EP4356052B1 - Verfahren und anlage zur bereitstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen luftprodukts - Google Patents

Verfahren und anlage zur bereitstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen luftprodukts

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EP4356052B1
EP4356052B1 EP22729038.4A EP22729038A EP4356052B1 EP 4356052 B1 EP4356052 B1 EP 4356052B1 EP 22729038 A EP22729038 A EP 22729038A EP 4356052 B1 EP4356052 B1 EP 4356052B1
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EP
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pressure
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temperature
air
pressure range
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EP4356052C0 (de
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Dimitri GOLUBEV
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    • F25J3/04642—Recovering noble gases from air
    • F25J3/04648—Recovering noble gases from air argon
    • F25J3/04654—Producing crude argon in a crude argon column
    • F25J3/04666—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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for providing a pressurized, oxygen-rich, gaseous air product and a corresponding system according to the preambles of the independent patent claims.
  • a method and such a system are known from the publication EP-A-3 696 486 known.
  • air product here refers to a fluid that is at least partially produced by cryogenic decomposition of atmospheric air.
  • An air product as understood here, comprises one or more air gases contained in atmospheric air with a different composition than that of atmospheric air.
  • An air product can, in principle, be present or provided in a gaseous, liquid, or supercritical state and can be converted from one of these states of matter to another.
  • a liquid air product can be converted into a gaseous state (“evaporated”) or into a supercritical state (“pseudo-evaporated”) by heating to a certain pressure, depending on whether the pressure during heating is below or above the critical pressure.
  • evaporation in the following shall also include corresponding pseudo-evaporation.
  • Air separation plants have rectification column systems, which are conventionally designed as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but can also be designed as three- or multi-column systems.
  • rectification columns for the recovery of nitrogen and/or oxygen in liquid and/or gaseous
  • rectification columns can be used to extract other air components, particularly the noble gases krypton, xenon, and/or argon.
  • the terms "rectification” and “distillation,” as well as “column” and "pillar,” or combinations thereof, are used synonymously.
  • the rectification columns of the aforementioned rectification column systems are operated at different pressures.
  • Known double-column systems comprise a so-called high-pressure column (also referred to as a pressure column, medium-pressure column, or lower column) and a so-called low-pressure column (also referred to as the upper column).
  • the high-pressure column is typically operated at a pressure of 4 to 7 bar, in particular approximately 5.3 bar.
  • the low-pressure column is typically operated at a pressure of 1 to 2 bar, in particular approximately 1.4 bar. In certain cases, higher pressures can also be used in both rectification columns.
  • the pressures specified here are absolute pressures at the top of the respective columns.
  • main air compressor/booster air compressor MAC-BAC
  • HAP high air pressure
  • Main air compressor/booster air compressor processes are the more conventional processes, and high air pressure processes have recently been increasingly used as alternatives to main air compressor/booster air compressor processes.
  • the present invention is used in conjunction with high air pressure processes, so the following explanations in this regard apply generally and also to the present invention. Due to significantly lower costs—the main air compressor and booster air compressor are, in a sense, integrated into one machine—and fundamentally comparable efficiency, high air pressure processes can represent an advantageous alternative to main air compressor/booster air compressor processes.
  • Main compressor/post-compressor processes are characterized by the fact that only a portion of the total feed air quantity supplied to the rectification column system is compressed to a pressure that is significantly higher, i.e. by at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar, than the pressure at which the high-pressure column is operated. A further portion of the feed air quantity is compressed only to this pressure or a The gas is compressed to a pressure that differs from this by no more than 1 to 2 bar, and fed into the high-pressure column at this lower pressure, particularly without additional expansion.
  • a main compressor/post-compressor process is shown, for example, by Häring (see above) in Figure 2.3A.
  • the total amount of feed air supplied to the rectification column system is compressed to a pressure that is significantly higher, i.e. at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar, and for example up to 14, 16, 18 or 20 bar, than the pressure at which the high-pressure column is operated.
  • High-pressure processes are known, for example, from the EP 2 980 514 A1 and the EP 2 963 367 A1 known.
  • High-pressure air processes typically use internal compression (IV, IC).
  • internal compression at least one gaseous, pressurized air product, provided by the air separation plant, is formed by withdrawing a cryogenic, liquid air product from the rectification column system, subjecting it to a pressure increase to a product pressure, and then heating it to the gaseous or supercritical state at that pressure.
  • internal compression can be used to produce gaseous, pressurized oxygen (GOX IV, GOX IC), gaseous, pressurized nitrogen (GAN IV, GAN IC), and/or gaseous, pressurized argon (GAR IV, GAR IC).
  • Internal compression offers several advantages over external compression, which is also an alternative, and is explained, for example, in Häring (see above) in Section 2.2.5.2, "Internal Compression.”
  • High-pressure air processes can be used in various configurations. These are often classified and differentiated according to the system's liquid output, i.e., the amount of liquid air products supplied and removed from the system, or the ratio of internally compressed air products to liquid products. If the liquid output is not too high, a cold booster or cold compressor of the type described below is used in high-pressure processes, for example, to increase the efficiency of the process by converting the excess cooling capacity into higher air pressure.
  • Lachmann or upper column expander also described below.
  • the air expanded in the Lachmann turbine is fed into the low-pressure column.
  • the Lachmann turbine can be provided as an additional turbine unit alongside a turbine unit used to expand gaseous compressed air into the high-pressure column, i.e., a so-called Claude turbine.
  • the invention aims to increase the efficiency and competitiveness of high-pressure processes, particularly for such typical gas plants.
  • the present invention proposes a method for providing one or more oxygen-rich, gaseous air products and a corresponding system having the respective features of the independent patent claims.
  • Embodiments of the invention are the subject of the respective dependent patent claims and the following description.
  • feed air quantity or "feed air” for short is understood here to mean the total air supplied ("used") to the rectification column system of an air separation plant.
  • feed air quantity or "feed air” for short is understood here to mean the total air supplied ("used") to the rectification column system of an air separation plant.
  • feed air quantity or "feed air” for short is understood here to mean the total air supplied ("used") to the rectification column system of an air separation plant.
  • feed air quantity or feed air for short is understood here to mean the total air supplied (“used") to the rectification column system of an air separation plant.
  • cryogenic liquid is defined here as a liquid medium whose boiling point is significantly below the ambient temperature, e.g., at -50 °C or below, especially at -100 °C or below.
  • cryogenic liquids include liquid air, liquid oxygen, liquid nitrogen, liquid argon, or liquids rich in these compounds.
  • turbocompressors In air separation plants, multi-stage turbocompressors, referred to here as "main air compressors," are used to compress the feed air.
  • the mechanical design of turbocompressors is generally familiar to those skilled in the art.
  • the medium to be compressed is compressed by means of turbine blades arranged on a turbine wheel or directly on a shaft.
  • a turbocompressor forms a structural unit, which, however, in a multi-stage turbocompressor, can have several compressor stages.
  • a compressor stage usually comprises a turbine wheel or a corresponding arrangement of turbine blades. All of these compressor stages can be driven by a common shaft. However, it is also possible to drive the compressor stages in groups with different shafts, whereby the shafts can also be connected to each other via gears.
  • the main air compressor is further characterized by the fact that it compresses the entire air volume fed into the distillation column system and used to produce air products, i.e., the entire feed air volume. Accordingly, a "post-compressor" can also be provided, in which, however, only a portion of the feed air volume compressed in the main air compressor is brought to an even higher pressure. This can also be designed as a turbo compressor. For the compression of partial air volumes, additional turbo compressors, also referred to as boosters, are typically provided.
  • a booster compressor can also be present in a high-pressure air process, but this compresses a portion of the feed air volume starting at a higher pressure.
  • a “cold compressor” or “cold booster” is understood here to mean a compressor or booster to which fluid is supplied at a temperature in a temperature range significantly below the ambient temperature of the air separation plant, in particular at a temperature of less than 0 °C, -50 °C or -100 °C and in particular more than -150 °C or -200 °C.
  • Air can also be expanded at several points in air separation plants, for which 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 turbocompressors are driven without externally supplied energy, i.e., only via one or more turboexpanders, the term “turbine booster” is also used for such an arrangement.
  • the turboexpander (the expansion turbine) and the turbocompressor (the booster) are mechanically coupled, whereby the coupling can occur at the same speed (for example, via a common shaft) or at different speeds (for example, via an intermediate gear).
  • a turbine unit this should be understood in particular to an arrangement with at least one expansion turbine.
  • expansion turbines are installed at various locations for the refrigeration and liquefaction of material streams.
  • These include, in particular, the aforementioned Claude turbines and the also mentioned Lachmann turbines, as well as, in some cases, so-called Joule-Thomson turbines.
  • Joule-Thomson turbines For the function and purpose of such turbines, reference is made to the relevant literature, for example, FG Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, especially sections 2.4, "Contemporary Liquefaction Cycles", 2.6, “Theoretical Analysis of the Claude Cycle” and 3.8.1, "The Lachmann Principle le”.
  • a "throttle flow” or “Joule-Thomson flow” refers to a quantity of air that is at least predominantly liquefied under pressure in the main heat exchanger of an air separation plant and then fed, particularly via a throttle valve, into the high-pressure column.
  • a Joule-Thomson turbine can also be used instead of a throttle valve.
  • fluids can be rich or poor in one or more components, where "rich” can mean a content of at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9%, or 99.99%, and “poor” can mean a content of at most 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1%, or 0.01% on a molar, weight, or volume basis.
  • “predominantly” can correspond to the definition of "rich” just given, but specifically refers to a content of more than 90%.
  • nitrogen or oxygen can refer to a pure gas, but also to a gas rich in nitrogen or oxygen.
  • pressures or temperatures in specific pressure or temperature ranges. This is intended to express 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 lie in corresponding ranges which, for example, lie within ⁇ 1%, 5% or 10% of a mean value. Different pressure or temperature ranges can represent disjoint ranges or ranges which overlap one another. In particular, the specification of pressure ranges includes unavoidable or expected pressure losses, for example due to line resistances and the like. The same applies to pressure ranges. Pressures or pressure range limits specified here in bar are absolute pressures unless otherwise stated.
  • liquid output refers to The quantity of air products that are discharged in liquid form from the plant or a corresponding process, i.e., where no evaporation or pseudo-evaporation occurs. Such products cannot be used to cool feed streams into the plant or process through evaporation. Therefore, if smaller quantities of air products are discharged in liquid form from the plant or a corresponding process, but are evaporated or pseudo-evaporated, there is, to a certain extent, excess cooling available.
  • a so-called cold booster can be used, for example, to increase process efficiency by converting this excess cold into higher air pressure.
  • the heat input from the cold booster partially “destroys" the excess cold, but in return, the cold booster compresses part of the feed air, so that, for example, the output of the main air compressor can be reduced accordingly.
  • the intake temperature of a cold booster is below the ambient temperature, so that the power consumption is reduced, assuming ideal gas behavior for simplification.
  • the invention is used in a high-pressure air process in which, as mentioned, gaseous oxygen is to be produced without (significant) liquid production, and in which an injection turbine (Lachmann turbine) is provided as a second turbine unit next to a first turbine unit which expands air into the high-pressure column in the manner of a Claude turbine.
  • an injection turbine Loachmann turbine
  • the present invention achieves the above-mentioned object in particular by supplying air to the Lachmann turbine at a significantly lower air inlet temperature than in known processes. This results in strong pre-liquefaction at the turbine outlet of the Lachmann turbine. Accordingly, the air volumes to be liquefied in the main heat exchanger as throttle flow or throttle flows are significantly reduced, resulting in a noticeable increase in efficiency. The amount of heat to be transferred in the lower area of the main heat exchanger, i.e., at the location where the condensation of air flows occurs, is thus lower, and the performance of the cold compressor is reduced.
  • the present invention proposes a process for producing a pressurized, oxygen-rich, gaseous air product using an air separation plant which has a rectification column system with a high-pressure column and a low-pressure column as well as a main heat exchanger, a first turbine unit and a second turbine unit.
  • the high-pressure column is operated in a first pressure range of 4 to 7 bar, in particular approximately 5.3 bar
  • the low-pressure column is operated in a second pressure range of 1 to 2 bar, in particular approximately 1.4 bar
  • at least a predominant portion of the total feed air quantity supplied to the rectification column system in particular the entire feed air quantity as is customary in a high-air pressure process, is compressed to a pressure in a third pressure range that is more than 3 bar above the first pressure range.
  • a first portion of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is fed to the first turbine unit at the pressure in the third pressure range or at a pressure in a fourth pressure range above the third pressure range and at a temperature in a first temperature range, expanded to a pressure in the first pressure range using the first turbine unit, and fed into the high-pressure column.
  • the main heat exchanger of the air separation plant is used in particular in the manner explained below, and the pressure in the fourth pressure range is optionally achieved using a corresponding booster unit in the manner explained below.
  • the first turbine unit is in particular a typical Claude turbine as explained above, or the first turbine unit comprises such a turbine.
  • a second subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is compressed to the pressure in the third pressure range or to a pressure in a fifth pressure range above the third pressure range and to a Temperature in a second temperature range is fed to the second turbine unit, expanded using the second turbine unit to a pressure in the second pressure range, and fed into the low-pressure column.
  • the main heat exchanger of the air separation plant is used in particular in the manner explained below, and the pressure in the fifth pressure range is optionally achieved using a corresponding booster unit in the manner explained below.
  • the second turbine unit is in particular a typical Lachmann turbine as explained above, or the second turbine unit comprises such a turbine.
  • the invention comprises withdrawing oxygen-rich liquid from the rectification column system to provide the gaseous, pressurized, oxygen-rich air product, bringing it in the liquid state to a pressure in a sixth pressure range of 16 to 50 bar or 25 to 50 bar, in particular 40 to 50 bar, for example approximately 43 bar, while heating it to a temperature in a third temperature range, feeding it to the main heat exchanger, evaporating it therein at the temperature in the third temperature range, and discharging it from the air separation plant.
  • the pressurized, oxygen-rich air product is thus provided as an internal compression product.
  • the third temperature range i.e. the temperature range in which the temperature lies at which the oxygen-rich liquid is evaporated in the liquid state in the main heat exchanger after pressurization, lies according to the invention both above the first temperature range and above the second temperature range.
  • the second temperature range is selected such that a two-phase mixture with a liquid fraction of 5 to 15%, in particular of 8 to 13%, is formed at the outlet of the second turbine unit, these percentages expressing in particular a molar fraction of the liquid fraction, based on a molar fraction of the total two-phase mixture.
  • the temperature in the first temperature range and the temperature in the second temperature range differ from each other by no more than 10 K.
  • the air separation plant is operated such that a proportion of less than 5%, in particular less than 2%, of all air products removed from the air separation plant are removed unevaporated and in the liquid state.
  • air product which includes not only essentially pure products such as oxygen or nitrogen, but also impure streams (so-called waste gas), reference is made to the above explanations.
  • the proportion is less than 10%, in particular less than 5% or less than 2%.
  • the "essentially pure" products include, in particular, nitrogen, oxygen, and argon, or fluids rich in each of the components mentioned.
  • the first and second temperature ranges are each 110 to 140 K, in particular 120 to 135 K.
  • the third temperature range is above the first temperature range and the second temperature range, and in particular by more than 10 K and up to 40 K above the first temperature range and the second temperature range.
  • the first partial quantity of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is advantageously provided at the pressure in the fourth pressure range and is brought to the pressure in the fourth pressure range using a booster unit.
  • the booster unit used here will be used to drive the first turbine unit.
  • the first subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be cooled in a first cooling step in the main heat exchanger before it is brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit, and the first subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be cooled in a second cooling step in the main heat exchanger after it has been brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit, wherein the second cooling step comprises cooling to the aforementioned temperature in the first temperature range.
  • a third portion of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can, in particular, be subjected to the first cooling step together with the first portion of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range and brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit, wherein the third portion of the feed air quantity further compressed to the pressure in the third pressure range and then to the pressure in the fourth pressure range is liquefied at the pressure in the fourth pressure range in the main heat exchanger, subsequently expanded, and fed into the high-pressure column.
  • the first portion is withdrawn from the main heat exchanger, in particular, at a withdrawal point corresponding to the temperature in the first temperature range, whereas the third portion is passed through the main heat exchanger to the cold end. In this way, the third portion forms a throttle flow.
  • the second subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be provided, in particular, at the pressure in the fifth pressure range and, in the process, brought to the pressure in the fourth pressure range using an additional booster unit.
  • the additional booster unit can, in particular, drive the second turbine unit, thus being designed to be "self-boosted.”
  • a fourth subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range can be stored together with the second subset of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range in the
  • the second portion can be discharged from the main heat exchanger at a point corresponding to the temperature in the second temperature range, while the fourth portion can be further cooled and liquefied.
  • the fourth portion can be removed from the cold side of the main heat exchanger and fed into the high-pressure column as an additional throttle stream.
  • the two-phase mixture forming at the outlet of the second turbine unit is advantageously subjected to phase separation in a suitable phase separator and then fed into the low-pressure column in separate phases, i.e. in the form of a gas stream and a liquid stream.
  • the two-phase mixture forming at the outlet of the second turbine unit is fed into the low-pressure column in two phases.
  • a pump can be dispensed with, since liquid droplets are entrained due to the relatively high flow velocity.
  • the present invention further relates to an air separation plant for providing a pressurized, oxygen-rich, gaseous air product.
  • an air separation plant for providing a pressurized, oxygen-rich, gaseous air product.
  • a corresponding air separation plant benefits from the advantages previously explained with regard to the process according to the invention and its preferred embodiments, to which reference is therefore expressly made.
  • such an air separation plant is configured to carry out a process according to one of the previously explained embodiments and has means configured for this purpose.
  • FIGS 1 to 5 illustrate air separation plants according to preferred embodiments of the invention.
  • the Figures 6 and 7 show temperature-enthalpy diagrams.
  • FIG. 1 An air separation plant, designated 100, according to a preferred embodiment of the invention is illustrated.
  • the air separation plant 100 comprises a rectification column system 10 with a high-pressure column 11 and a low-pressure column 12, which are interconnected in a known manner.
  • Air separation plants of the type shown have been described in many other places, for example by Häring (see above), and particularly in Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification.” For detailed explanations of their design and operation, please refer to the relevant specialist literature.
  • An air separation plant for use with the present invention can be designed in a variety of ways.
  • the high-pressure column 11 is operated in a first pressure range
  • the low-pressure column 12 is operated in a second pressure range
  • at least a predominant portion of a total feed air quantity supplied to the rectification column system 10, here in the form of a compressed air stream a is compressed to a pressure in a third pressure range which is significantly above the first pressure range.
  • feed air is sucked in by means of a main air compressor 1, compressed to the pressure in the third pressure range, cooled in a direct contact cooler (also not separately designated) and freed in particular from water and carbon dioxide in a pre-cleaning unit 2.
  • the feed air provided in this way as the mentioned compressed air flow a at the pressure in the third pressure range is then divided into two partial flows b and c, which are both fed on the warm side to a main heat exchanger 3 and cooled therein.
  • further partial flows are formed, which represent partial quantities of the feed air of the compressed air flow a, referred to here as "first" to "fourth” partial quantities, and are indicated by a1 to a4.
  • the first subset of the total feed air quantity of the compressed air stream a compressed to the pressure in the third pressure range is fed to a first turbine unit 5 in the form of the subset a1 at a pressure in a fourth pressure range above the third pressure range and at a temperature in a first temperature range, expanded to a pressure in the first pressure range using the first turbine unit 5, and fed into the high-pressure column 11.
  • the first subset i.e., substream a1 is brought to the pressure in the fourth pressure range as part of substream b using a booster unit 4, wherein the booster unit 4 is driven by the first turbine unit 5.
  • the first subset, i.e., substream a1 is cooled in a first cooling step in the main heat exchanger 3 before being brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit 4, and the first subset, i.e., stream a1, is cooled in a second cooling step in the main heat exchanger 3 after being brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit 4.
  • the second cooling step comprises cooling to the temperature in the aforementioned first temperature range.
  • the second subset of the feed air quantity of the compressed air stream a compressed to the pressure in the third pressure range is fed as part of the subset c at the pressure in the third pressure range and at a temperature in a second temperature range in the form of the subset a2 to a second turbine unit 6, which in the embodiment illustrated here is coupled to a generator G, expanded to a pressure in the second pressure range using the second turbine unit 6, and then fed into the low-pressure column 12.
  • the second temperature range is selected in such a way that a two-phase mixture with the previously repeatedly specified liquid fraction.
  • the two-phase mixture forming at the outlet of the second turbine unit 6 is, in the embodiment illustrated here, subjected to phase separation in a phase separator 7 and then fed into the low-pressure column 12 in separate phases in the form of a liquid stream a2I and a gas stream a2g.
  • the third subset of the feed air quantity of the compressed air stream a, compressed to the pressure in the third pressure range, is subjected to the first cooling step in the form of the aforementioned subset a3 together with the first subset, i.e. subset a1, and thus as part of subset b, and is also brought to the pressure in the fourth pressure range using the booster unit 4, wherein the third subset, i.e. subset a3, is liquefied, expanded, but at the pressure in the fourth pressure range in the main heat exchanger 3 and fed into the high-pressure column 11.
  • the fourth subset of the feed air quantity of the compressed air stream a, compressed to the pressure in the third pressure range, is fed in the form of the aforementioned subset a4 together with the second subset, i.e. subset a2, and thus as part of subset c, to the main heat exchanger 3, but is not removed therefrom at the temperature in the second temperature range, but is also liquefied in the main heat exchanger, then expanded, and fed into the high-pressure column 11.
  • the partial streams a3 and a4 used as throttle streams are combined to form a total stream k before being fed into the high-pressure column 11.
  • oxygen-rich liquid is withdrawn in the form of a stream I from the rectification column system 10, more precisely from a bottom of the low-pressure column 11, brought to a pressure in a sixth pressure range in the liquid state by heating to a temperature in a third temperature range by means of an internal compression pump 8, evaporated at the temperature in the third temperature range in the main heat exchanger 3 and discharged from the air separation plant 100.
  • the air separation unit 200 according to Figure 2 differs from the air separation plant 100 according to Figure 1 essentially due to the absence of the phase separator 7, whereby the two-phase stream a2 is fed into the low-pressure column 12 in two phases.
  • the air separation unit 300 according to Figure 3 differs from the air separation units 100 and 200 according to Figures 1 and 2 essentially by providing the pressurized, oxygen-rich air product in the form of two fractions or partial streams I1 and I2, which are formed from the partial stream I and evaporated in the main heat exchanger 3 at different pressures.
  • the air separation unit 400 according to Figure 4 differs from the air separation plants 100 to 300 according to Figures 1 to 4 Essentially, the second subset a2 (and the fourth subset a4) of the feed air quantity compressed to the pressure in the third pressure range is provided at a pressure in a fifth pressure range and is thereby brought to the pressure in the fifth pressure range using a further booster unit 41, which is driven in particular by the turbine 6 (i.e., is "self-boosted").
  • the further booster unit 41 is formed by a warm booster for air, i.e., by a booster with an inlet temperature above 273 K.
  • the air separation unit 500 according to Figure 5 differs from the air separation plants 100 to 400 according to Figures 1 to 4 essentially by using an argon discharge column 51 of a known type, such as that used in EP 3 067 649 A1
  • a gaseous stream s enriched in argon is withdrawn from the argon discharge column 51 and heated in the main heat exchanger 3.
  • the argon discharge column 51 is fed from the low-pressure column 12 and bottoms liquid (each without separate designation) is returned to the low-pressure column 12 after depletion of argon.
  • bottoms liquid from the high-pressure column 11 is used, which is fed into the low-pressure column 12 after partial evaporation.
  • argon discharge column refers here to a separation column for argon-oxygen separation. Its design differs only slightly from that of a conventional crude argon column, although it contains significantly fewer theoretical plates, namely fewer than 40, and particularly between 35 and 15. Like a crude argon column, the bottom section of an argon discharge column is connected to an intermediate point in the low-pressure column, and the argon discharge column is cooled by a top condenser, on whose evaporation side expanded bottom liquid from the high-pressure column is introduced. An argon discharge column does not have a bottom evaporator.
  • FIGs 6 and 7 are temperature-enthalpy diagrams of the main heat exchanger 3 of an air separation plant according to an embodiment of the invention, for example an air separation plant 100 to 500 according to the Figures 1 to 5 , where a temperature on the vertical axis in K is plotted against an enthalpy sum in kW on the horizontal axis and the diagram is plotted according to Figure 7 an enlarged view of the diagram according to Figure 6
  • the temperature points Ta1 and Ta2 correspond to the extraction temperature levels of the partial streams a1 and a2, respectively.
  • the air separation plants according to Figures 1 to 5 can, of course, also be adapted to produce low-pressure nitrogen product (LPGAN) as a by-product of air separation. This can be achieved by using a corresponding separation section in the low-pressure column 12.
  • LPGAN low-pressure nitrogen product

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts und eine entsprechende Anlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. Ein solches Verfahren und eine solche Anlage sind aus der Druckschrift EP-A-3 696 486 bekannt.
    • Stand der Technik
  • Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
  • Der Begriff "Luftprodukt" soll sich hier auf ein Fluid beziehen, das zumindest teilweise durch Tieftemperaturzerlegung von atmosphärischer Luft bereitgestellt wird. Ein Luftprodukt gemäß dem hier zugrundeliegenden Verständnis weist ein oder mehrere in der atmosphärischen Luft enthaltene Luftgase in einer abweichenden Zusammensetzung als in der atmosphärischen Luft auf. Ein Luftprodukt kann grundsätzlich in gasförmigem, flüssigem oder überkritischem Zustand vorliegen oder bereitgestellt werden und von einem dieser Aggregatzustände in einen anderen überführt werden. Insbesondere kann ein flüssiges Luftprodukt durch Erwärmen auf einem bestimmten Druck in den gasförmigen Zustand überführt ("verdampft") oder in den überkritischen Zustand überführt ("pseudoverdampft") werden, je nachdem, ob der Druck bei der Erwärmung unterhalb oder oberhalb des kritischen Drucks liegt. Ist nachfolgend von einem "Verdampfen" die Rede, soll dies auch eine entsprechende Pseudoverdampfung einschließen.
  • Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die herkömmlicherweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelkolonnensysteme, ausgebildet sind, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben den Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Häufig, und auch hier, werden dabei die Begriffe "Rektifikation" und "Destillation" sowie "Kolonne" und "Säule" bzw. hieraus zusammengesetzte Begriffe synonym verwendet.
  • Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Drücken betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Hochdruckkolonne (auch als Druckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (auch als obere Kolonne bezeichnet) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druck von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die Niederdruckkolonne wird auf einem Druck von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Drücke eingesetzt werden. Bei den hier jeweils angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen.
  • 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 Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zu Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren zum Einsatz. Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit Hochluftdruck-Verfahren eingesetzt, so dass die nachfolgenden diesbezüglichen Erläuterungen allgemein und auch für die vorliegende Erfindung gelten. Aufgrund von deutlich geringeren Kosten - Haupt- und Nachverdichter sind gewissermaßen in einer Maschine integriert - und grundsätzlich vergleichbarer Effizienz können Hochluftdruck-Verfahren eine vorteilhafte Alternative zu Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren darstellen.
  • Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Rektifikationskolonnensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf einen Druck verdichtet wird, der wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, oberhalb des Drucks liegt, auf dem die Hochdruckkolonne betrieben wird. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf diesen Druck oder einen Druck, der sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar hiervon unterscheidet, verdichtet, und auf diesem niedrigeren Druck insbesondere ohne zusätzliche Entspannung in die Hochdruckkolonne eingespeist. Ein Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren ist beispielsweise bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt.
  • Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die gesamte, dem Rektifikationskolonnensystem insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf einen Druck verdichtet, der wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, und beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar, oberhalb des Drucks liegt, auf dem die Hochdruckkolonne betrieben wird. Hochluftdruck-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 980 514 A1 und der EP 2 963 367 A1 bekannt.
  • Hochluftdruck-Verfahren kommen typischerweise mit der sogenannten Innenverdichtung (IV, Internal Compression, IC) zum Einsatz. Bei der Innenverdichtung wird wenigstens ein gasförmiges, druckbeaufschlagtes Luftprodukt, das mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, dadurch gebildet, dass dem Rektifikationskolonnensystem ein tiefkaltes, flüssiges Luftprodukt entnommen, einer Druckerhöhung auf einen Produktdruck unterworfen, und auf dem Produktdruck durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt wird. Beispielsweise können mittels Innenverdichtung gasförmiger, druckbeaufschlagter Sauerstoff (GOX IV, GOX IC) gasförmiger, druckbeaufschlagter Stickstoff (GAN IV, GAN IC) und/oder gasförmiges, druckbeaufschlagtes Argon (GAR IV, GAR IC) erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer alternativ ebenfalls möglichen externen Verdichtung und ist z.B. bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert.
  • Hochluftdruck-Verfahren können in unterschiedlichen Ausgestaltungen eingesetzt werden. Diese werden oft nach Flüssigleistung der Anlage, d.h. nach der Menge an flüssig bereitgestellten und flüssig der Anlage entnommenen Luftprodukten, bzw. nach dem Verhältnis von innenverdichteten Luftprodukten zu Flüssigprodukten klassifiziert und unterschieden. Bei einer nicht zu hohen Flüssigleistung wird in Hochluftdruck-Verfahren z.B. ein Kaltbooster bzw. Kaltverdichter der unten erläuterten Art eingesetzt, um auf diese Weise die Effizienz des Verfahrens durch Umwandlung der dann überschüssigen Kälteleistung in höheren Luftdruck zu steigern.
  • Bekannt sind auch Hochluftdruck-Verfahren mit einer sogenannten Lachmann- oder Einblaseturbine (engl. auch Upper Column Expander) der ebenfalls unten erläuterten Art. Die in der Lachmannturbine entspannte Luft wird in die Niederdruckkolonne eingespeist. Die Lachmannturbine kann dabei als weitere Turbineneinheit neben einer Turbineneinheit, mittels derer gasförmige Druckluft in die Hochdruckkolonne entspannt wird, also einer sogenannten Claude-Turbine, bereitgestellt sein.
  • Insbesondere in Fällen, in denen mittels eines Hochluftdruck-Verfahrens überwiegend oder ausschließlich innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff auf einem Druck in einem Bereich von 16 bis 50 bar (abs.) bereitgestellt werden soll, besteht Verbesserungsbedarf hinsichtlich der Verfahrensführung. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit von Hochluftdruck-Verfahren insbesondere für derartige typische Gasanlagen zu erhöhen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines oder mehrerer sauerstoffreicher, gasförmiger Luftprodukte und eine entsprechende Anlage mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Es werden zunächst weitere Grundlagen der Erfindung näher erläutert und zur Beschreibung der Erfindung verwendete Begriffe definiert.
  • Unter einer "Einsatzluftmenge" oder kurz "Einsatzluft" wird hier die gesamte, dem Rektifikationskolonnensystem einer Luftzerlegungsanlage zugeführte ("eingesetzte") Luft verstanden. Wie bereits zuvor erläutert, wird diese Einsatzluftmenge in einem Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren nur zu einem Teil auf einen Druck in einem Bereich verdichtet, der deutlich oberhalb eines Druckbereichs liegt, in dem die Hochdruckkolonne betrieben wird. Hingegen wird in einem Hochluftdruck-Verfahren, wie es Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, die gesamte Einsatzluftmenge auf einen Druck in einem derartig hohen Druckbereich verdichtet. Zur Bedeutung des Begriffs "deutlich" im Zusammenhang mit Hauptverdichter/Nachverdichter- und Hochluftdruck-Verfahren sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
  • Unter einer "tiefkalten" Flüssigkeit wird hier ein flüssiges Medium verstanden, dessen Siedepunkt deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, z.B. bei -50 °C oder weniger, insbesondere bei -100 °C oder weniger. Beispiele für tiefkalte Flüssigkeiten sind flüssige Luft, flüssiger Sauerstoff, flüssiger Stickstoff, flüssiges Argon oder Flüssigkeiten, die reich an den genannten Verbindungen sind.
  • 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 Einsatzluftmenge mehrstufige Turboverdichter zum Einsatz, die hier als "Hauptluftverdichter" bezeichnet werden. Der mechanische Aufbau von Turboverdichtern ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. In einem Turboverdichter erfolgt die Verdichtung des zu verdichtenden Mediums mittels Turbinenschaufeln, 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 ferner dadurch aus, dass durch diesen die gesamte in das Destillationskolonnensystem eingespeiste und zur Herstellung von Luftprodukten verwendete Luftmenge, also die gesamte Einsatzluftmenge, verdichtet wird. Entsprechend kann auch ein "Nachverdichter" vorgesehen sein, in dem aber nur ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Einsatzluftmenge 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 typischerweise nur eine Verdichtung in relativ geringem Umfang, insbesondere bezogen auf die verdichtete Luftmenge, vornehmen. Auch in einem Hochluftdruck-Verfahren kann ein Nachverdichter vorhanden sein, dieser verdichtet jedoch eine Teilmenge der Einsatzluftmenge dann ausgehend von einem höheren Druck.
  • Unter einem "Kaltverdichter" bzw. "Kaltbooster" soll hier ein Verdichter bzw. Booster verstanden werden, dem Fluid auf einer Temperatur in einem Temperaturbereich deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur der Luftzerlegungsanlage, insbesondere bei einer Temperatur von weniger als 0 °C, -50 °C oder -100 °C und insbesondere mehr als -150 °C oder -200 °C zugeführt wird.
  • 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" 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. Ist hier von einer "Turbineneinheit" die Rede, soll hierunter insbesondere eine Anordnung mit wenigstens einer Entspannungsturbine verstanden werden.
  • In typischen Luftzerlegungsanlagen sind zur Kälteerzeugung und Verflüssigung von Stoffströmen an unterschiedlichen Stellen entsprechende Entspannungsturbinen vorhanden. Hierbei handelt es sich insbesondere um die erwähnten Claude-Turbinen und die ebenfalls erwähnten Lachmann-Turbinen, sowie ggf. um sogenannte Joule-Thomson-Turbinen. Zur Funktion und zum Zweck entsprechender Turbinen wird 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.
  • Unter einem "Drosselstrom" oder "Joule-Thomson-Strom" wird eine Luftmenge verstanden, die im Hauptwärmetauscher einer Luftzerlegungsanlage zumindest zum überwiegenden Anteil unter Druck verflüssigt und danach, insbesondere über ein Drosselventil, insbesondere in die Hochdruckkolonne eingespeist wird. Anstelle eines Drosselventils kann auch eine Joule-Thomson-Turbine eingesetzt werden.
  • 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" oder "Sauerstoff" die Rede, kann es sich um ein Reingas, aber auch ein an Stickstoff oder Sauerstoff reiches Gas handeln.
  • Nachfolgend ist zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen von Drücken bzw. Temperaturen in bestimmten Druck- bzw. Temperaturbereichen die Rede. Hierdurch soll zum Ausdruck gebracht werden, 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 entsprechenden Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5% oder 10% um einen Mittelwert liegen. Unterschiedliche Druck- bzw. Temperaturbereiche können dabei disjunkte Bereiche darstellen oder Bereiche, die einander überlappen. Insbesondere schließt beispielsweise die Angabe von Druckbereichen unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Leitungswiderständen und dergleichen, ein. Entsprechendes gilt für Druckbereiche. Bei hier in bar angegebenen Drücken bzw. Druckbereichsgrenzen handelt es sich, falls nicht anders angegeben, um Absolutdrücke.
    • Vorteile der Erfindung
  • Bekannte Hochluftdruck-Verfahren werden, wie erwähnt, häufig nach der sogenannten Flüssigleistung bzw. nach dem Verhältnis von innenverdichteten Produkten zu Flüssigprodukten klassifiziert und unterschieden. Die Flüssigleistung bezeichnet dabei die Menge an Luftprodukten, die flüssig aus der Anlage bzw. einem entsprechenden Verfahren ausgeführt werden, bei denen also keine Verdampfung oder Pseudoverdampfung erfolgt. Mittels derartiger Produkte können also keine Einsatzströme in die Anlage bzw. das Verfahren durch eine entsprechende Verdampfung gekühlt werden. Daher ist dann, wenn geringere Mengen an Luftprodukten flüssig aus der aus der Anlage bzw. einem entsprechenden Verfahren ausgeführt, sondern diese verdampft bzw. pseudoverdampft werden, gewissermaßen Kälte im Überschuss vorhanden.
  • Bei einer geringen Flüssigleistung kann daher beispielsweise ein sogenannter Kaltbooster eingesetzt werden, um die Prozesseffizienz durch die Umwandlung solcher überschüssiger Kälte in höheren Luftdruck zu steigern. Der Wärmeeintrag durch den Kaltbooster "vernichtet" die im Überschuss vorhandene Kälte zum Teil, der Kaltbooster verdichtet aber im Gegenzug dazu einen Teil der Einsatzluft, so dass beispielsweise die Leistung des Hauptluftverdichters entsprechend reduziert werden kann. Die Ansaugtemperatur eines Kaltboosters liegt, wie oben bereits angesprochen, unterhalb der Umgebungstemperatur, so dass sich die Leistungsaufnahme bei einem zur Vereinfachung angenommenen idealen Gasverhalten reduziert.
  • Die Erfindung kommt dabei bei einem Hochluftdruck-Verfahren zum Einsatz, bei dem, wie erwähnt, gasförmiger Sauerstoff ohne (nennenswerte) Flüssigproduktion hergestellt werden soll, und bei der eine Einblaseturbine (Lachmann-Turbine) als zweite Turbineneinheit neben einer ersten Turbineneinheit, die nach Art einer Claude-Turbine Luft in die Hochdruckkolonne entspannt, vorgesehen ist.
  • Die vorliegende Erfindung löst die oben genannte Aufgabe insbesondere dadurch, dass Luft der Lachmann-Turbine mit einer deutlich niedrigeren Lufteintrittstemperatur als in bekannten Verfahren zugeführt wird. Hierdurch ergibt sich eine starke Vorverflüssigung am Turbinenaustritt der Lachmann-Turbine. Entsprechend ergibt sich eine deutliche Reduzierung der im Hauptwärmetauscher als Drosselstrom oder Drosselströme zu verflüssigenden Luftmengen und als Konsequenz hieraus eine spürbare Erhöhung der Effizienz. Die zu übertragende Wärmemenge im unteren Bereich des Hauptwärmetauschers, also an dem Ort, an dem die Kondensation von Luftströmen erfolgt, fällt dadurch geringer aus und die Leistung des Kaltverdichters wird reduziert..
  • Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung vor diesem Hintergrund ein Verfahren zur Herstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage vor, welche ein Rektifikationskolonnensystem mit einer Hochdruckkolonne und einer Niederdruckkolonne sowie einen Hauptwärmetauscher, eine erste Turbineneinheit und eine zweite Turbineneinheit aufweist.
  • Die Hochdruckkolonne wird in einem ersten Druckbereich von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben, die Niederdruckkolonne wird in einem zweiten Druckbereich von 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar, betrieben, und zumindest ein überwiegender Anteil einer dem Rektifikationskolonnensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge, insbesondere die gesamte Einsatzluftmenge wie in einem Hochluftdruck-Verfahren üblich, wird auf einen Druck in einem dritten Druckbereich verdichtet, der mehr als 3 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt. Zu weiteren möglichen Druckdifferenzen wird auf die obigen Erläuterungen bezüglich Hochluftdruck-Verfahren nochmals ausdrücklich verwiesen.
  • Eine erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge wird auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem vierten Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich der ersten Turbineneinheit zugeführt, unter Verwendung der ersten Turbineneinheit auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt, und in die Hochdruckkolonne eingespeist. Wie weiter unten erläutert, wird zur Bereitstellung der ersten Teilmenge auf der Temperatur in dem ersten Temperaturbereich insbesondere der Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage in der unten erläuterten Weise verwendet und der Druck auf dem vierten Druckbereich wird ggf. unter Verwendung einer entsprechenden Boostereinheit in der unten erläuterten Weise erzielt. Bei der ersten Turbineneinheit handelt es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um eine typische Claude-Turbine wie oben erläutert, oder die erste Turbineneinheit umfasst eine solche.
  • Eine zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge wird auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem fünften Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich der zweiten Turbineneinheit zugeführt, unter Verwendung der zweiten Turbineneinheit auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich entspannt, und in die Niederdruckkolonne eingespeist. Wie weiter unten erläutert, wird zur Bereitstellung der zweiten Teilmenge auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich insbesondere der Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage in der unten erläuterten Weise verwendet und der Druck auf dem fünften Druckbereich wird ggf. unter Verwendung einer entsprechenden Boostereinheit in der unten erläuterten Weise erzielt. Bei der zweiten Turbineneinheit handelt es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um eine typische Lachmann-Turbine wie oben erläutert, oder die zweite Turbineneinheit umfasst eine solche.
  • Die Erfindung umfasst, dass dem Rektifikationskolonnensystem zur Bereitstellung des gasförmigen, druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts sauerstoffreiche Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand unter Erwärmung auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich in flüssigem Zustand auf einen Druck in einem sechsten Druckbereich von 16 bis 50 bar oder 25 bis 50 bar, insbesondere 40 bis 50 bar, beispielsweise ca. 43 bar, gebracht, dem Hauptwärmetauscher zugeführt, in diesem auf der Temperatur in dem dritten Temperaturbereich verdampft und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird. Das druckbeaufschlagte, sauerstoffreiche Luftprodukt wird also als Innenverdichtungsprodukt bereitgestellt.
  • Der dritte Temperaturbereich, also der Temperaturbereich, in dem die Temperatur liegt, auf der die sauerstoffreiche Flüssigkeit nach der Druckbeaufschlagung in flüssigem Zustand in dem Hauptwärmetauscher verdampft wird , liegt erfindungsgemäß sowohl oberhalb des ersten Temperaturbereichs als auch oberhalb des zweiten Temperaturbereichs.
  • Der zweite Temperaturbereich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart gewählt, dass sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit ein Zweiphasengemisch mit einem Flüssigkeitsanteil von 5 bis 15%, insbesondere von 8 bis 13%, bildet, wobei diese Prozentangaben insbesondere einen Stoffmengenanteil des Flüssiganteils, bezogen auf eine Stoffmenge des gesamten Zweiphasengemischs, ausdrücken.
  • Die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich und die Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich unterscheiden sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung ferner um nicht mehr als 10 K voneinander.
  • Die Luftzerlegungsanlage wird erfindungsgemäß derart betrieben, dass ein Anteil von weniger als 5%, insbesondere weniger als 2%, aller aus der Luftzerlegungsanlage entnommener Luftprodukte der Luftzerlegungsanlage unverdampft und in flüssigem Zustand entnommen werden. Zum Begriff "Luftprodukt", unter den nicht nur im Wesentlichen reine Produkte wie Sauerstoff oder Stickstoff fallen, sondern auch Unreinströme (sog. Waste Gas), sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Bezogen auf im Wesentlichen reine Produkte beträgt der Anteil weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% oder weniger als 2%. Die "im Wesentlichen reinen" Produkte umfassen insbesondere Stickstoff, Sauerstoff und Argon, oder Fluide, die jeweils reich an der jeweils erwähnten Komponente sind.
  • Durch die Kombination der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen werden insbesondere die bereits zuvor erwähnten Vorteile erzielt. Auf die obigen Erläuterungen wird verwiesen.
  • Insbesondere liegen der erste und der zweite Temperaturbereich jeweils bei 110 bis 140 K, insbesondere bei 120 bis 135 K.
  • Der dritte Temperaturbereich liegt oberhalb des ersten Temperaturbereichs und des zweiten Temperaturbereichs, und insbesondere um mehr als 10 K und bis zu 40 K oberhalb des ersten Temperaturbereichs und des zweiten Temperaturbereichs.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge vorteilhafterweise auf dem Druck in dem vierten Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht.
  • Die hierbei verwendete Boostereinheit wird zum Antreiben der ersten Turbineneinheit verwendet werden.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung kann dabei die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge in einem ersten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt werden, bevor sie unter Verwendung der Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, und die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge kann in einem zweiten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt werden, nachdem sie unter Verwendung der Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wurde, wobei der zweite Abkühlschritt ein Abkühlen auf die bereits erwähnte Temperatur in dem ersten Temperaturbereich umfasst.
  • Eine dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge kann insbesondere zusammen mit der ersten Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge dem ersten Abkühlschritt unterworfen und unter Verwendung der Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht werden, wobei die dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich und dann auf den Druck in dem vierten Druckbereich weiter verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem vierten Druckbereich in dem Hauptwärmetauscher verflüssigt, anschließend entspannt, und in die Hochdruckkolonne eingespeist wird. Die erste Teilmenge wird dabei insbesondere an einer der Temperatur in dem ersten Temperaturbereich entsprechenden Entnahmestelle aus dem Hauptwärmetauscher entnommen, wohingegen die dritte Teilmenge bis zum kalten Ende durch den Hauptwärmetauscher geführt wird. Die dritte Teilmenge bildet auf diese Weise einen Drosselstrom.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge insbesondere auf dem Druck in dem fünften Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer weiteren Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht werden. Hierbei kann die weitere Boostereinheit insbesondere die zweite Turbineneinheit antreiben, diese ist also "selbstgeboostert" ausgeführt.
  • In allen Fällen kann eine vierte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge gemeinsam mit der zweiten Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt werden, wobei die zweite Teilmenge auf einer der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich entsprechenden Stelle aus dem Hauptwärmetauscher ausgeführt werden kann, die vierte Teilmenge jedoch weiter abgekühlt und verflüssigt werden kann. Die vierte Teilmenge kann dabei dem Hauptwärmetauscher kaltseitig entnommen und als weiterer Drosselstrom in die Hochdruckkolonne eingespeist werden.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit bildende Zweiphasengemisch vorteilhafterweise einer Phasentrennung in einem geeigneten Phasentrenner zugeführt und danach getrenntphasig, d.h. in Form eines Gasstroms und eines Flüssigstroms, in die Niederdruckkolonne eingespeist.
  • In einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit bildende Zweiphasengemisch dagegen zweiphasig in die Niederdruckkolonne eingespeist. Durch die Wahl einer geeigneten Zweiphasenleitung kann auf eine Pumpe verzichtet werden, da Flüssigkeitstropfen aufgrund der relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit mitgerissen werden.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Luftzerlegungsanlage zur Bereitstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts. Zu den Merkmalen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Luftzerlegungsanlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch ausdrücklich verwiesen. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage profitiert von den zuvor bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltungen erläuterten Vorteilen, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird. Insbesondere ist eine derartige Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet, ein Verfahren gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen, und weist hierzu eingerichtete Mittel auf.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Figuren 1 bis 5 veranschaulichen Luftzerlegungsanlagen gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die Figuren 6 und 7 zeigen Temperatur-Enthalpie-Diagramme.
    • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • In Figur 1 ist eine mit 100 bezeichnete Luftzerlegungsanlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Die Luftzerlegungsanlage 100 weist ein Rektifikationskolonnensystem 10 mit einer Hochdruckkolonne 11 und einer Niederdruckkolonne 12 auf, die in bekannter Weise verschaltet sind.
  • Luftzerlegungsanlagen der gezeigten Art sind vielfach an anderer Stelle beschrieben, beispielsweise bei Häring (s.o.) und dort insbesondere in Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification". Für detaillierte Erläuterungen zu Aufbau und Funktionsweise sei daher auf entsprechende Fachliteratur verwiesen. Eine Luftzerlegungsanlage zum Einsatz der vorliegenden Erfindung kann auf unterschiedlichste Weise ausgebildet sein.
  • Die Hochdruckkolonne 11 wird in der hier veranschaulichten Ausgestaltung in einem ersten Druckbereich betrieben, die Niederdruckkolonne 12 wird in einem zweiten Druckbereich betrieben, und zumindest ein überwiegender Anteil einer dem Rektifikationskolonnensystem 10 insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge, hier in Form eines Druckluftstroms a, wird auf einen Druck in einem dritten Druckbereich verdichtet, der deutlich oberhalb des ersten Druckbereichs liegt.
  • In der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100 wird dabei Einsatzluft mittels eines Hauptluftverdichters 1 angesaugt, auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichtet, in einem ebenfalls nicht gesondert bezeichneten Direktkontaktkühler abgekühlt und in einer Vorreinigungseinheit 2 insbesondere von Wasser und Kohlendioxid befreit.
  • Die auf diese Weise als der erwähnte Druckluftstrom a bereitgestellte Einsatzluft auf dem Druck in dem dritten Druckbereich wird sodann in zwei Teilströme b und c aufgeteilt, welche beide warmseitig einem Hauptwärmetauscher 3 zugeführt und in diesem abgekühlt werden. Es werden durch Entnahme auf Zwischentemperaturniveaus und kaltseitig des Hauptwärmetauschers 3 jeweils weitere Teilströme gebildet, die hier als "erste" bis "vierte" Teilmengen bezeichnete Teilmengen der Einsatzluft des Druckluftstroms a darstellen und mit a1 bis a4 angegeben sind.
  • Die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten gesamten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird dabei in der hier veranschaulichten Ausgestaltung auf einem Druck in einem vierten Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich in Form des Teilstroms a1 einer ersten Turbineneinheit 5 zugeführt, unter Verwendung der ersten Turbineneinheit 5 auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt, und in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist.
  • Die erste Teilmenge, d.h. der Teilstrom a1, wird dabei als Teil des Teilstroms b unter Verwendung einer Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht, wobei die Boostereinheit 4 von der der ersten Turbineneinheit 5 angetrieben wird. Die erste Teilmenge, d.h. der Teilstrom a1, wird in einem ersten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher 3 abgekühlt, bevor sie unter Verwendung der Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, und die erste Teilmenge, d.h. der Stoffstrom a1 wird in einem zweiten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher 3 abgekühlt, nachdem sie unter Verwendung der Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wurde. Der zweite Abkühlschritt umfasst ein Abkühlen auf die Temperatur in dem erwähnten ersten Temperaturbereich.
  • Die zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird in der hier veranschaulichten Ausgestaltung dagegen als Teil des Teilstroms c auf dem Druck in dem dritten Druckbereich und auf einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich in Form des Teilstroms a2 einer zweiten Turbineneinheit 6 zugeführt, die in der hier veranschaulichten Ausgestaltung mit einem Generator G gekoppelt ist, unter Verwendung der zweiten Turbineneinheit 6 auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich entspannt, und anschließend in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist.
  • Der zweite Temperaturbereich ist dabei derart gewählt, dass sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit 6 ein Zweiphasengemisch mit dem zuvor mehrfach angegebenen Flüssigkeitsanteil bildet. Das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit 6 bildende Zweiphasengemisch wird dabei in der hier veranschaulichten Ausgestaltung einer Phasentrennung in einem Phasentrenner 7 zugeführt und danach getrenntphasig in Form eines Flüssigkeitsstroms a2I und eines Gasstroms a2g in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist.
  • Die dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird in Form des erwähnten Teilstroms a3 zusammen mit der ersten Teilmenge, also dem Teilstrom a1, und damit als Teil des Teilstroms b, dem ersten Abkühlschritt unterworfen und ebenfalls unter Verwendung der Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht, wobei die dritte Teilmenge, d.h. der Teilstrom a3, aber auf dem Druck in dem vierten Druckbereich in dem Hauptwärmetauscher 3 verflüssigt, entspannt, und in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist wird.
  • Die vierte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird in Form des erwähnten Teilstroms a4 zusammen mit der zweiten Teilmenge, also dem Teilstrom a2, und damit als Teil des Teilstroms c, dem Hauptwärmetauscher 3 zugeführt, aber nicht auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich diesem entnommen, sondern ebenfalls in dem Hauptwärmetauscher verflüssigt, anschließend entspannt, und in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist.
  • Die als Drosselströme verwendeten Teilströme a3 und a4 werden dabei in der hier veranschaulichten Ausgestaltung zu einem Gesamtstrom k vereinigt, bevor sie in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist werden.
  • Dem Rektifikationskolonnensystem 10, genauer einem Sumpf der Niederdruckkolonne 11, wird zur Bereitstellung des gasförmigen, druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts sauerstoffreiche Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms I entnommen, in flüssigem Zustand unter Erwärmung auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich mittels einer Innenverdichtungspumpe 8 auf einen Druck in einem sechsten Druckbereich gebracht, auf der Temperatur in dem dritten Temperaturbereich in dem Hauptwärmetauscher 3 verdampft und aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet.
  • Zur weiteren Verschaltung der Komponenten der Luftzerlegungsanlage 100, die insbesondere auch einen Unterkühlungsgegenströmer 9 umfassen kann, sei auf die zitierte Fachliteratur verwiesen. Insbesondere wird der Luftzerlegungsanlage 100 nur ein geringer Teil an Luftprodukten unverdampft und in flüssigem Zustand entnommen, beispielsweise in Form eines Flüssigsauerstoffstroms m.
  • Die Luftzerlegungsanlage 200 gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 im Wesentlichen durch das Fehlen des Phasentrenners 7, wobei der Zweiphasenstrom a2 zweiphasig in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist wird.
  • Die Luftzerlegungsanlage 300 gemäß Figur 3 unterscheidet sich von den Luftzerlegungsanlagen 100 und 200 gemäß Figuren 1 und 2 im Wesentlichen durch die Bereitstellung des druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts in Form zweier Fraktionen bzw. Teilströme I1 und I2, die aus dem Teilstrom I gebildet und in dem Hauptwärmetauscher 3 auf unterschiedlichen Drücken verdampft werden.
  • Die Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 unterscheidet sich von den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 gemäß Figuren 1 bis 4 im Wesentlichen dadurch, dass die zweite Teilmenge a2 (und die vierte Teilmenge a4) der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf einem Druck in einem fünften Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer weiteren Boostereinheit 41, die insbesondere von der Turbine 6 angetrieben wird (also "selbstgeboostert" ist) auf den Druck in dem fünften Druckbereich gebracht wird. Die weitere Boostereinheit 41 wird durch einen warmen Nachverdichter für Luft gebildet, das heißt durch einen Nachverdichter mit einer Eintrittstemperatur oberhalb von 273 K.
  • Die Luftzerlegungsanlage 500 gemäß Figur 5 unterscheidet sich von den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 400 gemäß Figuren 1 bis 4 im Wesentlichen dadurch, dass eine Argonausschleuskolonne 51 an sich bekannter Art verwendet wird, wie sie beispielsweise in der EP 3 067 649 A1 beschrieben ist. Aus der Argonausschleuskolonne 51 wird ein an Argon angereicherter, gasförmiger Strom s abgezogen und im Hauptwärmetauscher 3 erwärmt. Die Argonausschleuskolonne 51 wird aus der Niederdruckkolonne 12 gespeist und Sumpfflüssigkeit (jeweils ohne gesonderte Bezeichnung) wird nach Abreicherung an Argon in die Niederdruckkolonne 12 zurückgeführt. Zur Kühlung eines Kopfkondensators der Argonausschleuskolonne 51 wird Sumpfflüssigkeit aus der Hochdruckkolonne 11 verwendet, die nach teilweiser Verdampfung in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist wird
  • Unter einer "Argonausschleuskolonne" wird hier eine Trennkolonne zur Argon-Sauerstoff-Trennung bezeichnet, die nicht zur Gewinnung eines reinen Argonprodukts, sondern zur Ausschleusung von Argon aus der in Druckkolonne und Niederdruckkolonne zu zerlegenden Luft dient. Ihre Schaltung unterscheidet sich nur wenig von der einer klassischen Rohargonkolonne, allerdings enthält sie deutlich weniger theoretische Böden, nämlich weniger als 40, insbesondere zwischen 35 und 15. Wie eine Rohargonkolonne ist der Sumpfbereich einer Argonausschleuskolonne mit einer Zwischenstelle der Niederdruckkolonne verbunden und die Argonausschleuskolonne wird durch einen Kopfkondensator gekühlt, auf dessen Verdampfungsseite entspannte Sumpfflüssigkeit aus der Hochdruckkolonne eingeleitet wird; eine Argonausschleuskolonne weist keinen Sumpfverdampfer auf.
  • In den Figuren 6 und 7 sind Temperatur-Enthalpie-Diagramme des Hauptwärmetauschers 3 einer Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, beispielsweise einer Luftzerlegungsanlage 100 bis 500 gemäß den Figuren 1 bis 5, wobei jeweils eine Temperatur auf der Vertikalachse in K gegenüber einer Enthalpiesumme in kW auf der Horizontalachse aufgetragen sind und das Diagramm gemäß Figur 7 einer vergrößerten Darstellung des Diagramms gemäß Figur 6 entspricht. Die Temperaturpunkte Ta1 und Ta2 entsprechen dabei jeweils den Entnahmetemperaturniveaus der Teilströme a1 und a2.
  • Die Luftzerlegungsanlagen gemäß Figuren 1 bis 5 können selbstverständlich auch zur Gewinnung vom Niederdruck-Stickstoffprodukt (LPGAN) als Nebenproduckt der Luftzerlegung angepasst werden. Dies kann sinngemäß durch den Einsatz einer entsprechenden Trennsektion in der Niederdruckkolonne 12 erfolgen.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100), die ein Rektifikationskolonnensystem (10) mit einer Hochdruckkolonne (11) und einer Niederdruckkolonne (12) sowie einen Hauptwärmetauscher (3), eine erste Turbineneinheit (4) und eine zweite Turbineneinheit (4) aufweist, wobei
    - die Hochdruckkolonne (11) in einem ersten Druckbereich von 4 bis 7 bar betrieben wird, die Niederdruckkolonne (12) in einem zweiten Druckbereich von 1 bis 2 bar betrieben wird und zumindest ein überwiegender Anteil einer dem Rektifikationskolonnensystem (10) insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf einen Druck in einem dritten Druckbereich verdichtet wird, der mehr als 3 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt,
    - eine erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem vierten Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich der ersten Turbineneinheit (5) zugeführt, unter Verwendung der ersten Turbineneinheit (5) auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt, und in die Hochdruckkolonne (11) eingespeist wird,
    - eine zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem fünften Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich der zweiten Turbineneinheit (6) zugeführt, unter Verwendung der zweiten Turbineneinheit (6) auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich entspannt, und in die Niederdruckkolonne (12) eingespeist wird,
    - dem Rektifikationskolonnensystem (10) zur Bereitstellung des gasförmigen, druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts sauerstoffreiche Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand auf einen Druck in einem sechsten Druckbereich von 16 bis 50 bar gebracht, dem Hauptwärmetauscher (3) zugeführt, in diesem auf der Temperatur in einem dritten Temperaturbereich verdampft und aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird, wobei
    - die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem vierten Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer Boostereinheit (4) auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird,
    - die erste Turbineneinheit (5) zum Antreiben der Boostereinheit (4) verwendet wird,
    - die zweite Turbineneinheit (6) mit einem Generator (G) oder mit einem warmen Nachverdichter (41) für Luft gekoppelt ist, und
    - ein Anteil von weniger als 5% aller aus der Luftzerlegungsanlage (100) entnommener Luftprodukte der Luftzerlegungsanlage (100) unverdampft und in flüssigem Zustand entnommen werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der zweite Temperaturbereich derart gewählt wird, dass sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit (6) ein Zweiphasengemisch mit einem Flüssigkeitsanteil von 5 bis 15% bildet,
    - der dritte Temperaturbereich oberhalb des ersten Temperaturbereichs und des zweiten Temperaturbereichs liegt, und
    - sich die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich und die Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich um nicht mehr als 10 K voneinander unterscheiden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der der erste und der zweite Temperaturbereich bei 110 bis 140 K liegen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der dritte Temperaturbereich um mehr als 10 K oberhalb des zweiten Temperaturbereichs liegt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Boostereinheit (4) durch einen Kaltverdichter gebildet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge in einem ersten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher (3) abgekühlt wird, bevor sie unter Verwendung der Boostereinheit (4) auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, und bei dem die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge in einem zweiten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher (3) abgekühlt wird, nachdem sie unter Verwendung der Boostereinheit (4) auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wurde, wobei der zweite Abkühlschritt ein Abkühlen auf die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge zusammen mit der ersten Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge dem ersten Abkühlschritt, unterworfen und unter Verwendung der Boostereinheit (4) auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, wobei die dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem vierten Druckbereich in dem Hauptwärmetauscher verflüssigt, anschließend entspannt, und in die Hochdruckkolonne (11) eingespeist wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem fünften Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer weiteren Boostereinheit (41) auf den Druck in dem fünften Druckbereich gebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit (6) bildende Zweiphasengemisch einer Phasentrennung zugeführt wird und danach getrenntphasig in die Niederdruckkolonne (12) eingespeist wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit (6) bildende Zweiphasengemisch zweiphasig in die Niederdruckkolonne (12) eingespeist wird.
  10. Luftzerlegungsanlage (100), die zur Herstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts eingerichtet ist und ein Rektifikationskolonnensystem (10) mit einer Hochdruckkolonne (11) und einer Niederdruckkolonne (12) sowie einen Hauptwärmetauscher (3), eine erste Turbineneinheit (4) und eine zweite Turbineneinheit (4), eine Boostereinheit (4) und einen Generator (G) oder einen warmen Nachverdichter (41) für Luft aufweist und wobei die Luftzerlegungsanlage (100) dafür eingerichtet ist,
    - die Hochdruckkolonne (11) in einem ersten Druckbereich von 4 bis 7 bar zu betreiben, die Niederdruckkolonne (12) in einem zweiten Druckbereich von 1 bis 2 bar zu betreiben und zumindest einen überwiegenden Anteil einer dem Rektifikationskolonnensystem (10) insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf einen Druck in einem dritten Druckbereich zu verdichten, der mehr als 3 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt,
    - eine erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem vierten Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich der ersten Turbineneinheit (5) zuzuführen, unter Verwendung der ersten Turbineneinheit (5) auf einen Druck in dem ersten Druckbereich zu entspannen, und in die Hochdruckkolonne (111) einzuspeisen,
    - eine zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem fünften Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich der zweiten Turbineneinheit (6) zuzuführen, unter Verwendung der zweiten Turbineneinheit (6) auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich zu entspannen, und in die Niederdruckkolonne (12) einzuspeisen,
    - dem Rektifikationskolonnensystem (10) zur Bereitstellung des gasförmigen, druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts sauerstoffreiche Flüssigkeit zu entnehmen, in flüssigem Zustand unter Erwärmung auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich auf einen Druck in einem sechsten Druckbereich von 16 bis 50 bar zu bringen, auf der Temperatur in dem dritten Temperaturbereich in dem Hauptwärmetauscher (3) zu verdampfen und aus der Luftzerlegungsanlage (100) auszuleiten und
    - einen Anteil von weniger als 5% aller aus der Luftzerlegungsanlage (100) entnommener Luftprodukte der Luftzerlegungsanlage (100) unverdampft und in flüssigem Zustand zu entnehmen, wobei die Luftzerlegungsanlage (100) dafür eingerichtet ist, dass
    - die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem vierten Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung der Boostereinheit (4) auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird,
    - die erste Turbineneinheit (5) zum Antreiben der Boostereinheit (4) verwendet wird und
    - die zweite Turbineneinheit (6) mit dem Generator (G) oder mit dem warmen Nachverdichter (41) für Luft gekoppelt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der zweite Temperaturbereich derart einstellbar ist, dass sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit (6) ein Zweiphasengemisch mit einem Flüssigkeitsanteil von 5 bis 15% bildet,
    - die Luftzerlegungsanlage (100) durch eine Entnahme aus dem Hauptwärmetauscher (3) an geeigneten Positionen dafür eingerichtet ist, dass der dritte Temperaturbereich oberhalb des ersten Temperaturbereichs und des zweiten Temperaturbereichs liegt, und
    - die Luftzerlegungsanlage (100) dafür eingerichtet ist, dass sich die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich und die Temperatur ir dem zweiten Temperaturbereich um nicht mehr als 10 K voneinander unterscheiden.
  11. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 10, bei der die Boostereinheit (4) durch einen Kaltverdichter gebildet wird.
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