitgestellt werden kann.In one embodiment of the present invention, a portion of the pressure-increased first subset of the warm pressurized nitrogen that is not condensed in the first countercurrent heat exchanger while retaining the liquid nitrogen can be at least partially cooled in the first countercurrent heat exchanger, turbine-expanded and heated in the first countercurrent heat exchanger, whereby cold for the Liquefaction of the nitrogen can be provided in the first countercurrent heat exchanger.

Wie ebenfalls bereits erwähnt, kann zumindest ein Teil des Flüssigstickstoffs unter Erhalt von unterkühltem Flüssigstickstoff unterkühlt werden, wobei die Teilmenge des Flüssigstickstoffs, die während des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume unter Erhalt von gasförmigem Stickstoff in dem ersten Gegenstromwärmetauscher verdampft wird, eine Teilmenge des unterkühlten Flüssigstickstoffs sein kann.As also already mentioned, at least a portion of the liquid nitrogen can be subcooled to obtain supercooled liquid nitrogen, wherein the subset of the liquid nitrogen that is evaporated during the one or more first operating periods to obtain gaseous nitrogen in the first countercurrent heat exchanger is a subset of the subcooled Liquid nitrogen can be.

Eine Anlage zur Gasverflüssigung ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Diese weist eine Verdichteranordnung auf, die dafür eingerichtet ist, warmen Druckstickstoff auf einem Druckniveau von 10 bis 30 bar oder 10 bis 40 bar Absolutdruck und auf einem Temperaturniveau von 10 bis 50 °C bereitzustellen, eine Boosteranordnung und einem ersten Gegenstromwärmetauscher, die dafür eingerichtet sind, eine erste Teilmenge des warmen Druckstickstoffs druckzuerhöhen und danach zu einem Anteil unter Erhalt von Flüssigstickstoff zu kondensieren, einen zweiten Gegenstromwärmetauscher und Mittel, die dafür eingerichtet sind, gasförmigen Sauerstoff und/oder gasförmiges Argon während eines oder mehrerer erster Betriebszeiträume in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher unter Erhalt von Flüssigsauerstoff und/oder Flüssigargon zu kondensieren, eine Teilmenge des Flüssigstickstoffs während des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume unter Erhalt von gasförmigem Stickstoff in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher zu verdampfen, und eine zweite Teilmenge des warmen Druckstickstoffs während eines oder mehrerer zweiter Betriebszeiträume in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher abzukühlen.A gas liquefaction system is also the subject of the present invention. This has a compressor arrangement which is set up to provide warm pressurized nitrogen at a pressure level of 10 to 30 bar or 10 to 40 bar absolute pressure and at a temperature level of 10 to 50 ° C, a booster arrangement and a first countercurrent heat exchanger which are set up for this purpose , to increase the pressure of a first portion of the warm pressurized nitrogen and then to condense it into a proportion to obtain liquid nitrogen, a second countercurrent heat exchanger and means which are adapted to supply gaseous oxygen and / or gaseous argon during one or more first operating periods in the second countercurrent heat exchanger to condense to obtain liquid oxygen and / or liquid argon, to evaporate a subset of the liquid nitrogen during the one or more first operating periods to obtain gaseous nitrogen in the second countercurrent heat exchanger, and a second subset of the warm pressurized nitrogen during a or several second operating periods in the second countercurrent heat exchanger.

Zu Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Anlage sei auf die obigen, das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen betreffenden Ausführungen ausdrücklich verwiesen, da diese das Verfahren in gleicher Weise betreffen.Regarding the features and advantages of a corresponding system, reference is expressly made to the above statements relating to the method according to the invention and its configurations, as these relate to the method in the same way.

Eine entsprechende Anlage kann insbesondere eine Steuereinheit aufweisen, die dafür eingerichtet ist, einen Anlagenbetrieb der Anlage zwischen dem einen oder den mehreren ersten Betriebszeiträumen und dem einen oder den mehreren zweiten Betriebszeiträumen umzuschalten.A corresponding system can in particular have a control unit that is set up to switch system operation of the system between the one or more first operating periods and the one or more second operating periods.

In Ausgestaltungen der Erfindung ist eine entsprechende Anlage insbesondere dafür eingerichtet, ein Verfahren durchzuführen, wie es zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde.In embodiments of the invention, a corresponding system is set up in particular to carry out a method as previously explained in different embodiments.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung weiter erläutert, welche eine Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht.The invention is further explained below with reference to the accompanying drawing, which illustrates an embodiment of the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Figur 1 veranschaulicht eine Anlage gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Figure 1 illustrates a system according to an embodiment of the invention.

AusführungsformenEmbodiments

In Figur 1 ist eine Anlage zur Stickstoff- und Sauerstoffverflüssigung, die unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung betrieben werden kann, schematisch veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet. Wie erwähnt, kann eine derartige Anlage in gleicher Weise auch zur zusätzlichen oder alternativen Verflüssigung von Argon eingerichtet sein und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verflüssigung von Argon beschränkt. Die nachfolgenden Erläuterungen gelten daher für beide Alternativen und fokussieren sich nur der Übersichtlichkeit halber auf Sauerstoff. Nachfolgend gelten die Erläuterungen betreffend Anlagenkomponenten auch für entsprechende Verfahrensschritte und umgekehrt.In Figure 1 is a system for nitrogen and oxygen liquefaction, which can be operated using a method according to an embodiment of the invention, illustrated schematically and designated overall by 100. As mentioned, such a system can also be set up for the additional or alternative liquefaction of argon and the present invention is not limited to the liquefaction of argon. The following explanations therefore apply to both alternatives and only focus on oxygen for the sake of clarity. Below, the explanations regarding system components also apply to corresponding process steps and vice versa.

Der Anlage 100 wird im dargestellten Beispiel gasförmiger Stickstoff in zwei Teilen und auf einem niedrigeren Druckniveau (wie mit 1 veranschaulicht) und auf einem höheren Druckniveau (wie mit 2 veranschaulicht) zugeführt, der beispielsweise mittels einer Luftzerlegungsanlage bereitgestellt werden kann. Der gasförmige Stickstoff 1, 2 wird am Eintritt bzw. auf einer Zwischenstufe einer mehrstufigen Verdichteranordnung 110 zugeführt, die im dargestellten Beispiel eine erste Verdichterstufe 111 und eine zweite Verdichterstufe 112 sowie Nachkühler 113 und 114 aufweist, und in dieser verdichtet.In the example shown, the system 100 is supplied with gaseous nitrogen in two parts and at a lower pressure level (as illustrated with 1) and at a higher pressure level (as illustrated with 2), which can be provided, for example, by means of an air separation plant. The gaseous nitrogen 1, 2 is supplied at the inlet or at an intermediate stage of a multistage compressor arrangement 110, which in the example shown has a first compressor stage 111 and a second compressor stage 112 as well as aftercoolers 113 and 114, and is compressed in this.

Ein Teil 4 des auf diese Weise verdichteten gasförmigen Stickstoffs 3 ("warmer Druckstickstoff") wird in einer Turbinenboosteranordnung 120, die einen ersten Booster 121, einen zweiten Booster 122, einen ersten Nachkühler 123, einen zweiten Nachkühler 124, eine mit dem ersten Booster 121 mechanisch gekoppelte erste Entspannungsturbine 125 und eine mit dem zweiten Booster 122 mechanisch gekoppelte zweite Entspannungsturbine 126 aufweist, weiter verdichtet und warmseitig einem Gegenstromwärmetauscher 130 ("erster Gegenstromwärmetauscher") zugeführt. Ein Rest 5 des verdichteten gasförmigen Stickstoffs 3 wird nicht weiter verdichtet und ebenfalls dem Gegenstromwärmetauscher 130 warmseitig zugeführt.A part 4 of the gaseous nitrogen 3 compressed in this way ("warm pressurized nitrogen") is in a turbine booster arrangement 120, which has a first booster 121, a second booster 122, a first aftercooler 123, a second aftercooler 124, one with the first booster 121 mechanically coupled first expansion turbine 125 and a second expansion turbine 126 mechanically coupled to the second booster 122, further compressed and fed to a countercurrent heat exchanger 130 on the warm side ("first countercurrent heat exchanger"). A remainder 5 of the compressed gaseous nitrogen 3 is not further compressed and is also fed to the countercurrent heat exchanger 130 on the warm side.

Der auf hohem Druck vorliegende Stickstoff 4 kann in dem Gegenstromwärmetauscher 130 zu einem Teil zu Flüssigstickstoff 9 kondensiert werden. Der Flüssigstickstoff 9 kann über ein nicht gesondert bezeichnetes Ventil in einen Behälter 150 entspannt werden, ebenso wie ein Teil 19 des auf hohem Druck vorliegenden Stickstoffs 4, der jedoch nicht vollständig durch den Gegenstromwärmetauscher 130 geführt, sondern diesem bereits auf einer Zwischentemperatur wieder entnommen und in der zweiten Entspannungsturbine 126 entspannt wird. In der Entspannungsturbine 125 kann dagegen ein weiterer Teil entsprechenden Druckstickstoffs verdampft werden, der dem ersten Gegenstromwärmetauscher 130 auf einer Zwischentemperatur entnommen und diesem nach der Entspannung auf einer Zwischentemperatur wieder zugeführt wird.The nitrogen 4 present at high pressure can be partly condensed into liquid nitrogen 9 in the countercurrent heat exchanger 130. The liquid nitrogen 9 can be expanded into a container 150 via a valve not specifically designated, as can a part 19 of the nitrogen 4 which is at high pressure, but which is not completely passed through the countercurrent heat exchanger 130, but is removed from it again at an intermediate temperature and in the second expansion turbine 126 is expanded. In the expansion turbine 125, on the other hand, a further portion of corresponding pressurized nitrogen can be evaporated, which is removed from the first countercurrent heat exchanger 130 at an intermediate temperature and fed back to it after the expansion at an intermediate temperature.

In dem Behälter 150 abgeschiedene Flüssigkeit 10 wird durch einen Unterkühler 160 geführt, welcher mit einem entspannten Teil 11 der Flüssigkeit 10 betrieben wird. Ein Teil 13 des unterkühlten Flüssigstickstoffs 12 wird in einen Tank 170 eingespeist.Liquid 10 separated in the container 150 is passed through a subcooler 160, which is operated with a relaxed part 11 of the liquid 10. A portion 13 of the supercooled liquid nitrogen 12 is fed into a tank 170.

Gas 14 aus dem Behälter 150 wird zumindest zu einem Teil 15 kaltseitig dem Gegenstromwärmetauscher 130 zugeführt, in diesem erwärmt, und auf einer Zwischenstufe in die Verdichteranordnung 110 zurückgeführt. Diesem Gas 14 wird dabei ein Teil 17 des Stickstoffs 5, der in dem Gegenstromwärmetauscher 130 teilabgekühlt und in der ersten Entspannungsturbine 125 entspannt wurde, auf einer Zwischentemperatur des Gegenstromwärmetauschers 130 zugespeist, wobei insgesamt ein Stickstoffstrom 18 gebildet wird.At least part 15 of gas 14 from the container 150 is fed to the countercurrent heat exchanger 130 on the cold side, heated therein, and returned to the compressor arrangement 110 at an intermediate stage. A part 17 of the nitrogen 5, which has been partially cooled in the countercurrent heat exchanger 130 and expanded in the first expansion turbine 125, is fed to this gas 14 at an intermediate temperature of the countercurrent heat exchanger 130, with a total of a nitrogen stream 18 being formed.

Die Anlage 100 weist einen weiteren Gegenstromwärmetauscher 140 ("zweiter Gegenstromwärmetauscher") auf, in dem in der Anlage 100 gasförmiger Sauerstoff 20 zu flüssigem Sauerstoff 21 kondensiert werden kann, der in einem geeigneten Tank eingelagert werden kann. Dies erfolgt während der erwähnten "ersten Betriebsphase(n)", nicht (oder in geringerem Umfang) dagegen in den "zweiten Betriebsphase(n)". Zur Bereitstellung der zur Verflüssigung des Sauerstoffs 20 erforderlichen Kälte dient dabei ein Anteil 8 des unterkühlten Flüssigstickstoffs, der verdampft und danach der Verdichteranordnung 110 saugseitig wieder zugeführt wird.The system 100 has a further countercurrent heat exchanger 140 ("second countercurrent heat exchanger"), in which gaseous oxygen 20 can be condensed into liquid oxygen 21 in the system 100, which can be stored in a suitable tank. This takes place during the mentioned “first operating phase(s)”, but not (or to a lesser extent) in the “second operating phase(s)”. To provide the cold required to liquefy the oxygen 20, a portion 8 of the supercooled liquid nitrogen is used, which evaporates and is then fed back to the compressor arrangement 110 on the suction side.

In einem Anfahrbetrieb wird zumindest ein Teil 16 des Gases 14 aus dem Behälter 150 entspannt, dem bereits mehrfach erwähnten Kreislaufstickstoff 8 zugespeist, und zusammen mit diesem in dem weiteren Gegenstromwärmetauscher 140 erwärmt.In a start-up operation, at least part 16 of the gas 14 is expanded from the container 150, fed to the circulating nitrogen 8, which has already been mentioned several times, and heated together with this in the further countercurrent heat exchanger 140.

Ein Anwärmbetrieb umfasst dabei, nachdem die Verflüssigung von Sauerstoff in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher 140 unterbrochen wurde, wie mit einem fett gezeichneten Stoffstrom 6 veranschaulicht, dass warmer Druckstickstoff 6 in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher 140 abgekühlt wird. Auf diese Weise kann, wenn entsprechendes Gas sodann, wie mit 7 veranschaulicht, aus der Anlage ausgeführt wird, der Gegenstromwärmetauscher 140 ausgeheizt werden.A warm-up operation includes, after the liquefaction of oxygen in the second countercurrent heat exchanger 140 has been interrupted, as illustrated by a material flow 6 shown in bold, that warm compressed nitrogen 6 is cooled in the second countercurrent heat exchanger 140. In this way, when corresponding gas is then removed from the system, as illustrated in FIG. 7, the countercurrent heat exchanger 140 can be baked out.

Auch zur Abkühlung und Zwischentemperierung erfolgt eine entsprechende Abkühlung des Stickstoffs 6 in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher 140, wobei dann allerdings, wie mit 6' veranschaulicht, ein Teil des Stickstoffs 6 (im Zwischentemperierbetrieb) oder der gesamte Stickstoff 6, beispielsweise über ein geeignetes Joule-Thomson Ventil, entspannt und kaltseitig dem zweiten Gegenstromwärmetauscher 140 wieder zugeführt wird (zusammen mit dem Stickstoffstrom 8). Entsprechender Stickstoff wird damit ebenfalls der Verdichteranordnung 110 saugseitig wieder zugeführt.For cooling and intermediate temperature control, the nitrogen 6 is also correspondingly cooled in the second countercurrent heat exchanger 140, but then, as illustrated with 6 ', part of the nitrogen 6 (im Intermediate temperature control operation) or the entire nitrogen 6, for example via a suitable Joule-Thomson valve, is relaxed and fed back to the second countercurrent heat exchanger 140 on the cold side (together with the nitrogen stream 8). Corresponding nitrogen is thus also fed back to the compressor arrangement 110 on the suction side.

Eine weitere Ausgestaltung, die optional vorgesehen sein kann, ist mit Stickstoffstrom 16 veranschaulicht. Durch dessen Führen durch den zweiten Gegenstromwärmetauscher 140 in einem Anfahrbetrieb kann der zweite Gegenstromwärmetauscher 140 kaltgefahren werden.A further embodiment, which can optionally be provided, is illustrated with nitrogen stream 16. By guiding it through the second countercurrent heat exchanger 140 in a start-up operation, the second countercurrent heat exchanger 140 can be cooled down.

Durch Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann eine besonders lange Lebensdauer des zweiten Gegenstromwärmetauschers 140 auch bei sehr vielen Starts und Stops (mehr als 100, aber auch mehr als 10.000 möglich) erzielt werden.Through embodiments of the present invention, a particularly long service life of the second countercurrent heat exchanger 140 can be achieved even with a large number of starts and stops (more than 100, but also more than 10,000 possible).

Claims (11)

Verfahren zur Gasverflüssigung, bei dem - warmer Druckstickstoff (3) auf einem Druckniveau von 10 bis 30 bar und auf einem Temperaturniveau von 10 bis 50 °C bereitgestellt wird, - eine erste Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) druckerhöht und danach zu einem Anteil in einem ersten Gegenstromwärmetauscher (130) unter Erhalt von Flüssigstickstoff (9) kondensiert wird, - gasförmiger Sauerstoff und/oder gasförmiges Argon (20) während eines oder mehrerer erster Betriebszeiträume in einem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) unter Erhalt von Flüssigsauerstoff und/oder Flüssigargon (21) kondensiert wird, - eine Teilmenge des Flüssigstickstoffs (9) während des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume unter Erhalt von gasförmigem Stickstoff in dem ersten Gegenstromwärmetauscher (130) verdampft wird, - eine zweite Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) während eines oder mehrerer zweiter Betriebszeiträume in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) abgekühlt wird. Process for gas liquefaction, in which - warm pressurized nitrogen (3) is provided at a pressure level of 10 to 30 bar and at a temperature level of 10 to 50 °C, - a first portion of the warm pressurized nitrogen (3) is increased in pressure and then condensed into a portion in a first countercurrent heat exchanger (130) to obtain liquid nitrogen (9), - gaseous oxygen and/or gaseous argon (20) is condensed during one or more first operating periods in a second countercurrent heat exchanger (140) to obtain liquid oxygen and/or liquid argon (21), - a subset of the liquid nitrogen (9) is evaporated during the one or more first operating periods to obtain gaseous nitrogen in the first countercurrent heat exchanger (130), - a second subset of the warm pressurized nitrogen (3) is cooled in the second countercurrent heat exchanger (140) during one or more second operating periods. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der eine oder die mehreren zweiten Betriebszeiträume einen oder mehrere Temperierzeiträume umfassen, während dessen oder derer die zweite Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) nach der Abkühlung in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) durch Entspannen abgekühlt und dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) teilweise oder vollständig wieder zugeführt wird.Method according to claim 1, in which the one or more second operating periods comprise one or more temperature control periods, during which the second subset of the warm compressed nitrogen (3) is cooled by relaxation after cooling in the second countercurrent heat exchanger (140) and the second countercurrent heat exchanger (140) is partially or completely fed back in. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der eine oder die mehreren Temperierzeiträume einen Abkühlzeitraum umfassen, dem sich der oder einer der ersten Betriebszeiträume anschließt und während dessen die zweite Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) nach der Abkühlung in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) durch Entspannen abgekühlt und dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) vollständig wieder zugeführt wird.Method according to claim 2, in which the one or more temperature control periods comprise a cooling period, which is followed by the or one of the first operating periods and during which the second subset of the warm compressed nitrogen (3) after cooling in the second Countercurrent heat exchanger (140) is cooled by relaxation and is completely fed back to the second countercurrent heat exchanger (140). Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der eine oder die mehreren Temperierzeiträume einen Zwischenkühlzeitraum umfassen, der zwischen zwei der ersten Betriebszeiträume liegt und während dessen ein erster Anteil der zweiten Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) nach der Abkühlung in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) durch Entspannen abgekühlt und dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) wieder zugeführt wird, wobei ein zweiter Anteil der zweiten Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) nach der Abkühlung in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) nicht wieder zugeführt wird.Method according to claim 2 or 3, in which the one or more temperature control periods comprise an intermediate cooling period which lies between two of the first operating periods and during which a first proportion of the second subset of the warm compressed nitrogen (3) after cooling in the second countercurrent heat exchanger (140 ) is cooled by relaxation and fed back to the second countercurrent heat exchanger (140), wherein a second portion of the second subset of the warm compressed nitrogen (3) is not fed back to the second countercurrent heat exchanger (140) after cooling in the second countercurrent heat exchanger (140). Verfahren einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der eine oder die mehreren Temperierzeiträume einen Anwärmzeitraum umfassen, der sich dem oder einem der ersten Betriebszeiträume anschließt, und während dessen die zweite Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) nach der Abkühlung in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) nicht oder in einer Menge von weniger als 10% wieder zugeführt wird.Method according to one of claims 2 to 4, in which the one or more temperature control periods comprise a warm-up period which follows the or one of the first operating periods, and during which the second subset of the warm compressed nitrogen (3) after cooling in the second countercurrent heat exchanger ( 140) is not fed back to the second countercurrent heat exchanger (140) or is fed back in an amount of less than 10%. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Teilmenge (6) des druckerhöhten warmen Druckstickstoffs (3) und/oder des Flüssigstickstoffs (9) auf einem Druckniveau unterhalb des Druckniveaus des warmen Druckstickstoffs und auf einem Temperaturniveau unterhalb des Temperaturniveaus des warmen Druckstickstoffs gasförmig bereitgestellt und während eines oder mehrerer dritter Betriebszeiträume vor dem einen oder den mehreren ersten Betriebszeiträumen und vor dem einen oder den mehreren zweiten Betriebszeiträumen durch den zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) geführt wird.Method according to one of the preceding claims, in which a subset (6) of the pressure-increased warm pressurized nitrogen (3) and/or the liquid nitrogen (9) is provided in gaseous form at a pressure level below the pressure level of the warm pressurized nitrogen and at a temperature level below the temperature level of the warm pressurized nitrogen and is passed through the second countercurrent heat exchanger (140) during one or more third operating periods before the one or more first operating periods and before the one or more second operating periods. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein nicht in dem ersten Gegenstromwärmetauscher (130) unter Erhalt des Flüssigstickstoffs (9) kondensierter Anteil der druckerhöhten ersten Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) zumindest zu einem Teil in dem ersten Gegenstromwärmetauscher (130) abgekühlt, turbinenentspannt und in dem ersten Gegenstromwärmetauscher (130) erwärmt wird.Method according to one of the preceding claims, in which a portion of the pressure-increased first subset of the warm pressurized nitrogen (3) which has not condensed in the first countercurrent heat exchanger (130) to obtain the liquid nitrogen (9) is cooled at least in part in the first countercurrent heat exchanger (130), turbine-expanded and heated in the first countercurrent heat exchanger (130). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Teil des Flüssigstickstoffs (9) unter Erhalt von unterkühltem Flüssigstickstoff (12) unterkühlt wird, wobei die Teilmenge des Flüssigstickstoffs (9), die während des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume unter Erhalt von gasförmigem Stickstoff in dem ersten Gegenstromwärmetauscher (130) verdampft wird, eine Teilmenge des unterkühlten Flüssigstickstoffs (12) ist.Method according to one of the preceding claims, in which at least a part of the liquid nitrogen (9) is supercooled to obtain supercooled liquid nitrogen (12), the subset of the liquid nitrogen (9) which is produced during the one or more first operating periods to obtain gaseous Nitrogen is evaporated in the first countercurrent heat exchanger (130), a subset of the supercooled liquid nitrogen (12). Anlage (100) zur Gasverflüssigung, mit - einer Verdichteranordnung (110), die dafür eingerichtet ist, warmen Druckstickstoff (3) auf einem Druckniveau von 10 bis 30 bar und auf einem Temperaturniveau von 10 bis 50 °C bereitzustellen, - einer Boosteranordnung (121, 122) und einem ersten Gegenstromwärmetauscher (130), die dafür eingerichtet sind, eine erste Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) druckzuerhöhen und danach zu einem Anteil unter Erhalt von Flüssigstickstoff (9) zu kondensieren, - einem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) und Mitteln, die dafür eingerichtet sind, • gasförmigen Sauerstoff (20) während eines oder mehrerer erster Betriebszeiträume in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) unter Erhalt von Flüssigsauerstoff (21) zu kondensieren, • eine Teilmenge des Flüssigstickstoffs (9) während des einen oder der mehreren ersten Betriebszeiträume unter Erhalt von gasförmigem Stickstoff in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) zu verdampfen, und • eine zweite Teilmenge des warmen Druckstickstoffs (3) während eines oder mehrerer zweiter Betriebszeiträume in dem zweiten Gegenstromwärmetauscher (140) abzukühlen. Plant (100) for gas liquefaction, with - a compressor arrangement (110) which is designed to provide warm compressed nitrogen (3) at a pressure level of 10 to 30 bar and at a temperature level of 10 to 50 ° C, - a booster arrangement (121, 122) and a first countercurrent heat exchanger (130), which are designed to increase the pressure of a first subset of the warm pressurized nitrogen (3) and then condense it into a proportion to obtain liquid nitrogen (9), - a second countercurrent heat exchanger (140) and means that are set up for this purpose, • to condense gaseous oxygen (20) during one or more first operating periods in the second countercurrent heat exchanger (140) to obtain liquid oxygen (21), • to evaporate a portion of the liquid nitrogen (9) during the one or more first operating periods to obtain gaseous nitrogen in the second countercurrent heat exchanger (140), and • to cool a second portion of the warm pressurized nitrogen (3) during one or more second operating periods in the second countercurrent heat exchanger (140). Anlage (100) nach Anspruch 9, mit einer Steuereinheit (50), die dafür eingerichtet ist, einen Anlagenbetrieb der Anlage (100) zwischen dem einen oder den mehreren ersten Betriebszeiträumen und dem einen oder den mehreren zweiten Betriebszeiträumen umzuschalten.Plant (100) according to claim 9, with a control unit (50) which is designed to switch system operation of the plant (100) between the one or more first operating periods and the one or more second operating periods. Anlage (100) nach Anspruch 9 oder 10, die dafür eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.Plant (100) according to claim 9 or 10, which is designed to carry out a method according to one of claims 1 to 9.
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