EP4409212A1 - Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft und luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft und luftzerlegungsanlage

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EP4409212A1
EP4409212A1 EP22765747.5A EP22765747A EP4409212A1 EP 4409212 A1 EP4409212 A1 EP 4409212A1 EP 22765747 A EP22765747 A EP 22765747A EP 4409212 A1 EP4409212 A1 EP 4409212A1
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EP
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pressure
range
temperature
air
column
Prior art date
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Pending
Application number
EP22765747.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel OTTE
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
    • F25J3/04296—Claude expansion, i.e. expanded into the main or high pressure column
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    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04375—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc.
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    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04375—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc.
    • F25J3/04393—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc. using multiple or multistage gas work expansion

Definitions

  • the invention relates to a method for the low-temperature separation of air and an air separation plant according to the preambles of the independent patent claims.
  • main (air) compressor/boost compressor methods MAC/BAC
  • high air pressure methods high air pressure, HAP
  • the main air compressor/boosting processes are the more conventional processes, high air pressure processes are increasingly being used as alternatives in recent times. Reference is made to the further explanations below.
  • the object of the invention is therefore to improve the process switching in high-air pressure processes in such a way that the main advantage of the high-air pressure process mentioned is retained, but advantages over main air compressor/post-compressor processes also result overall. Disclosure of Invention
  • the invention proposes a method for the low-temperature separation of air and an air separation plant according to the preambles of the independent patent claims.
  • refinements of the invention are the subject of the dependent patent claims and the following description.
  • air product is intended herein to refer to a fluid provided at least in part by the cryogenic decomposition of atmospheric air.
  • An air product according to the understanding on which this is based has one or more air gases contained in the atmospheric air in a different composition than in the atmospheric air.
  • an air product can exist or be provided in a gaseous, liquid or supercritical state and can be converted from one of these states of aggregation to another.
  • a liquid air product can be converted to the gaseous state (vaporized) or converted to the supercritical state (pseudo-vaporized) by heating to a certain pressure, depending on whether the pressure at the time of heating is below or above the critical pressure. If “vaporization” is mentioned below, this should also include a corresponding pseudo-vaporization.
  • Air separation plants have rectification column arrangements that can be designed in different ways.
  • rectification columns for obtaining nitrogen and/or oxygen in the liquid and/or gaseous state i.e. rectification columns for nitrogen-oxygen separation, which can be combined in particular in a known double column, rectification columns for obtaining other air components, in particular noble gases, or from be provided pure oxygen.
  • the rectification columns of typical rectification column arrangements are operated at different pressure levels.
  • Known double columns have a so-called pressure column (also referred to as high-pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (upper column).
  • the high-pressure column is typically operated in a pressure range from 4 to 7 bar, in particular to about 5.3 bar, whereas the low-pressure column is operated in a pressure range from typically 1 to 2 bar, in particular about 1.4 bar.
  • multi-stage turbo compressors are used to compress the input air, which are referred to here as main air compressors.
  • the mechanical structure of turbo compressors is known in principle to those skilled in the art.
  • the medium to be compressed is compressed by means of turbine blades, which are arranged on a turbine wheel or directly on a shaft.
  • a turbo compressor forms a structural unit which, however, can have several compressor stages in the case of a multi-stage turbo compressor.
  • a compressor stage generally includes a turbine wheel or a corresponding arrangement of turbine blades. All of these airends can be driven by a common shaft. However, it can also be provided that the compressor stages are driven in groups with different shafts, in which case the shafts can also be connected to one another via gears.
  • the main air compressor is further distinguished by the fact that it compresses the entire amount of air fed into the rectification column arrangement and used for the production of air products, ie the entire amount of feed air.
  • an after-compressor can also be provided, in which, however, only part of the input air quantity compressed in the main air compressor is brought to an even higher pressure.
  • This can also be designed as a turbo compressor.
  • Additional turbo compressors are typically provided for compressing partial quantities of air, which are also referred to as boosters, but compared to the main air compressor or the secondary compressor, they typically only compress to a relatively small extent, in particular in relation to the compressed quantity of air.
  • a booster can also be present in a high-air pressure process (see below), but this then compresses a subset of the input air quantity, starting from a higher pressure.
  • a cold compressor or cold booster is to be understood here as a compressor or booster, the fluid at a temperature in a temperature range is supplied significantly below the ambient temperature of the air separation plant, in particular at a temperature of less than -50 °C or -100 °C and in particular more than -150 °C or -200 °C.
  • a warm compressor or warm booster is supplied with fluid at a temperature in a temperature range of more than ⁇ 30° C., 0° C., 20° C. or 50° C. and in particular up to 100° C. or 200° C.
  • Air can also be expanded at several points in air separation plants, for which purpose, among other things, expansion machines in the form of turboexpanders, also referred to here as expansion turbines or turbines for short, can be used.
  • Turboexpanders can also be coupled to and drive turbocompressors. If one or more turbo compressors are driven without externally supplied energy, i.e. only via one or more turbo expanders, the term turbine booster is also used for such an arrangement.
  • the turboexpander (the expansion turbine) and the turbocompressor (the booster) are mechanically coupled, with the coupling being able to take place at the same speed (e.g. via a common shaft) or at different speeds (e.g. via an intermediate gearbox). If a turbine unit is discussed here, this should be understood to mean in particular an arrangement with at least one expansion turbine.
  • Main air compressor/recompressor processes are characterized in that only part of the total amount of feed air fed to the rectification column arrangement is compressed to a pressure level that is significantly, i.e. by at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar, above of the pressure level of the pressure column, and thus above the highest pressure level used in the rectification column arrangement. A further portion of the feed air quantity is only compressed to the pressure level of the pressure column or at most to a pressure level which differs therefrom by no more than 1 to 2 bar, and is fed into the pressure column at this level without expansion.
  • An example of such a main air compressor/post-compressor process is shown by Häring (see above) in Figure 2.3A.
  • the entire amount of feed air fed to the rectification column arrangement is typically compressed to a pressure level that is significantly, ie by 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar or more above the pressure level of the pressure column and thus above the highest in the pressure level used in the rectification column arrangement.
  • the pressure difference can be up to 14, 16, 18 or 20 bar or more, for example.
  • High-air pressure processes have been described many times and are known, for example, from EP 2 980 514 A1 and EP 2 963 367 A1.
  • High-air pressure processes are typically used with so-called internal compression (IV, Internal Compression, IC).
  • internal compression at least one gaseous, pressurized air product, which is provided by the air separation plant, is formed by taking a cryogenic, liquid air product from the rectification column arrangement, subjecting it to a pressure increase to a product pressure, and subjecting it to the product pressure by heating it to the gaseous or supercritical state is transferred.
  • gaseous pressurized nitrogen (GAN IV, GAN IC) and/or gaseous pressurized argon (GAR IV, GAR IC) can be produced by internal compression.
  • Internal compression offers a number of advantages over external compression, which is also possible as an alternative, and is explained, for example, by Häring (see above) in Section 2.2.5.2, "Internal Compression".
  • Lachmann turbines high-air pressure processes are known, in which the Lachmann turbines mentioned are used.
  • the air expanded in a Lachmann turbine is fed (blown) into the low-pressure column, which is why it is also referred to as an upper column expander.
  • the Lachmann turbine can be provided as a further turbine unit in addition to a turbine unit, by means of which gaseous compressed air is expanded into the pressure column, ie a Claude turbine.
  • blown-in air quantity refers to the compressed air that has been expanded using a typical Lachmann turbine (blow-in turbine) and fed (blown-in) into the low-pressure column.
  • Nitrogen-rich air products which are taken from the pressure column as pressurized nitrogen and taken out of the air separation plant, and also liquid nitrogen taken out of the air separation plant and internally compressed nitrogen taken out of the air separation plant, influence the rectification accordingly and/or and have common effects.
  • the amount of air blown into the low-pressure column by means of a Lachmann turbine plus the nitrogen taken from the pressure column and discharged from the air separation plant, plus the liquid nitrogen discharged from the air separation plant and plus the internally compressed nitrogen discharged from the air separation plant (if any) can be increased in relation to the total amount of air supplied to the rectification column arrangement.
  • the value obtained in this way is called the injection equivalent.
  • a throttle flow or Joule-Thomson flow is understood to mean an amount of air which, at least for the most part, liquefies under pressure in the main heat exchanger of an air separation plant and is then fed, in particular via a throttle valve, into the pressure column in particular.
  • a Joule-Thomson turbine can also be used instead of a throttle valve.
  • Liquid, gaseous or fluids in the supercritical state can be rich or poor in one or more components in the language used here, with “rich” for a content of at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5% , 99.9% or 99.99% and “poor” can stand for a content of at most 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis .
  • the term “predominantly” may correspond to the definition of "rich” just given, but in particular denotes a content of more than 90%. Is here For example, when we talk about "nitrogen”, it can be a pure gas, but it can also be a gas rich in nitrogen.
  • High-air pressure methods can be used in different configurations. These are often classified and differentiated according to the liquid output of the system, i.e. according to the quantity of air products provided in liquid form and removed from the system in liquid form (here also referred to as liquid products), or according to the ratio of internally compressed air products to liquid products.
  • a high air pressure process with a warm booster (driven by a turbine) and a cold booster (also driven by a turbine) provides a cost-effective An alternative to a main air compressor / booster process.
  • the maximum achievable pressure achieved by hot and cold boosters connected in series may not be high enough to optimally balance the hot and cold flows in the main heat exchanger without the pressure excessive lift at the main air compressor (resulting in an energy penalty over main air compressor/boost processes) or jeopardizing the buildability of the turbine booster assemblies.
  • main air compressor / booster With a conventional main air compressor / booster process, the process can be adapted relatively well to different product constellations, since both compressors used (main air compressor and booster) are "responsible" for functionally separate tasks.
  • the main air compressor only supplies the input air for the separation and the booster the energy for internal compression and liquid production.
  • Very good energy efficiency can be achieved through the clever connection of turbines and boosters (with/without intermediate extraction) and the use of additional throttle currents.
  • a large number of airends are necessary, which increases the investment costs.
  • the present invention provides a remedy here.
  • the tasks mentioned are fulfilled by just one compressor (supply of decomposition air and energy for internal compression and liquid production).
  • High-air pressure methods are known in which a throttle current can be generated with the aid of a cold booster and the pressure on the main air compressor can be lowered.
  • the energy efficiency is still not equivalent to that of the main air compressor/boost process.
  • the cold booster follows the warm booster. Since the warm booster usually has to compress a large quantity or the quantity ratios between the turbines and boosters have to be set in such a way that the machines can be built, the stage pressure ratio is generally less than 1.4. With cold boosters, a stage pressure ratio of up to 2 or slightly higher can be achieved. The specific speed for the turbine and booster must be within the buildable range and the speed of the machine must not be too high.
  • a corresponding process with two cold compressors connected in series is also known from US 2013/0255313 A1.
  • the invention unfolds its advantages in particular in the case of low liquid production (with less than 10% liquid withdrawal from the plant based on internal compression products), and in processes where the use of a cold compressor is reasonable and the injection equivalent is very low, but the nitrogen recovery in proportion to the oxygen product is very high
  • the solution according to the invention makes use of the fact that the injection equivalent in the sense explained above is not fully utilized in many systems and operating cases. It is known that increasing the injection equivalent can improve energy capture (using a Lachmann turbine in high air pressure and main air compressor/supercharger processes). By increasing the injection equivalent, the amount of air required to provide the required products increased exponentially, but the necessary pressure on the main air compressor reduced and thus the total energy consumption reduced. Furthermore, increasing the injection equivalent reduces the argon yield. For optimization, there is an optimum up to which the injection equivalent should (only) be exhausted.
  • the optimum injection equivalent is lower, as increasing the injection equivalent decreases the nitrogen recovery.
  • the cold booster in turn, is supplied with a partial flow of compressed and then cooled air in a warm booster.
  • a partial flow of the air compressed in the main air compressor is fed to the warm booster.
  • the partial flow compressed in the cold booster is used as high-pressure throttle flow or high-pressure Joule-Thomson flow.
  • part of the air from the main air compressor is post-compressed twice to provide the high-pressure Joule-Thomson current.
  • the injection equivalent is set optimally for the system so that the required nitrogen production can be provided.
  • the present invention leads to an improvement in the efficiency of high-air pressure circuits without loss of cost advantages or great complexity of the method. Above all, a reduction in costs can be achieved:
  • the gas load in the Low-pressure column can be reduced, which means that it can optionally be designed with a smaller column diameter.
  • the required cold booster turbine machine is one size class smaller, since significantly less air is driven through the machines.
  • a process with a cold booster driven by a Lachmann turbine which may be equivalent in terms of energy and also has the advantage of increasing the injection equivalent, results in a turbine of the appropriate size that cannot be built, since the required speed is more than 75,000 rpm lies (less air volume on the turbine, larger pressure drop of the relaxed air).
  • the energy consumption is the same.
  • the proposed process is very to moderately beneficial. It is very advantageous for systems without argon production.
  • the process according to the invention for the low-temperature separation of air is carried out using an air separation plant which has a rectification column arrangement with a pressure column and a low-pressure column, the pressure column being operated in a first pressure range and the low-pressure column being operated in a second pressure range which is below the first pressure range, and at least 90% of a total quantity of air separated in the rectification column arrangement is compressed to a pressure in a third pressure range which is more than 5 bar above the first pressure range.
  • a high-air pressure process is therefore carried out, as has been explained in detail before.
  • a subset of the total amount of air that has been separated is successively fed at a temperature in a first temperature range from -30 to 100 °C to a first booster driven by a first turbine, using the first booster from the pressure in the third pressure range to a pressure in one fourth Pressure range that is above the third pressure range, compressed, cooled to a temperature in a second temperature range of -160 to -60 °C, fed to a second booster driven with a second turbine at the temperature in the second temperature range, using the second booster compressed from the pressure in the fourth pressure range to a pressure in a fifth pressure range, which is above the fourth pressure range, cooled to a temperature in a third temperature range of -200 to -150 °C, in particular at least partially liquefied, and in fed into the pressure column.
  • gaseous nitrogen is removed from the pressure column at a pressure in the first pressure range and successively heated to a temperature in a fourth temperature range of in particular -100 °C to 50 °C, in the second turbine with cooling to a temperature in a fifth temperature range of in particular -150 °C to -40 °C relaxed to a pressure in the second pressure range, and heated to a temperature in a sixth temperature range of 0 °C to 50 °C °C. Furthermore, gaseous nitrogen is also removed from the low-pressure column and heated to the temperature in the sixth temperature range.
  • the fourth temperature range is -100 to 50°C and the fifth temperature range is -140°C to -40°C.
  • nitrogen for the nitrogen turbine used is set to the comparatively high Temperature of the fourth temperature range is heated, then relaxed, so that the temperature is set in the fifth temperature range, and then heated in particular in a separate passage in the main heat exchanger and mixed together only downstream of this heating with the low-pressure nitrogen from the low-pressure column.
  • the advantage here is that the high inlet temperature of the turbine leads to lower consumption of nitrogen to provide the necessary power for the cold booster and thus to better energy efficiency than if this expansion were carried out at a lower temperature and previously mixed with the low-pressure nitrogen .
  • the necessary turbine becomes smaller and also easier to build due to the improvement in the specific speed.
  • the higher turbine inlet temperature also reduces the amount of compressed nitrogen required, resulting in a lower injection equivalent and therefore a lower air factor than a Lachmann turbine or a compressed nitrogen turbine with a lower inlet temperature. This leads to a reduction in the required amount of air and higher air pressure, which leads to energy and cost savings in pre-cooling and the molecular sieve adsorber or regeneration capacity.
  • the main heat exchanger volume is reduced by the proposed process since the passage for low pressure nitrogen is from about 200K to 300K and not from 96 to 300K.
  • the main heat exchanger can be made significantly smaller with the same performance, since less air has to be used for the process.
  • An additional Joule-Thomson current on the main air compressor pressure leads to an improvement in the matching of the heat exchanger temperature profile and thus to better energy efficiency. A smaller amount of air has to be compressed in the warm booster so that it can be operated with a higher pressure difference.
  • the additional throttle flows have a very large energetic advantage, especially in processes with two or more different internal compression pressures of, for example, 30 bar (abs.) for gaseous oxygen and 15 bar (abs.) for gaseous oxygen or nitrogen.
  • the first pressure range is in particular 4 to 7 bar
  • the second pressure range is in particular 1 to 2 bar
  • the third pressure range is in particular 10 to 18 bar
  • the fourth pressure range is in particular in a pressure range from 1.2 times to 1.5 times the third pressure range
  • the fifth pressure range in particular in a pressure range of 1.6 times to 2.5 times the fourth pressure range.
  • a further subset of the total separated air quantity is successively fed to the first booster at the temperature in the first temperature range, compressed using the first booster from the pressure in the third pressure range to the pressure in the fourth pressure range, to the temperature in the second temperature range or a further temperature range, expanded in the first turbine to a pressure in the first pressure range and fed into the pressure column.
  • a turbine flow is advantageously formed, which is first subjected to a common compression with the high-pressure throttle flow in the warm booster. The subsequent cooling can take place to the same or a different temperature level than the cooling of the high-pressure throttle flow.
  • a method according to the present invention can also include cooling a further subset of the total amount of air separated at the pressure in the third pressure range to the temperature in the third temperature range and (as a further throttle flow) into the pressure column is fed. Benefits have already been explained.
  • the gaseous nitrogen taken from the low-pressure column and the gaseous nitrogen taken from the pressure column can be combined with one another after separate heating to the temperature in the sixth temperature range.
  • the advantages of this combination downstream of the heating have also already been explained above.
  • one or more liquids are or are advantageously removed from the rectification column arrangement, subjected to one or more internal compression, and discharged from the air separation plant in the form of one or more gaseous internal compression products.
  • the one or more gaseous internal compression products is or comprise a gaseous internal compression product produced using oxygen-rich liquid from the low pressure column.
  • no liquid products are removed from the air separation plant or one or more liquid products are removed from the air separation plant in a total amount that does not exceed 10% of a total amount of the one or more gaseous internal compression products.
  • the present invention is particularly useful in such cases of low liquid production.
  • an argon-rich liquid can be removed from the low pressure column and fed to an argon recovery system for the recovery of argon.
  • an embodiment without argon extraction can also be provided in an embodiment of the invention.
  • the air separation plant according to the invention for the low-temperature separation of air has a rectification column arrangement with a pressure column and a low-pressure column, the air separation plant being set up to operate the pressure column in a first pressure range and the low-pressure column in a second pressure range, which is below the first pressure range, and at least to compress 90% of a total amount of air separated in the rectification column arrangement to a pressure in a third pressure range which is more than 5 bar above the first pressure range.
  • the air separation plant is also set up to supply a partial quantity of the total quantity of separated air successively at a temperature in a first temperature range of -30 to 100 °C to a first booster driven by a first turbine, using the first booster from the pressure in the third pressure range to compress to a pressure in a fourth pressure range, which is above the third pressure range, to cool to a temperature in a second temperature range of -160 to -60 °C, to the temperature in the second temperature range with a second booster driven by a second turbine to deliver, using the second booster of the pressure in the to compress the fourth pressure range to a pressure in a fifth pressure range which is above the fourth pressure range, to cool it to a temperature in a third temperature range of -200 to -150° C., and to feed it into the pressure column.
  • the air separation plant according to the invention is set up to remove gaseous nitrogen from the pressure column at a pressure in the first pressure range and successively heat it to a temperature in a fourth temperature range, in the second turbine with cooling to a temperature in a fifth temperature range to a pressure in to expand the second pressure range and to heat to a temperature in a sixth temperature range of 0 to 50°C, and to withdraw gaseous nitrogen from the low-pressure column and to heat to the temperature in the sixth temperature range.
  • the air separation plant is set up to heat the gaseous nitrogen removed from the low-pressure column separately from the gaseous nitrogen removed from the pressure column to the temperature in the sixth temperature range, with the fourth temperature range being from -100 to 50 °C and the fifth temperature range from -150 to -40 °C.
  • the air separation plant proposed according to the invention is set up in particular to carry out a method as has been explained above in the configurations. Reference is therefore expressly made to the above explanations regarding the methods according to the invention and their advantageous configurations.
  • FIG. 1 illustrates an air separation plant according to an advantageous embodiment of the present invention. Elements that correspond structurally or functionally to one another are indicated in the figure with identical reference symbols and are not explained again for the sake of clarity. Explanations relating to plants and plant components apply in the same way to corresponding processes and process steps.
  • FIG. 1 an air separation plant according to an embodiment of the present invention is illustrated in the form of a simplified process flow diagram and is denoted overall by 100 .
  • air is sucked in by means of a main air compressor 2 via a filter 1 and is compressed to a suitable pressure level.
  • a pre-cooling device 3 After pre-cooling in a pre-cooling device 3, the compressed air stream A formed in this way is freed from residual water and carbon dioxide in a pre-cleaning unit 4, which can be configured in a manner known per se.
  • a pre-cleaning unit 4 For the design of the components mentioned, reference is made to the specialist literature cited at the outset.
  • the compressed air flow which is also designated A
  • A is now divided into two partial flows B and C, of which partial flow B is fed as a Joule-Thomson flow from the warm to the cold end through a main heat exchanger 4 and fed into the pressure column 11 of a rectification column arrangement 10 becomes.
  • the partial flow C is first boosted in a warm booster 6 (previously described as the "first" booster), to which it is fed at a temperature in a corresponding temperature range (previously "first” temperature range), and then cooled in the main heat exchanger 4 .
  • partial streams D and E are formed after removal from the main heat exchanger 4 at a temperature in a corresponding temperature range (previously “second” temperature range).
  • extraction from the main heat exchanger 4 can also take place at different temperatures.
  • the partial stream D is now pressure-increased further in a cold booster (previously “second” booster), then cooled in the main heat exchanger 4 to a temperature in a cold-side temperature range (previously “third” temperature range) and fed into the pressure column as a high-pressure Joule-Thomson stream 11 fed.
  • the partial flow E is expanded in the turbine coupled to the first booster 6 (previously “first” turbine) and is also fed into the pressure column 11 . Also a Substream F of substream C is fed into the pressure column 11 (as a further Joule-Thomson stream).
  • Nitrogen is withdrawn from the pressure column 11 in the form of a substance stream G, heated in the main heat exchanger 4 to a temperature in a suitable or advantageous temperature range (previously "fourth” temperature range), in the turbine coupled to the second booster 8 (previously “second” Turbine) with cooling to a temperature in a corresponding temperature range (previously "fifth” temperature range) and then heated again in the main heat exchanger 4 to a temperature in a temperature range on the warm side of the main heat exchanger 4 (previously "sixth” temperature range).
  • Gaseous nitrogen in the form of a stream H is removed from the low-pressure column 12 and heated to the temperature in the sixth temperature range. After heating, it is combined with material flow H to form a corresponding collective flow I.
  • the pressure column 11 is connected in the rectification column arrangement 10 to the low-pressure column 12 via a main condenser 13 in a heat-exchanging manner.
  • the rectification column system 10 is associated with a supercooling counterflow 14 .
  • Denoted at 15 is an internal compression pump.
  • the air separation plant 100 can have an argon recovery unit (not shown here) designed in a known manner.
  • the pressure column 11 is fed here with cooled, pressurized and optionally liquefied air from streams B, D, E and F.
  • Liquid in the form of a stream K is withdrawn from the pressure column 11 immediately downstream of the feed point of the stream F, passed through the supercooling countercurrent 14 and fed into the low-pressure column 12 .
  • the low-pressure column 12 is also fed with liquid that is enriched in oxygen compared to the feed in the form of a bottoms liquid stream L from the pressure column 11, which has also previously been passed through the subcooling countercurrent flow device 14. Additional top gas from the pressure column 11 is passed through the main condenser 13 .
  • the main condenser 13 is operated in a known manner, with a stream M in particular also being transferred to the low-pressure column 12 .
  • Impure nitrogen can from the low-pressure column 12 in the form of a stream h, pure low-pressure nitrogen can be drawn off in the form of a stream g.
  • Oxygen-rich bottom liquid is withdrawn from the low-pressure column 12 in the form of a stream N and pressurized in the internal compression pump 15 as a liquid. After evaporation in the main heat exchanger, a partial flow O can be provided as a gaseous internal compression product. Another partial flow P can be supercooled in the supercooling counterflow 14 and discharged from the air separation plant 100 in liquid form.
  • Liquid can also be collected at the top of the low-pressure column 12 and discharged in the form of a stream Q as a liquid nitrogen product.
  • An impure nitrogen stream R can be withdrawn from the low pressure column 12 and used in a known manner.

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Abstract

Zur Tieftemperaturzerlegung wird eine zur Durchführung eines Hochluftdruck-Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage (100) verwendet, wobei der Druckkolonne (11 ) Stickstoff entnommen, in einer mit einem Kaltbooster (8) gekoppelten Turbine (9) entspannt und erwärmt wird. Separat zu dem Stickstoff, der der Druckkolonne (11) entnommen wird, wird der Niederdruckkolonne (12) Stickstoff entnommen und auf dieselbe Temperatur erwärmt. Vor der Entspannung in der mit dem Kaltbooster (8) gekoppelten Turbine (9) wird der der Druckkolonne (11 ) entnommene Stickstoff auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich von -100 bis 50 °C erwärmt. Er kühlt sich bei der Entspannung auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich von -150 bis -40 °C ab und wird danach wieder erwärmt. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und Luftzerlegungsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine Luftzerlegungsanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Hintergrund
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. Sofern nicht ausdrücklich abweichend definiert, besitzen die nachfolgend verwendeten Begriffe den in der Fachliteratur üblichen Bedeutungsgehalt.
Zur Luftzerlegung können bekanntermaßen sogenannte Haupt(luft)verdichter/Nachverdichter-Verfahren (Main Air Compressor/Booster Air Compressor, MAC/BAC) oder sogenannte Hochluftdruck-Verfahren (High Air Pressure, HAP) eingesetzt werden. Bei den Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zum Einsatz. Auf die weiteren Erläuterungen unten wird verwiesen.
Wie ebenfalls unten erläutert, erweisen sich Hochluftdruck-Verfahren ungeachtet ihrer Vorteile, insbesondere der Verringerung der Anzahl an drehenden Maschinen und damit der geringeren Baukosten, für bestimmte Produktkonstellationen als nachteilig gegenüber Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Verfahrensschaltung bei Hochluftdruck-Verfahren so zu verbessern, dass der genannte Hauptvorteil der Hochluftdruck-Verfahren erhalten bleibt, sich aber auch in einer Gesamtbetrachtung Vorteile gegenüber Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren ergeben. Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine Luftzerlegungsanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
Es werden zunächst weitere Grundlagen der Erfindung näher erläutert und zur Beschreibung der Erfindung verwendete Begriffe definiert.
So soll sich der Begriff Luftprodukt hier insbesondere 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 Rektifikationskolonnenanordnungen auf, die unterschiedlich ausgestaltet sein können. Neben Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, die insbesondere in einer bekannten Doppelkolonne zusammengefasst sein können, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen, oder von Reinsauerstoff vorgesehen sein.
Die Rektifikationskolonnen typischer Rektifikationskolonnenanordnungen werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelkolonnen weisen eine sogenannte Druckkolonne (auch als Hochdruckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (obere Kolonne) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise in einem Druckbereich von 4 bis 7 bar, insbesondere auf ca. 5,3 bar, betrieben, die Niederdruckkolonne dagegen in einem Druckbereich von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere bei ca. 1 ,4 bar.
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 die Rektifikationskolonnenanordnung 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 als 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 (s.u.) 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 -50 °C oder -100 °C und insbesondere mehr als -150 °C oder -200 °C zugeführt wird. Einem Warmverdichter bzw. Warmbooster wird dagegen Fluid auf einer Temperatur in einem Temperaturbereich von mehr als -30 °C, 0 °C, 20 °C oder 50 °C und insbesondere bis zu 100 °C oder 200 °C zugeführt.
An mehreren Stellen in Luftzerlegungsanlagen kann ferner Luft entspannt werden, wozu unter anderem Entspannungsmaschinen in Form von Turboexpandern, hier auch als Entspannungsturbinen oder kurz Turbinen 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.
Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der der Rektifikationskolonnenanordnung insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet wird, das wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, oberhalb des Druckniveaus der Druckkolonne, und damit über dem höchsten in der Rektifikationskolonnenanordnung verwendeten Druckniveau, liegt. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf das Druckniveau der Druckkolonne oder höchstens auf ein Druckniveau, das sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar hiervon unterscheidet, verdichtet, und auf diesem ohne Entspannung in die Druckkolonne eingespeist. Ein Beispiel für ein derartiges Hauptluftverdichter/Nachverdichter- Verfahren ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt.
Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen typischerweise die gesamte der Rektifikationskolonnenanordnung insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet, das wesentlich, d.h. um 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar oder mehr oberhalb des Druckniveaus der Druckkolonne und damit über dem höchsten in der Rektifikationskolonnenanordnung verwendeten Druckniveau, liegt. Der Druckunterschied kann beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar oder mehr betragen. Hochluftdruck-Verfahren sind vielfach beschrieben worden und 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 der Rektifikationskolonnenanordnung 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.
In typischen Luftzerlegungsanlagen sind zur Kälteerzeugung und Verflüssigung von Stoffströmen an unterschiedlichen Stellen entsprechende Entspannungsturbinen vorhanden. Hierbei handelt es sich insbesondere um Claude-Turbinen und Lachmann- Turbinen sowie ggf. um 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.
Bekannt sind insbesondere Hochluftdruck-Verfahren, in denen die erwähnten Lachmann-Turbinen eingesetzt werden. Die in einer Lachmannturbine entspannte Luft wird in die Niederdruckkolonne eingespeist (eingeblasen), weshalb diese auch als Einblaseturbine (engl. auch Upper Column Expander) bezeichnet wird. Die Lachmannturbine kann dabei als weitere Turbineneinheit neben einer Turbineneinheit, mittels derer gasförmige Druckluft in die Druckkolonne entspannt wird, also einer Claude-Turbine, bereitgestellt sein. Der Begriff der eingeblasenen Luftmenge bezieht sich auf die mit einer typischen Lachmann-Turbine (Einblaseturbine) entspannte und in die Niederdruckkolonne eingespeiste (eingeblasene) Druckluft. Die auf diese Weise in die Niederdruckkolonne entspannte Luft stört die Rektifikation, weshalb die Menge der in der Einblaseturbine entspannbaren Luft und damit die für eine entsprechende Anlage auf diese Weise erzeugbare Kälte begrenzt sind. Auch stickstoffreiche Luftprodukte, die der Druckkolonne als Druckstickstoff entnommen und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt werden, und auch aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführter Flüssigstickstoff sowie aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführter innenverdichteter Stickstoff beeinflussen die Rektifikation entsprechend und/oder und weisen gemeinsame Effekte auf.
Die Menge der in die Niederdruckkolonne mittels einer Lachmann-Turbine eingeblasenen Luft zuzüglich des der Druckkolonne entnommenen und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführten Stickstoffs sowie zuzüglich des aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführten Flüssigstickstoffs sowie zuzüglich des aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführten innenverdichteten Stickstoffs (soweit jeweils vorhanden) kann im Verhältnis zur gesamten, der Rektifikationskolonnenanordnung zugeführten Luftmenge angegeben werden. Der auf diese Weise erhaltene Wert wird als Einblaseäquivalent bezeichnet.
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 Druckkolonne 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" die Rede, kann es sich um ein Reingas, aber auch ein an Stickstoff reiches Gas handeln.
Merkmale und Vorteile der Erfindung
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 (hier auch als Flüssigprodukte bezeichnet), bzw. nach dem Verhältnis von innenverdichteten Luftprodukten zu Flüssigprodukten klassifiziert und unterschieden.
Bei einer geringen Menge an Flüssigprodukten bzw. dann, wenn keine Flüssigprodukte gebildet werden, und bei bestimmten Innenverdichtung stellt ein Hochluftdruck- Verfahren mit einem Warmbooster (der von einer Turbine angetrieben wird) und einem Kaltbooster (der ebenfalls von einer Turbine angetrieben wird) eine kostengünstige Alternative zu einem Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren dar. Jedoch ist der maximal zu erreichende Druck, welcher durch in Reihe geschaltete Warm- und Kaltbooster erreicht wird, unter Umständen nicht hoch genug, um die warmen und kalten Ströme im Hauptwärmetauscher optimal abzugleichen, ohne den Druck am Hauptluftverdichter übermäßig stark anzuheben (dies führt zu einem Energienachteil gegenüber Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren) oder die Baubarkeit der Turbinenboosteranordnungen zu gefährden.
Mit einem konventionellen Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren kann der Prozess relativ gut auf verschiedene Produktkonstellationen angepasst werden, da beide eingesetzte Verdichter (Hauptluftverdichter und Nachverdichter) für funktional getrennte Aufgaben "zuständig" sind. Der Hauptluftverdichter liefert im Prinzip nur die Einsatzluft für die Zerlegung und der Nachverdichter die Energie zur Innenverdichtung und Flüssigproduktion. Durch geschickte Verschaltung von Turbinen und Nachverdichter (mit/ohne Zwischenentnahme) sowie Verwendung von zusätzlichen Drosselströmen kann eine sehr gute Energieeffizienz erreicht werden. Im Allgemeinen sind jedoch eine hohe Anzahl an Verdichterstufen notwendig, was die Investitionskosten erhöht. Die vorliegende Erfindung schafft hier Abhilfe. Bei einem Hochluftdruck-Verfahren werden die genannten Aufgaben von nur einem Verdichter erfüllt (Lieferung von Zerlegungsluft und Energie zur Innenverdichtung und Flüssigproduktion). Somit muss die gesamte Einsatzluft auf einen hohen Druck verdichtet werden, um einen guten Abgleich zwischen kalten und warmen Strömen im Hauptwärmetauscher zu erzielen. Der hohe Druck muss durch die Turbinenbooster und Hauptluftverdichter bereitgestellt werden. In einigen Fällen, v.a. bei Produktkonstellationen mit keiner oder nur wenig Flüssigproduktion, ist ein effizienter Abgleich nur schwierig zu realisieren, ohne die Baubarkeit der Boosterturbinen zu gefährden oder den Druck am Hauptluftverdichter sehr stark anzuheben.
Es sind Hochluftdruck-Verfahren bekannt, bei denen mit Hilfe eines Kaltboosters ein Drosselstrom erzeugt und der Druck am Hauptluftverdichter abgesenkt werden kann. Jedoch ist die Energieeffizienz gegenüber Hauptluftverdichter/Nachverdichter- Verfahren trotzdem nicht gleichwertig. Hierbei ist der Kaltbooster dem Warmbooster nachgeschaltet. Da der Warmbooster meist eine große Menge verdichten muss oder die Mengenverhältnisse zwischen den Turbinen und Boostern so eingestellt werden müssen, dass die Maschinen baubar sind, ist das Stufendruckverhältnis in der Regel geringer als 1 ,4. Bei Kaltboostern kann ein Stufendruckverhältnis von bis zu 2 oder etwas höher erreicht werden. Die spezifische Drehzahl für Turbine und Booster muss im baubaren Bereich liegen und die Drehzahl der Maschine darf nicht zu hoch liegen. Ein entsprechender Prozess mit zwei in Reihe geschalteten Kaltverdichtern ist ferner aus der US 2013/0255313 A1 bekannt.
Die Erfindung entfaltet ihre Vorteile insbesondere im Fall einer niedrigen Flüssigproduktion (mit weniger als 10% Flüssigkeitsentnahme aus der Anlage, bezogen auf Innenverdichtungsprodukte), und in Verfahren, in denen der Einsatz eines Kaltverdichters sinnvoll ist und das Einblaseäquivalent sehr niedrig, jedoch die Stickstoffausbeute im Verhältnis zum Sauerstoffprodukt sehr hoch ist
Die erfindungsgemäße Lösung nutzt aus, dass das Einblaseäquivalent im oben erläuterten Sinn bei vielen Anlagen und Betriebsfällen nicht vollständig ausgenutzt wird. Es ist bekannt, dass eine Erhöhung des Einblaseäquivalents die Energieaufnahme verbessern kann (Verwendung einer Lachmann-Turbine bei Hochluftdruck- und Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren). Durch eine Erhöhung des Einblaseäquivalents wird die benötigte Luftmenge zur Bereitstellung der geforderten Produkte exponentiell erhöht, jedoch der notwendige Druck am Hauptluftverdichter reduziert und somit die Gesamtenergieaufnahme reduziert. Im Weiteren reduziert eine Erhöhung des Einblaseäquivalents die Argonausbeute. Zur Optimierung existiert ein Optimum, bis zu welchem das Einblaseäquivalent (nur) ausgereizt werden sollte.
Bei Anlagen mit hoher Stickstoffproduktion ist das Optimum des Einblaseäquivalents niedriger, da eine Erhöhung des Einblaseäquivalents die Stickstoffausbeute verringert.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist nun die, das Einblaseäquivalent dadurch auszureizen, dass zusätzliche Druckstickstoffmenge aus der Druckkolonne bei deren Betriebsdruck entnommen wird. Diese Druckstickstoffmenge wird der Turbine, welche einen Kaltbooster antreibt, zugeführt (nachdem sie zuvor im Hauptwärmetauscher erwärmt wurde) und auf den Druck unterhalb der Niederdruckkolonne (bzw. auf den Druck am Kopf der Niederdruckkolonne entnommenen Reinstickstoffs) entspannt. Der auf diese Weise entspannte Stickstoffstrom wird nun im Hauptwärmetauscher angewärmt und dem Reinstickstoff vom Kopf der Niederdruckkolonne, insbesondere vor der Verdichtung desselben in einem externen Stickstoffverdichter, zugeführt.
Dem Kaltbooster wiederum wird ein Teilstrom in einem Warmbooster verdichteter und danach abgekühlter Luft zugeführt. Dem Warmbooster wiederum wird ein Teilstrom der im Hauptluftverdichter verdichteten Luft zugeführt. Der im Kaltbooster verdichtete Teilstrom wird als Hochdruck-Drosselstrom bzw. Hochdruck-Joule-Thomson-Strom verwendet. So wird ein Teil der Luft des Hauptluftverdichters also zweimal nachverdichtet, um den Hochdruck-Joule-Thomson-Strom bereitzustellen. Das Einblaseäquivalent wird auf diese Weise optimal für die Anlage eingestellt, sodass die geforderte Stickstoffproduktion bereitgestellt werden kann.
Die vorliegende Erfindung führt bei einer Gesamtbetrachtung (Total Cost of Ownership, TCO) zu einer Verbesserung der Effizienz von Hochluftdruck-Verschaltungen, ohne Verlust der Kostenvorteile oder starker Komplexisierung des Verfahrens. Es kann v.a. eine Verringerung der Kosten erreicht werden:
Durch Erhöhung des Einblaseäquivalents (hier durch Entnahme von Druckstickstoff aus der Druckkolonne) kann die Gasbelastung in der Niederdruckkolonne verringert werden, wodurch diese ggf. mit geringerem Kolonnendurchmesser ausgebildet werden kann.
• Im Vergleich zu einem möglicherweise energetisch gleichwertigen Kaltbooster- Verfahren mit selbstgeboosterter Turbine ist die notwendige Kaltbooster- Turbinen-Maschine um eine Größenklasse kleiner, da deutlich weniger Luft durch die Maschinen gefahren wird.
• Ein möglicherweise energetisch gleichwertiges und auch mit dem Vorteil der Erhöhung des Einblaseäquivalents ausgestaltetes Verfahren mit einem über eine Lachmann-Turbine angetriebenen Kaltboosters hat bei entsprechenden Größenordnungen der Anlage eine Turbine zur Folge, welche nicht baubar ist, da die notwendige Drehzahl bei mehr als 75.000 rpm liegt (weniger Luftmenge auf Turbine, Größeres Druckgefälle der entspannten Luft).
Bei einer konservativen Rechnung des vorgeschlagenen Verfahrens im Vergleich zu den konventionellen Hochluftdruck-Kaltbooster Verfahren ist die Energieaufnahme gleich. Je nach Argon- und Energiebewertung und notwendigen Luftprodukten ist das vorgeschlagene Verfahren sehr bis mäßig vorteilhaft. Bei Anlagen ohne Argonproduktion ist es sehr vorteilhaft.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft erfolgt unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage, die eine Rektifikationskolonnenanordnung mit einer Druckkolonne und einer Niederdruckkolonne aufweist, wobei die Druckkolonne in einem ersten Druckbereich und die Niederdruckkolonne in einem zweiten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs liegt, betrieben wird, und zumindest 90% einer in der Rektifikationskolonnenanordnung insgesamt zerlegten Luftmenge auf einen Druck in einem dritten Druckbereich, der mehr als 5 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt, verdichtet wird. Es wird also ein Hochluftdruck- Verfahren durchgeführt, wie es zuvor im Detail erläutert wurde.
Eine Teilmenge der insgesamt zerlegten Luftmenge wird dabei nacheinander auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich von -30 bis 100 °C einem mit einer ersten Turbine angetriebenen ersten Booster zugeführt, unter Verwendung des ersten Boosters von dem Druck in dem dritten Druckbereich auf einen Druck in einem vierten Druckbereich, der oberhalb des dritten Druckbereichs liegt, verdichtet, auf eine Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich von -160 bis -60 °C abgekühlt, auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich einem mit einer zweiten Turbine angetriebenen zweiten Booster zugeführt, unter Verwendung des zweiten Boosters von dem Druck in dem vierten Druckbereich auf einen Druck in einem fünften Druckbereich, der oberhalb des vierten Druckbereichs liegt, verdichtet, auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich von -200 bis -150 °C abgekühlt, dabei insbesondere zumindest zum Teil verflüssigt, und in die Druckkolonne eingespeist. Es handelt sich hierbei insbesondere um einen Hochdruck-Joule-Thomson-Strom, der neben einem weiteren, auf dem Druck in dem dritten Druckbereich bereitgestellten, Joule-Thomson-Strom eingesetzt werden kann. Sämtliche hier und nachfolgend erläuterten Abkühlschritte können - sofern sich eine Abkühlung nicht schon bereits durch eine Entspannung ergibt - unter Verwendung des Hauptwärmetauschers durchgeführt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Druckkolonne gasförmiger Stickstoff auf einem Druck in dem ersten Druckbereich entnommen und nacheinander auf eine Temperatur in einem vierten Temperaturbereich von insbesondere -100 °C bis 50 °C erwärmt, in der zweiten Turbine unter Abkühlung auf eine Temperatur in einem fünften Temperaturbereich von insbesondere -150 °C bis -40 °C auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich entspannt, und auf eine Temperatur in einem sechsten Temperaturbereich von 0 °C bis 50 °C °C erwärmt. Ferner wird auch der Niederdruckkolonne gasförmiger Stickstoff entnommen und auf die Temperatur in dem sechsten Temperaturbereich erwärmt.
Erfindungsgemäß, und beispielsweise in Abgrenzung zum Stand der Technik wie insbesondere der US 9,945,606 B2, wird der der Niederdruckkolonne entnommene gasförmige Stickstoff separat von dem der Druckkolonne entnommenen gasförmigen Stickstoff, d.h. insbesondere in gesonderten Wärmetauscherpassagen des Hauptwärmetauschers, auf die Temperatur in dem sechsten Temperaturbereich erwärmt, und der vierte Temperaturbereich liegt bei -100 bis 50 °C und der fünfte Temperaturbereich bei -140°C bis -40°C.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird, mit anderen Worten, Stickstoff für die eingesetzte Stickstoffturbine (also die zweite Turbine) auf die vergleichsweise hohe Temperatur des vierten Temperaturbereichs angewärmt, dann entspannt, so dass sich die Temperatur in dem fünften Temperaturbereich einstellt, und dann insbesondere in einer separaten Passage im Hauptwärmetauscher angewärmt und erst stromab dieser Erwärmung mit dem Niederdruck-Stickstoff von der Niederdruckkolonne zusammengemischt. Der Vorteil besteht hierbei darin, dass die hohe Eintrittstemperatur der Turbine zu einem geringeren Verbrauch an Stickstoff zur Bereitstellung der notwendigen Leistung für den Kaltbooster und damit zu einer besseren Energieeffizienz führt, als wenn diese Entspannung bei geringerer Temperatur und eine vorherige Vermischung mit dem Niederdruck-Stickstoff.
Durch die höhere Turbineneintrittstemperatur bzw. die Verringerung der Menge wird die notwendige Turbine kleiner und auch baubarer durch Verbesserung der spezifischen Drehzahl. Durch die höhere Turbineneintrittstemperatur wird ferner die notwendige Druckstickstoffmenge reduziert, was zu einem geringeren Einblaseäquivalent führt und damit zu einem geringeren Luftfaktor als bei einer Lachmann-Turbine oder einer Druckstickstoffturbine mit niedrigerer Eintrittstemperatur. Dies führt zu einer Verringerung der notwendigen Luftmenge und höherem Luftdruck, was zu Energie und Kosteneinsparung bei der Vorkühlung sowie dem Molsiebadsorber bzw. der Regenerierleistung führt.
Das Hauptwärmetauschervolumen wird durch den vorgeschlagenen Prozess geringer, da die Passage für Niederdruckstickstoff von ca. 200 K bis 300 K und nicht von 96 bis 300 K verläuft. Im Gegensatz zu einem Verfahren mit Lachmann- oder kalter Druckstickstoffturbine kann bei gleicher Leistung der Hauptwärmetauscher deutlich kleiner ausgebildet werden, da weniger Luft für den Prozess verwendet werden muss. Ein zusätzlicher Joule-Thomson-Strom auf dem Druck des Hauptluftverdichters, wie gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, führt zur Verbesserung des Abgleichs des Wärmetauschertemperaturprofils und damit einer besseren Energieeffizienz. Im Warmbooster muss eine geringere Luftmenge verdichtet werden, so dass dieser mit höherer Druckdifferenz betrieben werden kann. Die zusätzlichen Drosselströme haben v.a. bei Prozessen mit zwei oder mehreren unterschiedlichen Innenverdichtungsdrücken von beispielsweise 30 bar (abs.) für gasförmigen Sauerstoff und 15 bar (abs.) für gasförmigen Sauerstoff bzw. Stickstoff einen sehr großen energetischen Vorteil. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt der erste Druckbereich insbesondere bei 4 bis 7 bar, der zweite Druckbereich insbesondere bei 1 bis 2 bar, der dritte Druckbereich insbesondere bei 10 bis 18 bar, der vierte Druckbereich insbesondere in einem Druckbereich vom 1 ,2-fachen bis 1 ,5-fachen des dritten Druckbereichs und der fünfte Druckbereich insbesondere in einem Druckbereich von 1 ,6-fachen bis 2,5-fachen des vierten Druckbereichs.
Vorteilhafterweise wird eine weitere Teilmenge der insgesamt zerlegten Luftmenge nacheinander auf der Temperatur in dem ersten Temperaturbereich dem ersten Booster zugeführt, unter Verwendung des ersten Boosters von dem Druck in dem dritten Druckbereich auf den Druck in dem vierten Druckbereich verdichtet, auf die Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich oder einem weiteren Temperaturbereich abgekühlt, in der ersten Turbine auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt und in die Druckkolonne eingespeist wird. Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise ein Turbinenstrom gebildet, der zunächst einer gemeinsamen Verdichtung mit dem Hochdruck-Drosselstrom in dem Warmbooster unterworfen wird. Die anschließende Abkühlung kann auf dasselbe oder ein anderes Temperaturniveau als die Abkühlung des Hochdruck-Drosselstroms erfolgen.
Wie erwähnt, kann ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung auch umfassen, dass eine weitere Teilmenge der insgesamt zerlegten Luftmenge auf dem Druck in dem dritten Druckbereich auf die Temperatur in dem dritten Temperaturbereich abgekühlt und (als weiterer Drosselstrom) in die Druckkolonne eingespeist wird. Vorteile wurden bereits erläutert.
Der der Niederdruckkolonne entnommene gasförmige Stickstoff und der der Druckkolonne entnommene gasförmige Stickstoff können nach der separaten Erwärmung auf die Temperatur in dem sechsten Temperaturbereich miteinander vereinigt werden. Die Vorteile dieser Vereinigung stromab der Erwärmung wurden ebenfalls bereits oben erläutert.
In dem Verfahren wird bzw. werden der Rektifikationskolonnenanordnung vorteilhafterweise eine oder mehrere Flüssigkeiten entnommen, einer oder jeweils einer Innenverdichtung unterworfen, und in Form eines oder mehrerer gasförmiger Innenverdichtungsprodukte aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet. Das eine oder die mehreren gasförmigen Innenverdichtungsprodukte ist bzw. umfassen vorteilhafterweise ein unter Verwendung von sauerstoffreicher Flüssigkeit aus der Niederdruckkolonne hergestelltes gasförmiges Innenverdichtungsprodukt.
Vorteilhafterweise werden der Luftzerlegungsanlage keine Flüssigprodukte entnommen oder der Luftzerlegungsanlage wird bzw. werden ein oder mehrere Flüssigprodukte in einer Gesamtmenge entnommen, die einen Anteil an 10% einer Gesamtmenge des einen oder der mehreren gasförmigen Innenverdichtungsprodukte nicht überschreitet. Wie erwähnt, eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere für solche Fälle einer geringen Flüssigkeitsproduktion.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der Niederdruckkolonne eine argonreiche Flüssigkeit entnommen und einem Argongewinnungssystem zur Gewinnung von Argon zugeführt werden. Auch eine Ausgestaltung ohne eine Argongewinnung kann in einer Ausgestaltung der Erfindung jedoch vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft weist eine Rektifikationskolonnenanordnung mit einer Druckkolonne und einer Niederdruckkolonne auf, wobei die Luftzerlegungsanlage eingerichtet ist, die Druckkolonne in einem ersten Druckbereich und die Niederdruckkolonne in einem zweiten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs liegt, zu betreiben, und zumindest 90% einer in der Rektifikationskolonnenanordnung insgesamt zerlegten Luftmenge auf einen Druck in einem dritten Druckbereich, der mehr als 5 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt, zu verdichten.
Die Luftzerlegungsanlage ist ferner dafür eingerichtet, eine Teilmenge der insgesamt zerlegten Luftmenge nacheinander auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich von -30 bis 100 °C einem mit einer ersten Turbine angetriebenen ersten Booster zuzuführen, unter Verwendung des ersten Boosters von dem Druck in dem dritten Druckbereich auf einen Druck in einem vierten Druckbereich, der oberhalb des dritten Druckbereichs liegt, zu verdichten, auf eine Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich von -160 bis -60 °C abzukühlen, auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich einem mit einer zweiten Turbine angetriebenen zweiten Booster zuzuführen, unter Verwendung des zweiten Boosters von dem Druck in dem vierten Druckbereich auf einen Druck in einem fünften Druckbereich, der oberhalb des vierten Druckbereichs liegt, zu verdichten, auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich von -200 bis -150 °C abgekühlt, und in die Druckkolonne einzuspeisen.
Ferner ist die erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet, der Druckkolonne gasförmigen Stickstoff auf einem Druck in dem ersten Druckbereich zu entnehmen und nacheinander auf eine Temperatur in einem vierten Temperaturbereich zu erwärme, in der zweiten Turbine unter Abkühlung auf eine Temperatur in einem fünften Temperaturbereich auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich zu entspannen, und auf eine Temperatur in einem sechsten Temperaturbereich von 0 bis 50 °C zu erwärmen, und der Niederdruckkolonne gasförmigen Stickstoff zu entnehmen und auf die Temperatur in dem sechsten Temperaturbereich zu erwärmen.
Die Luftzerlegungsanlage ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, den der Niederdruckkolonne entnommene gasförmige Stickstoff separat von dem der Druckkolonne entnommenen gasförmigen Stickstoff auf die Temperatur in dem sechsten Temperaturbereich zu erwärmen, wobei der vierte Temperaturbereich bei -100 bis 50 °C und der fünfte Temperaturbereich bei -150 bis -40 °C liegt.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Luftzerlegungsanlage ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor in Ausgestaltungen erläutert wurde. Auf die obigen Erläuterungen bezüglich der erfindungsgemäßen Verfahren und ihrer vorteilhaften Ausgestaltungen sei daher ausdrücklich verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die die bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Figurenbeschreibung
Figur 1 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. In der Figur sind einander baulich oder funktional entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Anlagen und Anlagenkomponenten betreffende Erläuterungen gelten für entsprechende Verfahren und Verfahrensschritte in gleicher Weise.
In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form eines vereinfachten Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet.
In der Luftzerlegungsanlage 100 wird Luft mittels eines Hauptluftverdichters 2 über einen Filter 1 angesaugt und auf ein geeignetes Druckniveau verdichtet. Der auf diese Weise gebildete Druckluftstrom A wird nach Vorkühlung in einer Vorkühleinrichtung 3 in einer Vorreinigungseinheit 4, die in an sich bekannter Art ausgestaltet sein kann, von Restwasser und Kohlendioxid befreit. Zur Ausgestaltung der angesprochenen Komponenten sei auf die eingangs zitierte Fachliteratur verwiesen.
Der weiter mit A bezeichnete Druckluftstrom wird nun im hier veranschaulichten Beispiel in zwei Teilströme B und C aufgeteilt, von denen der Teilstrom B als Joule- Thomson-Strom vom warmen zum kalten Ende durch einen Hauptwärmetauscher 4 geführt und in die Druckkolonne 11 einer Rektifikationskolonnenanordnung 10 eingespeist wird. Der Teilstrom C wird erst in einem Warmbooster 6 (zuvor als "erster" Booster beschrieben) geboostert, dem er auf einer Temperatur in einem entsprechenden Temperaturbereich (zuvor "erster" Temperaturbereich) zugeführt wird, und dann im Hauptwärmetauscher 4 abgekühlt. In der Ausgestaltung gemäß Figur 1 werden nach Entnahme aus dem Hauptwärmetauscher 4 auf einer Temperatur in einem entsprechenden Temperaturbereich (zuvor "zweiter" Temperaturbereich) Teilströme D und E gebildet. Es kann jedoch auch eine Entnahme auf unterschiedlichen Temperaturen aus dem Hauptwärmetauscher 4 erfolgen.
Der Teilstrom D wird nun in einem Kaltbooster (zuvor "zweiter" Booster) weiter druckerhöht, danach im Hauptwärmetauscher 4 auf eine Temperatur in einem kaltseitigen Temperaturbereich (zuvor "dritter" Temperaturbereich) abgekühlt und als ein Hochdruck-Joule-Thomson-Strom in die Druckkolonne 11 eingespeist. Der Teilstrom E wird in der mit dem ersten Booster 6 gekoppelten Turbine (zuvor "erste" Turbine) entspannt und ebenfalls in die Druckkolonne 11 eingespeist. Auch ein Teilstrom F des Teilstroms C wird (als weiterer Joule-Thomson-Strom) in die Druckkolonne 11 eingespeist.
Stickstoff wird in Form eines Stoffstroms G aus der Druckkolonne 11 abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher 4 auf eine Temperatur in einem geeigneten bzw. vorteilhaften Temperaturbereich (zuvor "vierter" Temperaturbereich) erwärmt, in der mit dem zweiten Booster 8 gekoppelten Turbine (zuvor "zweite" Turbine) unter Abkühlung auf eine Temperatur in einem entsprechenden Temperaturbereich (zuvor "fünfter" Temperaturbereich) auf entspannt, und danach erneut in dem Hauptwärmetauscher 4 auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich warmseitig des Hauptwärmetauschers 4 (zuvor "sechster" Temperaturbereich) erwärmt.
Der Niederdruckkolonne 12 wird gasförmiger Stickstoff in Form eines Stoffstroms H entnommen und auf die Temperatur in dem sechsten Temperaturbereich erwärmt. Nach der Erwärmung erfolgt eine Vereinigung mit dem Stoffstrom H zu einem entsprechenden Sammelstrom I.
Die Druckkolonne 11 ist in der Rektifikationskolonnenanordnung 10 mit der Niederdruckkolonne 12 über einen Hauptkondensator 13 wärmetauschend verbunden. Dem Rektifikationskolonnensystem 10 ist ein Unterkühlungsgegenströmer 14 zugeordnet. Eine Innenverdichtungspumpe ist mit 15 bezeichnet. Die Luftzerlegungsanlage 100 kann eine in bekannter Art ausgebildete Argongewinnungseinheit (hier nicht dargestellt) aufweisen.
Wie erläutert wird hier die Druckkolonne 11 mit abgekühlter, druckbeaufschlagter und ggf. verflüssigter Luft der Stoffströme B, D, E und F gespeist. Unmittelbar stromab der Einspeisestelle des Stoffstroms F wird Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms K aus der Druckkolonne 11 abgezogen, durch den Unterkühlungsgegenströmer 14 geführt und in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist. Die Niederdruckkolonne 12 wird ferner mit gegenüber der eingespeisten an Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit in Form eines Sumpfflüssigkeitsstroms L aus der Druckkolonne 11 gespeist, der zuvor ebenfalls durch den Unterkühlungsgegenströmer 14 geführt wird. Weiteres Kopfgas der Druckkolonne 11 wird durch den Hauptkondensator 13 geführt. Der Betrieb des Hauptkondensators 13 erfolgt in bekannter Weise, wobei insbesondere auch ein Stoffstrom M in die Niederdruckkolonne 12 überführt wird. Unreinstickstoff kann aus der Niederdruckkolonne 12 in Form eines Stoffstroms h, reiner Niederdruckstickstoff in Form eines Stoffstroms g abgezogen werden.
Aus der Niederdruckkolonne 12 wird sauerstoffreiche Sumpfflüssigkeit in Form eines Stoffstroms N abgezogen und in der Innenverdichtungspumpe 15 flüssig druckbeaufschlagt. Ein Teilstrom O kann nach Verdampfen in dem Hauptwärmetauscher als gasförmiges Innenverdichtungsprodukt bereitgestellt werden. Ein weiterer Teilstrom P kann im Unterkühlungsgegenströmer 14 unterkühlt und flüssig aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet werden.
Am Kopf der Niederdruckkolonne 12 kann auch Flüssigkeit gesammelt und in Form eines Stoffstroms Q als Flüssigstickstoffprodukt ausgeleitet werden. Ein Unreinstickstoffstrom R kann aus der Niederdruckkolonne 12 abgezogen und in bekannter Weise verwendet werden.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100), die eine Rektifikationskolonnenanordnung (10) mit einer Druckkolonne (11 ) und einer Niederdruckkolonne (12) aufweist, wobei
- die Druckkolonne (11 ) in einem ersten Druckbereich und die Niederdruckkolonne (12) in einem zweiten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs liegt, betrieben wird, und zumindest 90% einer in der Rektifikationskolonnenanordnung (10) insgesamt zerlegten Luftmenge auf einen Druck in einem dritten Druckbereich, der mehr als 4 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt, verdichtet wird,
- eine Teilmenge der insgesamt zerlegten Luftmenge nacheinander auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich von -30 bis 100 °C einem mit einer ersten Turbine (7) angetriebenen ersten Booster (6) zugeführt, unter Verwendung des ersten Boosters (6) von dem Druck in dem dritten Druckbereich auf einen Druck in einem vierten Druckbereich, der oberhalb des dritten Druckbereichs liegt, verdichtet, auf eine Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich von -160 bis -60 °C abgekühlt, auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich einem mit einer zweiten Turbine (9) angetriebenen zweiten Booster (8) zugeführt, unter Verwendung des zweiten Boosters (6) von dem Druck in dem vierten Druckbereich auf einen Druck in einem fünften Druckbereich, der oberhalb des vierten Druckbereichs liegt, verdichtet, auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich von -200 bis -150 °C abgekühlt, und in die Druckkolonne (1 1 ) eingespeist wird,
- der Druckkolonne (11 ) gasförmiger Stickstoff auf einem Druck in dem ersten Druckbereich entnommen und nacheinander auf eine Temperatur in einem vierten Temperaturbereich erwärmt, in der zweiten Turbine unter Abkühlung auf eine Temperatur in einem fünften Temperaturbereich auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich entspannt, und auf eine Temperatur in einem sechsten Temperaturbereich von 0 bis 50 °C erwärmt wird, und - der Niederdruckkolonne (12) gasförmiger Stickstoff entnommen und auf die Temperatur in dem sechsten Temperaturbereich erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- der der Niederdruckkolonne (12) entnommene gasförmige Stickstoff separat von dem der Druckkolonne (11) entnommenen gasförmigen Stickstoff auf die Temperatur in dem sechsten Temperaturbereich erwärmt wird, und
- der vierte Temperaturbereich bei -100 bis 50 °C und der fünfte Temperaturbereich bei -150 bis -40 °C liegt. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der erste Druckbereich bei 4 bis 7 bar, der zweite Druckbereich bei 1 bis 2 bar, der dritte Druckbereich bei 10 bis 18 bar, der vierte Druckbereich in einem Druckbereich vom 1 ,2-fachen bis 1 ,5-fachen des dritten Druckbereichs und der fünfte Druckbereich in einem Druckbereich vom 1 ,6- fachen bis 2.5-fachen des vierten Druckbereichs liegt. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, bei dem eine weitere Teilmenge der insgesamt zerlegten Luftmenge nacheinander auf der Temperatur in dem ersten Temperaturbereich dem ersten Booster (6) zugeführt, unter Verwendung des ersten Boosters (6) von dem Druck in dem dritten Druckbereich auf den Druck in dem vierten Druckbereich verdichtet, auf die Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich oder einem weiteren Temperaturbereich abgekühlt, in der ersten Turbine (7) auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt und in die Druckkolonne (11 ) eingespeist wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine weitere Teilmenge der insgesamt zerlegten Luftmenge auf dem Druck in dem dritten Druckbereich auf die Temperatur in dem dritten Temperaturbereich abgekühlt und in die Druckkolonne (11 ) eingespeist wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der der Niederdruckkolonne (12) entnommene gasförmige Stickstoff und der der Druckkolonne (11) entnommene gasförmigen Stickstoff auf der Temperatur in dem nach der separaten Erwärmung auf die Temperatur in dem sechsten Temperaturbereich miteinander vereinigt werden.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Rektifikationskolonnenanordnung (10) eine oder mehrere Flüssigkeiten entnommen, einer oder jeweils einer Innenverdichtung unterworfen, und in Form eines oder mehrerer gasförmiger Innenverdichtungsprodukte aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das eine oder die mehreren gasförmigen Innenverdichtungsprodukte ein unter Verwendung von sauerstoffreicher Flüssigkeit aus der Niederdruckkolonne hergestelltes gasförmiges Innenverdichtungsprodukt ist oder umfassen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder nach Anspruch 7, bei dem der Luftzerlegungsanlage (100) keine Flüssigprodukte entnommen werden oder bei dem der Luftzerlegungsanlage (100) ein oder mehrere Flüssigprodukte in einer Gesamtmenge entnommen wird oder werden, die einen Anteil an 10% einer Gesamtmenge des einen oder der mehreren gasförmigen Innenverdichtungsprodukte nicht überschreitet.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Niederdruckkolonne eine argonreiche Flüssigkeit entnommen und einem Argongewinnungssystem zur Gewinnung von Argon zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Druckkolonne (11) gasförmiger Stickstoff entnommen, auf eine Temperatur im sechsten Temperaturbereich angewärmt und auf einem Druck in dem ersten Druckbereich als stickstoffreiches Luftprodukt gewonnen wird.
11 . Luftzerlegungsanlage (100) zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, die eine Rektifikationskolonnenanordnung (10) mit einer Druckkolonne (11 ) und einer Niederdruckkolonne (12) aufweist, wobei die Luftzerlegungsanlage (100) eingerichtet ist, 22
- die Druckkolonne (11 ) in einem ersten Druckbereich und die Niederdruckkolonne (12) in einem zweiten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs liegt, zu betreiben, und zumindest 90% einer in der Rektifikationskolonnenanordnung (10) insgesamt zerlegten Luftmenge auf einen Druck in einem dritten Druckbereich, der mehr als 5 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt, zu verdichten,
- eine Teilmenge der insgesamt zerlegten Luftmenge nacheinander auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich von -30 bis 100 °C einem mit einer ersten Turbine (7) angetriebenen ersten Booster (6) zuzuführen, unter Verwendung des ersten Boosters (6) von dem Druck in dem dritten Druckbereich auf einen Druck in einem vierten Druckbereich, der oberhalb des dritten Druckbereichs liegt, zu verdichten, auf eine Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich von -160 bis -60 °C abzukühlen, auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich einem mit einer zweiten Turbine (9) angetriebenen zweiten Booster (8) zuzuführen, unter Verwendung des zweiten Boosters (6) von dem Druck in dem vierten Druckbereich auf einen Druck in einem fünften Druckbereich, der oberhalb des vierten Druckbereichs liegt, zu verdichten, auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich von -200 bis -150 °C abgekühlt, und in die Druckkolonne (11) einzuspeisen,
- der Druckkolonne (11 ) gasförmigen Stickstoff auf einem Druck in dem ersten Druckbereich zu entnehmen und nacheinander auf eine Temperatur in einem vierten Temperaturbereich zu erwärme, in der zweiten Turbine unter Abkühlung auf eine Temperatur in einem fünften Temperaturbereich auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich zu entspannen, und auf eine Temperatur in einem sechsten Temperaturbereich von 0 bis 50 °C zu erwärmen, und
- der Niederdruckkolonne (12) gasförmigen Stickstoff zu entnehmen und auf die Temperatur in dem sechsten Temperaturbereich zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzerlegungsanlage (100) eingerichtet ist, - den der Niederdruckkolonne (12) entnommene gasförmige Stickstoff separat von dem der Druckkolonne (11) entnommenen gasförmigen Stickstoff auf die Temperatur in dem sechsten Temperaturbereich zu erwärmen, wobei - der vierte Temperaturbereich bei -100 bis 50 °C und der fünfte
Temperaturbereich bei -150 bis -40 °C liegt.
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