KR20210077687A - Method and unit for cold air separation - Google Patents

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디미트리 골루베브
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린데 게엠베하
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Abstract

본 발명은 제1 압력 범위에서 작동되는 고압 컬럼(11) 및 제1 압력 범위 미만인 제2 압력 범위에서 작동되는 저압 컬럼(12)을 갖는 증류 컬럼 시스템(10)을 갖는 공기 분리 유닛(100, 200)이 사용되는 저온 공기 분리를 위한 방법에 관한 것이다. 대기 공기보다 더 높은 함량의 산소 및 더 낮은 함량의 질소를 갖는 제1 섬프 액체, 및 대기 공기보다 더 낮은 함량의 산소 및 더 높은 함량의 질소를 갖는 제1 헤드 기체가 저온 정류 공정을 사용하여 고압 컬럼(11) 내에서 형성되고; 제1 섬프 액체보다 더 높은 함량의 산소 및 더 낮은 함량의 질소를 갖는 제2 섬프 액체, 및 제1 섬프 액체보다 더 높은 함량의 질소 및 더 낮은 함량의 산소를 갖는 제2 헤드 기체가 저온 정류 공정을 사용하여 저압 컬럼(12) 내에서 형성되고; 제2 헤드 기체 또는 그의 성분은 비정제 질소의 형태로 저압 컬럼(12)으로부터 흡인된다. 복귀량 형태의 비정제 질소의 분획이 가열되고, 제1 압력 범위 내의 압력 수준으로 압축되고, 냉각되고, 고압 컬럼(11)에 잇따라 공급된다. 본 발명은 마찬가지로 공기 분리 유닛(100, 200)에 관한 것이다.The present invention relates to an air separation unit (100, 200) having a distillation column system (10) having a high pressure column (11) operated at a first pressure range and a low pressure column (12) operated at a second pressure range below the first pressure range. ) is used for the method for cold air separation. A first sump liquid having a higher content of oxygen and a lower content of nitrogen than atmospheric air, and a first head gas having a lower content of oxygen and a higher nitrogen content than atmospheric air are subjected to high pressure using a low temperature rectification process. formed in column 11; A second sump liquid having a higher content of oxygen and a lower content of nitrogen than the first sump liquid, and a second head gas having a higher content of nitrogen and a lower content of oxygen than the first sump liquid are subjected to a low temperature rectification process. formed in the low pressure column 12 using A second head gas or a component thereof is drawn from the low pressure column 12 in the form of crude nitrogen. A fraction of crude nitrogen in return form is heated, compressed to a pressure level within a first pressure range, cooled and fed successively to the high pressure column 11 . The invention likewise relates to an air separation unit ( 100 , 200 ).

Description

저온 공기 분리를 위한 방법 및 유닛Method and unit for cold air separation

본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 저온 공기 분리를 위한 방법 및 유닛에 관한 것이다.The invention relates to a method and a unit for cold air separation according to the preamble of the independent claims.

공기 분리 유닛에서의 저온 공기 분리에 의한 액체 또는 기체 상태의 공기 생성물의 생성이 알려져 있으며, 예를 들어 문헌[H.-W.

Figure pct00001
(editor), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006] - 특히, Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification"에 기재되어 있다.The production of air products in liquid or gaseous state by cold air separation in air separation units is known, for example as described in H.-W.
Figure pct00001
(editor), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006] - in particular, Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification".

공기 분리 유닛은 증류 컬럼 시스템을 갖는데, 이것은, 예를 들어 2-컬럼 시스템으로서, 특히, 고전적인 린데(Linde) 이중-컬럼 시스템으로서, 설계될 수 있지만, 또한 3-컬럼 또는 다중-컬럼 시스템으로서 설계될 수 있다. 액체 및/또는 기체 상태의 질소 및/또는 산소를 추출하기 위한 증류 컬럼, 즉 질소-산소 분리를 위한 증류 컬럼 외에도, 추가의 공기 성분, 특히, 희가스 크립톤, 제논, 및/또는 아르곤을 추출하기 위한 증류 컬럼이 제공될 수 있다.The air separation unit has a distillation column system, which can be designed, for example, as a two-column system, in particular as a classic Linde double-column system, but also as a three-column or multi-column system can be designed In addition to a distillation column for extracting nitrogen and/or oxygen in liquid and/or gaseous state, i.e. a distillation column for nitrogen-oxygen separation, for extracting further air components, in particular the noble gases krypton, xenon, and/or argon A distillation column may be provided.

언급된 증류 컬럼 시스템의 증류 컬럼은 상이한 압력 수준에서 작동된다. 공지된 이중-컬럼 시스템은 고압 컬럼(압력 컬럼, 중압 컬럼, 또는 하부 컬럼으로도 지칭됨)으로 알려져 있는 것과 저압 컬럼(상부 컬럼으로도 지칭됨)으로 알려져 있는 것을 갖는다. 고압 컬럼은 전형적으로, 4 내지 7 bar, 특히 대략 5.3 bar의 압력 수준에서 작동된다. 저압 컬럼은, 전형적으로 1 내지 2 bar, 특히 대략 1.4 bar의 압력 수준에서 작동된다. 소정의 경우, 심지어 더 높은 압력 수준이 둘 모두의 정류 컬럼에서 사용될 수 있다. 여기에 그리고 하기에 나타낸 압력은 표시된 각각의 컬럼의 헤드에서의 절대 압력이다.The distillation columns of the mentioned distillation column systems are operated at different pressure levels. Known dual-column systems have what are known as high pressure columns (also referred to as pressure columns, medium pressure columns, or bottom columns) and those known as low pressure columns (also referred to as top columns). High pressure columns are typically operated at pressure levels of 4 to 7 bar, in particular approximately 5.3 bar. The low pressure column is typically operated at a pressure level of 1 to 2 bar, in particular approximately 1.4 bar. In some cases, even higher pressure levels may be used in both rectification columns. The pressures shown here and below are absolute pressures at the head of each column indicated.

요구되는 생성물 스펙트럼(즉, 절대적으로 그리고 서로 상대적으로 생성되는 상이한 액체 및 기체 공기 생성물들의 양)에 따라, 공기 분리 유닛의 상이한 유닛 구성들이 상이한 적합성을 갖는다. 예를 들어, 대부분이 기체인 질소가, 예를 들어 9.5 bar의 절대 압력의 압력 수준에서 요구되는 경우, 예를 들어 EP 2 789 958 A1호에 기재된 방법 및 거기에 인용된 추가 특허 문헌이 유리할 수 있다. 이는 또한 소위 순수 산소 컬럼과 함께 사용될 수 있고/있거나 (진공) 압력 스윙 흡착과 조합될 수 있다. 이러한 방식으로, 상이한 순도의 산소가 또한 제공될 수 있다. 그러나, 소정의 경우, 추가의 최적화에 대한 필요성이 존재한다.Depending on the required product spectrum (ie the amounts of different liquid and gaseous air products produced absolutely and relative to one another), different unit configurations of the air separation unit have different suitability. If, for example, predominantly gaseous nitrogen is required at a pressure level of, for example, an absolute pressure of 9.5 bar, the method described, for example, in EP 2 789 958 A1 and the further patent literature cited therein may be advantageous. have. It can also be used with so-called pure oxygen columns and/or combined with (vacuum) pressure swing adsorption. In this way, oxygen of different purities can also be provided. However, in some cases a need exists for further optimization.

DE 821 654 B는 질소가 고압 컬럼 내로 공급되는 방법을 개시한다. 이러한 질소는 이전에, 고압 컬럼의 섬프(sump)를 비등시키는 데 사용된다. 그의 출처는 설명되어 있지 않다.DE 821 654 B discloses a method in which nitrogen is fed into a high-pressure column. This nitrogen is previously used to boil the sump of the high pressure column. His source is not explained.

CN 106123489 A는, 일 실시 형태에서 고압 컬럼 내로 공급되는 공급 공기의 일부분이 주 열 교환기의 하류의 응축기 증발기 내에서 액화되게 하는 방법을 개시한다.CN 106123489 A discloses, in one embodiment, a method in which a portion of the feed air fed into the high pressure column is liquefied in a condenser evaporator downstream of the main heat exchanger.

DE 198 03 437 A1호는, 실시 형태에서, "풍부화 회로"로 지칭되는, 질소가 저압 컬럼의 상부로부터 고압 컬럼 내로 재순환되는 저온 공기 분리를 위한 방법을 설명한다. 재순환을 위해, 그러한 질소는 저압 컬럼의 헤드로부터의 추가 질소와 함께 압축되며, 여기서 그러한 추가 질소는 공기 분리 유닛으로부터의 압력 질소로서 배출된다.DE 198 03 437 A1 describes a method for cold air separation in which nitrogen is recycled from the top of the low-pressure column into the high-pressure column, which in an embodiment is referred to as an “enrichment circuit”. For recycle, such nitrogen is compressed together with additional nitrogen from the head of the low pressure column, where that additional nitrogen is withdrawn as pressure nitrogen from the air separation unit.

본 발명의 목적은 공기 분리 유닛이, 예컨대, 9.5 bar의 절대 압력의 압력 수준에서 (몰 농도를 기준으로, 산소 함량이 전형적으로 ppm 또는 ppb 범위, 예를 들어 대략 1 ppm 또는 80 ppb 이하인) 비교적 높은 순도의 질소를, 그러나 동시에 또한 (산소 함량이, 예컨대, 85 내지 98 몰%, 바람직하게는 90 내지 98 몰%인) "비순수(impure)" 산소를 공급하는 것인 경우에 대한 최적화된 해법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention that an air separation unit, for example, at a pressure level of absolute pressure of 9.5 bar (with an oxygen content typically in the ppm or ppb range, based on molar concentration, for example approximately 1 ppm or 80 ppb or less) is relatively Optimized for the case of supplying high purity nitrogen, but at the same time also "impure" oxygen (oxygen content of eg 85-98 mol%, preferably 90-98 mol%) to provide a solution.

이러한 목적은 독립 청구항의 각각의 특징부를 갖는 저온 공기 분리를 위한 방법 및 유닛에 의해 달성된다. 유리한 실시 형태들이 하기의 설명 및 각각의 종속 청구항의 주제를 포함한다.This object is achieved by a method and a unit for cold air separation having the respective features of the independent claims. Advantageous embodiments include the subject matter of the following description and each dependent claim.

하기에서는, 본 발명 및 그의 이점뿐만 아니라 근간이 되는 기술적 배경을 기술하는 데 사용되는 일부 용어를 먼저 더 상세히 설명할 것이다.In the following, some terms used to describe the present invention and its advantages as well as the underlying technical background will first be described in more detail.

공기 분리 유닛에서 사용되는 장치는 인용된 기술 문헌, 예를 들어 문헌[

Figure pct00002
, Section 2.2.5.6, "Apparatus"]에 설명되어 있다. 따라서, 하기 정의들이 다르지 않다면, 본 출원의 체제 내에서 사용되는 용어의 목적을 위해 인용된 기술 문헌은 명시적으로 언급된다.The apparatus used in the air separation unit is described in the cited technical literature, for example [
Figure pct00002
, Section 2.2.5.6, "Apparatus"]. Accordingly, unless the following definitions differ, technical literature cited for the purpose of terms used within the framework of this application is expressly recited.

"응축기 증발기"는 제1 응축 유체 스트림이 제2 증발 유체 스트림과의 간접 열 교환에 관여하는 열 교환기를 지칭한다. 각각의 응축기 증발기는 액화 챔버 및 증발 챔버를 갖는다. 액화 및 증발 챔버들은 액화 또는 증발 통로를 갖는다. 제1 유체 스트림의 응축(액화)은 액화 챔버 내에서 수행되고, 제2 유체 스트림의 증발은 증발 챔버 내에서 수행된다. 증발 및 액화 챔버들은 서로 열 교환 관계에 있는 통로들의 그룹들에 의해 형성된다.“Condenser evaporator” refers to a heat exchanger in which a first condensing fluid stream engages in indirect heat exchange with a second evaporative fluid stream. Each condenser evaporator has a liquefaction chamber and an evaporation chamber. The liquefaction and evaporation chambers have a liquefaction or evaporation passage. Condensing (liquefaction) of the first fluid stream is performed in the liquefaction chamber and evaporation of the second fluid stream is performed in the evaporation chamber. Evaporation and liquefaction chambers are formed by groups of passages in heat exchange relationship with each other.

특히, 공기 분리 유닛의 고압 컬럼과 저압 컬럼의 열 교환 연결을 이루는 소위 주 응축기는 응축기 증발기로서 설계된다. 주 응축기는 특히 단일-수준 또는 다중-수준 조(bath) 증발기로서, 특히 캐스케이드(cascade) 증발기(예를 들어, EP 1 287 302 B1호에 기재된 바와 같음)이지만 또한 강하 막 증발기로서 설계될 수 있다. 그는 단일 열 교환기 블록에 의해 또는 공통 압력 용기 내에 배열된 복수의 열 교환기 블록들에 의해 형성될 수 있다.In particular, the so-called main condenser, which makes the heat exchange connection of the high-pressure column and the low-pressure column of the air separation unit, is designed as a condenser evaporator. The main condenser is in particular a single-level or multi-level bath evaporator, in particular a cascade evaporator (eg as described in EP 1 287 302 B1), but can also be designed as a falling film evaporator. . It may be formed by a single heat exchanger block or by a plurality of heat exchanger blocks arranged in a common pressure vessel.

"강제 유동" 응축기 증발기에서, 액체의 스트림은 그 자신의 압력에 의해 증발 챔버를 강제로 통과하게 되고, 거기에서 부분적으로 증발된다. 이러한 압력은 예를 들어 증발 챔버로의 공급 라인 내의 액체 컬럼에 의해 생성된다. 여기에서 이러한 액체 컬럼의 높이는 증발 챔버 내에서의 압력 손실에 상응한다. 이러한 유형의 "관류형(once-through)" 응축기 증발기에서, 상에 의해 분리된 증발 챔버로부터 나오는 기체-액체 혼합물은 다음 방법 단계로 또는 하류측 장치로 직접 전달되며, 특히 나머지 액체 부분이 다시 흡입될 응축기 증발기의 액체 조 내로 도입되지 않는다.In a “forced flow” condenser evaporator, a stream of liquid is forced through an evaporation chamber by its own pressure, where it is partially evaporated. This pressure is created, for example, by a liquid column in the supply line to the evaporation chamber. The height of this liquid column here corresponds to the pressure loss in the evaporation chamber. In "once-through" condenser evaporators of this type, the gas-liquid mixture coming out of the evaporation chamber separated by the phases is passed either directly to the next process step or to a downstream device, in particular the remaining liquid fraction is sucked back again. The condenser will not be introduced into the liquid bath of the evaporator.

발생기, 압축기, 또는 오일 브레이크와 같은 추가 팽창 터빈 또는 에너지 변환기에 공통 샤프트를 통해 결합될 수 있는 "팽창 터빈" 또는 "팽창 기계"가 기체 또는 적어도 부분적으로 액체 스트림을 경감시키기 위해 설정된다. 특히, 본 발명에서 사용하기 위한 팽창 터빈은 터보 팽창기로서 설계될 수 있다. 압축기가 하나 이상의 팽창 터빈에 의하지만, 예를 들어 전기 모터에 의해 외부에서 공급되는 어떠한 에너지도 없이, 구동되는 경우, 용어 "터빈 구동형" 압축기 또는 대안적으로 "부스터"가 사용된다. 터빈 구동형 압축기 및 팽창 터빈의 배열은 또한 "부스터 터빈"으로 지칭된다.An “expansion turbine” or “expansion machine” that can be coupled via a common shaft to an energy converter or additional expansion turbine such as a generator, compressor, or oil brake is set up to relieve a gas or at least partially liquid stream. In particular, the expansion turbine for use in the present invention may be designed as a turbo expander. If the compressor is driven by one or more expansion turbines, but without any energy supplied externally, for example by an electric motor, the term "turbine driven" compressor or alternatively "booster" is used. The arrangement of a turbine driven compressor and expansion turbine is also referred to as a “boost turbine”.

본 명세서에서 "주 공기 압축기"로 지칭되는 다중-스테이지 터보압축기가 공기 분리 유닛에서 사용되어 분리될 공급 공기를 압축한다. 터보압축기의 기계적 설계는 대체적으로 당업자에게 공지되어 있다. 터보압축기에서, 압축될 매체는 터빈 휠 상에 또는 직접 샤프트 상에 배열된 터빈 블레이드에 의해 압축된다. 이러한 경우, 터보압축기는, 다중-스테이지 터보압축기의 경우에, 그러나, 복수의 압축기 스테이지를 가질 수 있는 구조 유닛을 형성한다. 압축기 스테이지는 대체적으로 터빈 블레이드의 상응하는 배열을 포함한다. 이러한 압축기 스테이지 모두는 공통 샤프트에 의해 구동될 수 있다. 그러나, 압축기 스테이지가 상이한 샤프트들에 의해 그룹으로 구동되는 것이 또한 제공될 수 있는데, 여기서 샤프트들은 또한 기어를 통해 서로 연결될 수 있다.A multi-stage turbocompressor, referred to herein as a "main air compressor", is used in the air separation unit to compress the supply air to be separated. The mechanical design of turbocompressors is generally known to those skilled in the art. In turbocompressors, the medium to be compressed is compressed by means of turbine blades arranged on the turbine wheel or directly on the shaft. In this case, the turbocompressor forms, however, in the case of a multi-stage turbocompressor, a structural unit which can have a plurality of compressor stages. The compressor stage generally comprises a corresponding arrangement of turbine blades. All of these compressor stages can be driven by a common shaft. However, it may also be provided for the compressor stage to be driven as a group by different shafts, wherein the shafts may also be connected to one another via gears.

주 공기 압축기는, 그것이, 증류 컬럼 시스템 내로 공급되고 공기 생성물의 생성을 위해 사용되는 공기의 전체 양, 즉 전체 공급 공기를 압축한다는 사실을 추가로 특징으로 한다. 따라서, "부스터"가 또한 제공될 수 있는데, 이는, 그러나, 주 공기 압축기 내에서 압축된 공기 양의 단지 일부만이 더 높은 압력으로 된다. 이는 또한 터보압축기로서 설계될 수 있다. 부스터 및 주 공기 압축기로서의 그러한 압축기의 공통 압축기 또는 압축기 스테이지의 사용이 또한 제공될 수 있다. 일부 공기 양을 압축하기 위해, 전술된 부스터 형태의 추가 터보압축기가 전형적으로는 공기 분리 유닛에 제공되는데, 그러나, 이는, 대체로, 주 공기 압축기 또는 부스터와 비교하여, 비교적 작은 정도의 압축만을 가져온다.The main air compressor is further characterized by the fact that it compresses the total amount of air fed into the distillation column system and used for the production of the air product, ie the total feed air. Accordingly, a “boost” may also be provided, which, however, brings only a fraction of the amount of compressed air in the main air compressor to a higher pressure. It can also be designed as a turbocompressor. The use of a common compressor or compressor stage of such a compressor as booster and main air compressor may also be provided. In order to compress some amount of air, an additional turbocompressor in the form of a booster described above is typically provided in the air separation unit, however, which, as a rule, results in only a relatively small degree of compression as compared to the main air compressor or booster.

액체 및 기체는, 본 명세서에서 사용되는 용어에서, 하나 이상의 성분이 풍부하거나 낮을 수 있으며, 여기서 "풍부"는 적어도 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9%, 또는 99.99%의 함량을 지칭할 수 있고, "낮은"은 최대 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1%, 또는 0.01%의 함량을 지칭할 수 있으며, 여기서 %는 몰, 중량, 또는 부피를 기준으로 한다. 용어 "대부분"은 "풍부"의 정의에 상응할 수 있다. 액체 및 기체는 또한 하나 이상의 성분이 풍부화되거나(enriched) 고갈될 수 있으며, 여기서 이들 용어는 액체 또는 기체를 추출한 출발 액체 또는 출발 기체 내의 함량을 지칭한다. 액체 또는 기체는, 그것이 출발 액체 또는 출발 기체를 기준으로 상응하는 성분의 함량의 적어도 1.1배, 1.5배, 2배, 5배, 10배, 100배, 또는 1,000배를 함유한다면 "풍부화"된 것이고, 그것이 최대 0.9배, 0.5배, 0.1배, 0.01배, 또는 0.001배를 함유한다면 "고갈된" 것이다. 예로서, 여기에서 "산소" 또는 "질소"로 언급되는 경우, 이는 또한 산소 또는 질소가 풍부하지만 오로지 그것만으로 반드시 이루어질 필요는 없는 액체 또는 기체를 의미하는 것으로 이해된다.Liquids and gases, as used herein, may be rich or low in one or more components, wherein "enriched" means at least 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9%, or 99.99%, and “low” may refer to a content of up to 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1%, or 0.01%, where % is molar; By weight, or by volume. The term “mostly” may correspond to the definition of “abundant”. Liquids and gases may also be enriched or depleted of one or more components, where these terms refer to the content in the starting liquid or gas from which the liquid or gas has been extracted. A liquid or gas is "enriched" if it contains at least 1.1 times, 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times, 100 times, or 1,000 times the content of the corresponding component, based on the starting liquid or starting gas. , is "depleted" if it contains up to 0.9x, 0.5x, 0.1x, 0.01x, or 0.001x. By way of example, when reference is made herein to “oxygen” or “nitrogen”, it is also understood to mean a liquid or gas enriched in oxygen or nitrogen, but not necessarily exclusively.

[발명의 효과][Effects of the Invention]

본 발명은 특히, 공기 분리 유닛의 생성물 스펙트럼에 적용되는 전술된 요건을 고려하면, 고압 컬럼 및 저압 컬럼을 포함하는, 그 자체로 공지된 이중-컬럼 시스템을 사용하는 것이 유리하다. 상응하는 유닛의 예를 들면, 처음에 인용된 기술적 문헌(

Figure pct00003
), 특히 도 2.3A 및 수반하는 설명을 참조한다. 본 발명은, (몰 농도를 기준으로, 산소 함량이 전형적으로 ppm 또는 ppb 범위, 예를 들어 대략 1 ppm 또는 80 ppb 이하인) 비교적 높은 순도의 질소가, 예컨대, 8 내지 12 bar, 특히 9.5 bar의 절대 압력의 압력 수준에서 제공되게 하지만, 동시에 또한 (산소 함량이, 예컨대, 85 내지 98 몰%, 바람직하게는 90 내지 98 몰%인) "비순수" 산소가 공급되게 하는 방법 및 공기 분리 유닛에 관한 것이다.The invention advantageously uses the double-column system known per se, comprising a high-pressure column and a low-pressure column, in particular taking into account the above-mentioned requirements which apply to the product spectrum of air separation units. For example of a corresponding unit, the technical literature cited at the beginning (
Figure pct00003
), see in particular FIG. 2.3A and the accompanying description. The present invention provides that nitrogen of a relatively high purity (with an oxygen content typically in the range of ppm or ppb, for example up to approximately 1 ppm or 80 ppb, based on molar concentration), e.g. 8 to 12 bar, in particular 9.5 bar to the air separation unit and to a method which allows to be provided at a pressure level of absolute pressure, but at the same time also to be supplied with "impure" oxygen (with an oxygen content of, for example, 85 to 98 mol%, preferably 90 to 98 mol%) it's about

설명된 유형의 종래의 이중-컬럼 시스템에서, 고압 컬럼 및 저압 컬럼은 소위 주 응축기에 의해 열 교환 방식으로 서로 연결된다. 상응하는 이중-컬럼 시스템의 실시 형태의 공통적인 형태는 소위 내부 주 응축기, 즉 저압 컬럼의 섬프 영역에 배열되는 상응하는 장치를 포함한다. 그러나, 소위 외부 주 응축기를 사용하는 것이 또한 가능한데, 유체가 그에 공급되고, 유체는 저압 컬럼의 섬프 영역으로부터 라인을 통해 취해지고 주 응축기 내로 공급되었다. 공지된 이중-컬럼 시스템 또는 비교할 만한 장치의 주 응축기에서, 저압 컬럼의 섬프 액체는 증발되고, 동시에 고압 컬럼의 상부 기체는 적어도 부분적으로 액화된다. 따라서, 상응하는 장치는 설명된 유형의 응축기 증발기이다.In a conventional double-column system of the type described, the high-pressure column and the low-pressure column are connected to each other in a heat exchange manner by a so-called main condenser. A common form of the embodiment of the corresponding double-column system comprises a so-called internal main condenser, ie a corresponding device arranged in the sump region of the low-pressure column. However, it is also possible to use a so-called external main condenser, into which the fluid is fed, the fluid is taken via a line from the sump region of the low pressure column and fed into the main condenser. In the main condenser of the known double-column system or comparable apparatus, the sump liquid of the low-pressure column is evaporated while the overhead gas of the high-pressure column is at least partially liquefied. A corresponding device is therefore a condenser evaporator of the type described.

공기 분리 유닛 내의 종래의 이중-컬럼 시스템에서, 고압 컬럼 및 저압 컬럼은 더욱이 상하로 배열되고, 공통 컬럼 쉘(shell) 또는 연결된 컬럼 쉘들을 갖는다. 특히, 고압 컬럼 및 저압 컬럼의 컬럼 쉘들은 서로 용접될 수 있거나, 고압 컬럼 및 저압 컬럼은 공통 외부 쉘 내에 배열될 수 있으며, 이는 이어서 소위 콜드 박스(cold box) 내에 수용된다. 그러나, 본 발명은 또한, 서로 별개로 배열된 고압 및 저압 컬럼들, 2-부분 저압 컬럼들 등을, 이것이 편리한 경우, 예를 들어, 설치 공간의 이유로, 사용할 수 있다. 다시 말하면, 본 발명은 고압 컬럼과 저압 컬럼이 서로 영구적으로 연결되어 있는 종래의 이중-컬럼 시스템과 함께 사용하는 것으로 제한되지 않는다. 추가로, 본 발명은 단일편의 고압 및 저압 컬럼들로 제한되지 않는다.In a conventional double-column system in an air separation unit, the high-pressure column and the low-pressure column are further arranged vertically and have a common column shell or connected column shells. In particular, the column shells of the high-pressure column and the low-pressure column can be welded to each other, or the high-pressure column and the low-pressure column can be arranged in a common outer shell, which is then housed in a so-called cold box. However, the present invention can also use high-pressure and low-pressure columns, two-part low-pressure columns, etc., arranged separately from one another, if this is convenient, for example for reasons of installation space. In other words, the present invention is not limited to use with conventional dual-column systems in which the high pressure column and the low pressure column are permanently connected to each other. Additionally, the present invention is not limited to single piece high and low pressure columns.

본 발명은 또한, 상응하는 증류 컬럼 시스템의 저압 컬럼으로부터 흡인된, 즉, 종래 기술로부터 알려진 바와 같이, 그렇게 배타적이지 않게 또는 영구적이지 않게 공기 분리 유닛으로부터 추출될, 그리고, 예를 들어, 공급 공기를 정제하는 역할을 하는 흡착기의 재생을 위해 사용할 ("폐가스"로도 또한 지칭되는 종래 기술에서;

Figure pct00004
의 도면 2.3A 및 p. 23 참조) 비순수 질소 스트림에 특히 유리하다는 발견에 기초한다.The present invention also relates to the extraction of feed air drawn from the low pressure column of the corresponding distillation column system, i.e., to be extracted from the air separation unit, not so exclusively or permanently, as is known from the prior art, and, for example, to be used for regeneration of adsorbers serving as purification (in the prior art also referred to as "waste gas";
Figure pct00004
Figure 2.3A and p. 23) is based on the finding that it is particularly advantageous for pure nitrogen streams.

오히려, 본 발명의 체제 내에서, 상응하는 비순수 질소가 고압 컬럼으로 부분적으로 복귀되는 것이 사실이다. 여기서, 비순수 질소의 상응하는 부분이, 특히 공기 분리 유닛의 주 열 교환기 내에서, 가열되고, 공기 분리 유닛의 고온 부분에서 압축되고, 이어서 다시 냉각되고, 고압 컬럼 내로 공급된다. 저압 컬럼으로부터 흡인된 비순수 질소 모두가 그에 따라서 처리될 수 있는 것은 아닌 것으로 이해된다. 오히려, 본 발명은 설명된 방식으로 상응하는 비순수 질소의 일부만을 사용하여, 추가의 비순수 질소가, 예를 들어 냉각 발생을 위해, 흡착기의 재생을 위해, 압축기의 밀봉 가스로서, 등으로 사용될 수 있거나, 단순히 대기로 블로우 오프(blow off)될 수 있는 것이 사실이다.Rather, within the framework of the present invention, it is true that the corresponding impure nitrogen is partially returned to the high-pressure column. Here, a corresponding part of the impure nitrogen is heated, in particular in the main heat exchanger of the air separation unit, compressed in the hot part of the air separation unit, then cooled again and fed into the high-pressure column. It is understood that not all of the impure nitrogen drawn from the low pressure column can be treated accordingly. Rather, the present invention uses only a fraction of the corresponding impure nitrogen in the manner described, so that additional impure nitrogen can be used, for example for generating refrigeration, for regeneration of adsorbers, as sealing gas for compressors, etc. It is true that it can be, or it can simply be blown off to atmosphere.

여기에서 그리고 하기에서 사용되는 바와 같이, "비순수 질소" 또는 "비순수 질소 스트림"은 주로 질소로 이루어진 가스 혼합물을 의미하는 것으로 이해되지만, 또한 산소의 상당한 불순물 및 더 적은 양의 희가스를 가질 수 있다. 본 발명의 체제 내에서 "비순수 질소"로 지칭되는 기체 혼합물은 본 발명에 따라 8 내지 15 몰%, 특히 10 내지 13 몰% 산소를 함유한다. 아르곤 함량은 전형적으로 공기의 함량과 비교가능하며, 공정 파라미터에 따라 전형적으로 0.6 내지 1.4 몰%, 특히 0.7 내지 1.3 몰%이다.As used herein and hereinafter, "impure nitrogen" or "pure nitrogen stream" is understood to mean a gas mixture consisting primarily of nitrogen, but may also have significant impurities of oxygen and lower amounts of noble gases. have. The gas mixture referred to within the framework of the present invention as "impure nitrogen" contains according to the invention from 8 to 15 mol% oxygen, in particular from 10 to 13 mol% oxygen. The argon content is typically comparable to that of air and is typically 0.6 to 1.4 mol%, in particular 0.7 to 1.3 mol%, depending on the process parameters.

전체적으로, 설명된 이점을 달성하기 위하여, 본 발명은, 응축기 증발기, 및 제1 압력 범위 내에서 작동되는 고압 컬럼 및 제1 압력 범위 미만인 제2 압력 범위 내에서 작동되는 저압 컬럼을 갖는 증류 컬럼 시스템을 갖는 공기 분리 유닛이 사용되는 저온 공기 분리를 위한 방법을 제안한다. 상응하는 압력 범위에 관한 추가 설명을 위해, 전술한 설명을 참조한다. "제1 압력 범위"는 특히, 예를 들어, 7 내지 13 bar일 수 있고, "제2 압력 범위"는 특히 2 내지 4 bar일 수 있다(각각의 경우 절대 압력임). 따라서, 그러한 압력 범위는 종래의 공기 분리 유닛의 고압 및 저압 컬럼들이 통상 작동되는 전형적인 압력 범위를 초과하여 있다. 이는 하기에서 추가로 설명되는 바와 같이 본 발명에 따른 측정에 의해 달성된다.Overall, to achieve the described advantages, the present invention provides a distillation column system having a condenser evaporator and a high pressure column operated within a first pressure range and a low pressure column operated within a second pressure range below the first pressure range. We propose a method for cold air separation in which an air separation unit having For further explanations regarding the corresponding pressure ranges, reference is made to the preceding description. The “first pressure range” can in particular be, for example, from 7 to 13 bar, and the “second pressure range” can in particular be from 2 to 4 bar (in each case absolute pressure). Thus, such a pressure range exceeds the typical pressure range in which the high and low pressure columns of conventional air separation units are normally operated. This is achieved by the measurement according to the invention as explained further below.

이와 관련하여 공지된 바와 같이, 여기에서 "제1" 섬프 액체로서 지칭되는 섬프 액체가 저온 정류에 의해 공기 분리 유닛의 고압 컬럼 내에서 형성된다. 이는 대기 공기보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 질소 함량을 갖는다. 상응하는 제1 섬프 액체의 전형적인 산소 함량은 전형적으로, 하기에 추가로 논의되는 본 발명에 따른 측정을 채용할 때, 25 내지 35 몰%이다. 추가로, 여기에서 고압 컬럼 내에서 형성된 "제1" 상부 기체로 지칭되는 상부 기체는 대기 공기보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 질소 함량을 갖는다. 이러한 제1 상부 기체의 질소 함량은 전형적으로 95 몰% 초과, 특히 99 몰% 초과이다.As is known in this regard, a sump liquid, referred to herein as a “first” sump liquid, is formed in the high pressure column of the air separation unit by low temperature rectification. It has a higher oxygen content and a lower nitrogen content than atmospheric air. A typical oxygen content of the corresponding first sump liquid is typically from 25 to 35 mol %, employing a measurement according to the invention discussed further below. Additionally, the top gas, referred to herein as the “first” top gas formed in the high pressure column, has a lower oxygen content and a higher nitrogen content than atmospheric air. The nitrogen content of this first overhead gas is typically greater than 95 mol %, in particular greater than 99 mol %.

상응하는 공기 분리 유닛의 저압 컬럼에서, 섬프 액체가 마찬가지로 저온 정류에 의해 형성되는데, 이는 여기에서 "제2" 섬프 액체로 지칭된다. 이는 제1 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 질소 함량을 갖는다. 산소 함량은 전형적으로 90 몰% 초과이다. 추가로, 저압 컬럼에서, 상부 기체가 형성되며, 이는 여기에서 "제2" 상부 기체로 지칭된다. 이는 제1 섬프 액체보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 질소 함량을 갖는다. 이는 산소 및 질소, 특히 "비순수 질소"에 대해 이전에 설명된 농도 범위로, 함유한다.In the low-pressure column of the corresponding air separation unit, a sump liquid is likewise formed by low-temperature rectification, which is referred to herein as a “second” sump liquid. It has a higher oxygen content and a lower nitrogen content than the first sump liquid. The oxygen content is typically greater than 90 mole %. Additionally, in the low pressure column, a top gas is formed, referred to herein as a “second” top gas. It has a lower oxygen content and a higher nitrogen content than the first sump liquid. It contains oxygen and nitrogen, in particular in the concentration ranges previously described for "impure nitrogen".

고압 컬럼 및 저압 컬럼의 기본 작동은 공지되어 있다. 하나 이상의 공급 공기 스트림 형태의 압축 및 냉각된 공기가 고압 컬럼 내로 공급되고, 제1 섬프 액체 또는 그의 일부분이 저압 컬럼 내로 옮겨지고 거기에서 추가로 정류된다. 제1 상부 기체 또는 그의 일부분은 고압 컬럼과 저압 컬럼을 열 교환 방식으로 연결하는 주 응축기 내에서 액화 또는 부분적으로 액화될 수 있으며, 그에 의해 고압 컬럼으로의, 가능하게는 또한 저압 컬럼으로의 액체 복귀가 제공될 수 있다. 제1 상부 기체의 일부분은 또한 상응하는 생성물로서 비액화된 또는 액화된 형태로 공기 분리 유닛으로부터 추출될 수 있다. 고압 및 저압 컬럼들 내로 또는 그들 사이에서의 추가 물질 유동들의 공급 및 전달이 마찬가지로 공지되어 있지만, 명료함을 이유로 모든 실시 형태에서 설명되지 않는다.The basic operation of high-pressure and low-pressure columns is known. Compressed and cooled air in the form of one or more feed air streams is fed into the high pressure column, and the first sump liquid, or a portion thereof, is transferred into the low pressure column and further rectified there. The first overhead gas or a portion thereof may be liquefied or partially liquefied in a main condenser connecting the high pressure column and the low pressure column in a heat exchange manner, thereby returning the liquid to the high pressure column and possibly also to the low pressure column. may be provided. A portion of the first overhead gas may also be extracted from the air separation unit in non-liquefied or liquefied form as the corresponding product. The feeding and delivery of additional mass flows into or between high and low pressure columns are likewise known, but are not described in all embodiments for reasons of clarity.

본 발명의 체제 내에서, 종래 기술로부터 마찬가지로 알려진 바와 같이, 제2 상부 기체는 저압 컬럼으로부터 비순수 질소로서 부분적으로 또는 완전히 취해진다. 따라서, 저압 컬럼은 그러한 방식으로 설계되고, 상응하는 비순수 질소가 그의 헤드에 형성되는 방식으로 작동된다. 종래 기술에서 그러한 비순수 질소의 추가 사용을 위해 인용된 기술 문헌을 참조한다. 언급된 바와 같이, 상응하는 비순수 질소가, 예를 들어 흡착 장치의 재생을 위해 그리고/또는 대기로 블로우 오프되는 데 사용될 수 있다.Within the framework of the present invention, as is likewise known from the prior art, the second overhead gas is taken partially or completely as impure nitrogen from the low pressure column. Thus, the low pressure column is designed in such a way and operated in such a way that the corresponding impure nitrogen is formed in its head. Reference is made to the technical literature cited for further use of such impure nitrogen in the prior art. As mentioned, the corresponding impure nitrogen can be used, for example, for regeneration of the adsorption unit and/or to be blown off to atmosphere.

본 발명의 체제 내에서, 비순수 질소의 일부분이 복귀량(return quantity)으로서 연속적으로 가열되고, 제1 압력 범위 내의 압력으로 압축되고, 냉각되고, 이어서 고압 컬럼 내로 공급된다. 복귀량은 전형적으로 0℃ 초과의 온도 범위 내의 온도로, 전형적으로는 0℃ 내지 50℃의 온도 범위 내의 온도로 가열된다. 이하에서 또한 설명되는 바와 같이, 상응하는 공기 분리 유닛의 주 열 교환기는 전형적으로 이러한 목적을 위해 사용된다. 복귀량이 가열되는 것으로 상정되는 경우, 이는 복귀량이 가능하게는 또한 가열되기 전에 냉각될 수 있다는 사실을 배제하지 않는다. 그러한 냉각은 특히 복귀량의 팽창에 기인할 수 있다. 압축 및 냉각 후, 후자가 주 열 교환기 내에서 수행되는 경우, 어떠한 추가 냉각도, 특히, 그의 하류에서 일어나지 않을 것이다.Within the framework of the present invention, a portion of the impure nitrogen is continuously heated as a return quantity, compressed to a pressure within a first pressure range, cooled, and then fed into a high pressure column. The return amount is typically heated to a temperature within a temperature range greater than 0°C, typically within a temperature range of 0°C to 50°C. As will also be explained below, the main heat exchanger of the corresponding air separation unit is typically used for this purpose. If the return amount is supposed to be heated, this does not exclude the fact that the return amount can possibly also be cooled before being heated. Such cooling may in particular be due to an expansion of the return amount. After compression and cooling, no further cooling will occur, in particular downstream thereof, if the latter is carried out in the main heat exchanger.

제1 압력 영역 내의 압력으로의 압축은 전형적으로 냉각이 일어난 후에 복귀량이 고압 컬럼 내로 직접 공급될 수 있게 하는 방식으로 달성되는데, 그러한 이유로, 상응하는 압력은 공급 지점에서의 고압 컬럼 내로의 압력에 적어도 상응하도록 선택된다. 다시 말하면, 복귀량이 압축되는 제1 압력 영역 내의 압력은, 적어도 복귀량이 고압 컬럼 내로 공급되는 공급 지점에서의 압력만큼 높은 압력이다. 그러나, 압력은 유리하게는 고압 컬럼이 작동되는 압력 범위를 초과하지 않는다.Compression to pressure in the first pressure region is typically achieved in such a way that the return amount can be fed directly into the high pressure column after cooling has occurred, for that reason the corresponding pressure is at least equal to the pressure into the high pressure column at the feed point. chosen to correspond. In other words, the pressure in the first pressure region at which the return amount is compressed is a pressure that is at least as high as the pressure at the feed point where the return amount is fed into the high-pressure column. However, the pressure advantageously does not exceed the pressure range in which the high pressure column is operated.

본 발명의 체제 내에서, 복귀량 형태의 비순수 질소의 일부분의 상응하는 처리는 고압 컬럼에 대한 (양) 풍부화 회로의 형성으로 이어진다. 이러한 방식으로, 질소 생성물에 더하여, 또한 어떠한 부스팅도 없이 2 내지 12 bar의 비교적 높은 압력에서 공기 분리 유닛의 냉각 부분으로부터 직접 (비순수) 산소 생성물을 효율적으로 공급하는 것이 가능하다. 본 발명의 체제 내에서, 전체적으로 말하자면 이하에서 설명되는 추가의 유리한 개선과 승압 하에서 작동되는 이중 컬럼의 조합이 수행된다.Within the framework of the present invention, the corresponding treatment of a portion of the impure nitrogen in return form leads to the formation of a (positive) enrichment circuit for the high-pressure column. In this way, in addition to the nitrogen product, it is also possible to efficiently feed the (impurity) oxygen product directly from the cooling part of the air separation unit at a relatively high pressure of 2 to 12 bar without any boosting. Within the framework of the invention, as a whole, a combination of dual columns operated under elevated pressure with further advantageous refinements described below is carried out.

언급된 바와 같이, DE 821 654 B는 질소가 도 1에 따라 고압 컬럼(6)(거기에 주어진 도면 부호) 내로 공급되게 하는 방법을 개시한다. 이러한 질소는 고압 컬럼(6)의 섬프를 비등시키기 위해 이전에 사용되었다. 그의 출처는 설명되어 있지 않다. 그러나, 어떠한 경우에도, 라인 35에서 명시적으로 언급된 바와 같이, 순수 질소가 저압 컬럼(8)의 헤드로부터 여기에서 제거된다. 저압 컬럼(8)으로부터 여기에서 취해진 유일한 다른 스트림은, 라인 58에 따라, 아르곤 함유 예비분획물(16)이다. 따라서, 고압 컬럼(6)의 섬프를 비등시키는 데에는 어떠한 비순수 질소도 이용가능하지 않다. 물질 스트림(13)의 질소가 순수 질소여야 한다는 사실은 또한 그것이 고압 컬럼(6)의 헤드에 있는 밸브(15)를 통해 공급된다는 사실에 의해 명백해지며, 그것이 비순수 질소인 경우라면 당업자는 이를 고려하지 않을 것이다. 그러나, 본 발명의 의미에서의 풍부화 회로는 순수 질소로 구현될 수 없다.As mentioned, DE 821 654 B discloses a method in which nitrogen is fed into the high-pressure column 6 (the reference numerals given therein) according to FIG. 1 . This nitrogen was previously used to boil the sump of the high pressure column (6). His source is not explained. In any case, however, as explicitly stated in line 35 , pure nitrogen is removed here from the head of the low pressure column 8 . The only other stream taken here from the low pressure column (8) is, along line 58, an argon containing prefraction (16). Thus, no impure nitrogen is available to boil the sump of the high pressure column 6 . The fact that the nitrogen of the mass stream 13 must be pure nitrogen is also made clear by the fact that it is fed through a valve 15 at the head of the high-pressure column 6 , if it is pure nitrogen, the person skilled in the art takes this into account won't do it However, the enrichment circuit in the sense of the present invention cannot be implemented with pure nitrogen.

종래 기술로부터의 이러한 예에서, 압력 컬럼에는 기체가 아닌, 컬럼의 헤드에서 분배될 액체(순수 질소)가 풍부하다. 이러한 유형의 정류를 실현하기 위해, 압축될 기체 질소는 상응하는 순도 및 상응하는 압력을 가져야 한다. 압력은 섬프 액체에 대한 응축을 허용하도록 압력 컬럼 내의 압력보다 상당히 더 높아야 한다. 본 발명의 체제 내에서, 질소의 그러한 스트림에 대한 외부/내부 공급원은 없다. 질소 압축기는 존재하지 않으며, 저압 컬럼에서 생성되는 어떠한 순수 저압 질소도 존재하지 않는다. 이를 생성하기 위하여, 고압 컬럼으로부터의 액체 스크러빙(scrubbing) 질소 스트림 및 저압 컬럼에 대한 적어도 하나의 추가 정류 섹션이 요구된다. 저압 컬럼에 대한 스크러빙 질소의 제거는, 이어서, 고압 컬럼에서의 정류의 효과를 감소시킬 것이다.In this example from the prior art, the pressure column is not rich in gas, but liquid (pure nitrogen) to be dispensed at the head of the column. In order to realize this type of rectification, the gaseous nitrogen to be compressed must have a corresponding purity and a corresponding pressure. The pressure must be significantly higher than the pressure in the pressure column to allow condensation on the sump liquid. Within the framework of the present invention, there are no external/internal sources for such streams of nitrogen. There is no nitrogen compressor, and no pure low pressure nitrogen is produced in the low pressure column. To produce this, a liquid scrubbing nitrogen stream from the high pressure column and at least one additional rectification section to the low pressure column are required. Removal of scrubbing nitrogen to the low pressure column will in turn reduce the effectiveness of rectification in the high pressure column.

DE 198 03 437 A1호는, 언급된 바와 같이, 실시 형태에서, "풍부화 회로"로 지칭되는 저압 컬럼의 헤드로부터 고압 컬럼 내로의 질소의 복귀가 일어나는 저온 공기 분리를 위한 방법을 설명한다. 재순환을 위해, 그러한 질소는 저압 컬럼의 헤드로부터의 추가 질소와 함께 압축되며, 여기서 그러한 추가 질소는 공기 분리 유닛으로부터의 압력 질소로서 배출된다. 이러한 사실은 이미 이것("PGAN")이 그에 의해 질소 풍부 생성물, 즉 순수 질소를 포함한다는 것을 보여준다. 비순수 질소는 DE 198 03 437 A1호에서, 예를 들어 도 5("N2U")에서 그와 같이 명시적으로 표시되어 있다. 추가로, 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 회로 내에서 순환되는 질소는 고압 컬럼의 헤드에서 방출되며, 이는 순환되는 질소가 비순수 질소라면 일어나지 않을 것이다. 따라서, 또한 여기서, 본 발명의 의미에서 벗어나지 않는 풍부화 회로는 설명된 이점으로 실현될 수 없다. 상기의 상세한 설명을 참조한다.DE 198 03 437 A1 describes a method for cold air separation in which the return of nitrogen from the head of the low-pressure column into the high-pressure column takes place, as mentioned, in an embodiment, referred to as an “enrichment circuit”. For recycle, such nitrogen is compressed together with additional nitrogen from the head of the low pressure column, where that additional nitrogen is withdrawn as pressure nitrogen from the air separation unit. This fact already shows that it (“PGAN”) thereby comprises a nitrogen-rich product, ie pure nitrogen. Impure nitrogen is explicitly indicated as such in DE 198 03 437 A1, for example in FIG. 5 (“N2U”). Additionally, as can be seen from the figure, the nitrogen cycled in the circuit is discharged at the head of the high pressure column, which would not occur if the nitrogen cycled was impure nitrogen. Therefore, also here, an enrichment circuit without departing from the meaning of the invention cannot be realized with the advantages described. See the detailed description above.

이미 언급된 바와 같이, 복귀량의 가열은, 특히 상응하는 공기 분리 유닛의 주 열 교환기에서 일어날 수 있다. 따라서, 이러한 실시 형태에서, 공기 분리 유닛이 증류 컬럼 시스템 내로 공급되는 총 공기 양의 적어도 대부분이 냉각되는 주 열 교환기를 갖는 것이 제공되며, 복귀량의 가열 및 냉각은 주 열 교환기 내에서 적어도 부분적으로 수행된다. 이미 언급된 바와 같이, 본 발명의 체제 내에서, 비순수 질소 전부가 가열되고, 압축되고, 고압 컬럼 내로 공급되는 것은 아니다. 오히려, 특히 비순수 질소의 추가의 일부분이 공기 분리 유닛으로부터 추출될 수 있는 것이 사실이다. 그러한 추가 성분은, 특히, 주 열 교환기 내에서 부분적으로 가열될 수 있거나, 전형적으로 발생기에 의해 제동될 수 있는 터빈 또는 팽창 기계에 의해 팽창될 수 있거나, 주 열 교환기 내에서 추가로 가열되어 공기 분리 유닛으로부터 배출될 수 있거나, 또는 설명되는 방식으로 재생 기체로서 사용될 수 있다.As already mentioned, the heating of the return amount can take place in particular in the main heat exchanger of the corresponding air separation unit. Thus, in this embodiment, it is provided that the air separation unit has a main heat exchanger in which at least a majority of the total amount of air fed into the distillation column system is cooled, wherein the heating and cooling of the return amount is at least partially within the main heat exchanger. is carried out As already mentioned, within the framework of the present invention, not all of the impure nitrogen is heated, compressed and fed into the high pressure column. Rather, in particular, it is true that a further portion of the impure nitrogen can be extracted from the air separation unit. Such additional components may, inter alia, be partially heated in the main heat exchanger, may be expanded by a turbine or expansion machine, which may typically be braked by a generator, or may be further heated in the main heat exchanger to separate the air It may be withdrawn from the unit, or may be used as regeneration gas in the manner described.

본 발명의 체제 내에서, 압축 및 냉각된 공기의 일부분은 응축기 증발기를 통과하고, 그 내에서 적어도 부분적으로 액화되고, 증류 컬럼 시스템 내로 공급된다. 더욱이, 압축 및 냉각된 공기의 추가의 일부분은, 응축기 증발기를 통과하지 않고서, 여기에서 증류 컬럼 시스템 내로 공급된다. 본 발명에 따르지 않은 실시 형태에서, 그러한 응축기 증발기는 제2 섬프 액체의 일부 또는 전체 제2 섬프 액체가 공급되는 액체 용기 내에 배열될 수 있다. 이는 특히 단순한 배열을 야기할 것이다. 그러한 경우, 용기로부터 증발하는 기체는 기체 산소 생성물로서 취해져 주 열 교환기 내에서 가열될 수 있는 반면, 공기 분리 유닛의 냉각 부분으로부터의 비증발 부분은 액체 산소 생성물로서 가열되지 않고서 액체 형태로 취해질 수 있다.Within the framework of the present invention, a portion of the compressed and cooled air passes through a condenser evaporator, is at least partially liquefied therein, and is fed into the distillation column system. Furthermore, a further portion of the compressed and cooled air is fed into the distillation column system here, without passing through the condenser evaporator. In embodiments not according to the invention, such a condenser evaporator may be arranged in a liquid container to which part or all of the second sump liquid is supplied. This will result in a particularly simple arrangement. In such a case, the gas evaporating from the vessel may be taken as the gaseous oxygen product and heated in the main heat exchanger, while the non-evaporating portion from the cooling portion of the air separation unit may be taken in liquid form without being heated as the liquid oxygen product. .

그러나, 본 발명은, 하기에 상세히 설명되는 바와 같이, 상응하는 응축기 증발기가 다른 물질 교환 컬럼에 결합되는 배열과 함께 사용될 때 특정 이점을 펼친다. 본 발명에 따라, 응축기 증발기에서, 입구 산소 함량이 15% 내지 45%, 특히 20% 내지 40%인 액체는, 그가 특히 상응하는 물질 교환 컬럼으로부터 나오고 거기에서 섬프 액체로서 축적됨에 따라, 증발된다. 특히, 본 발명의 체제 내에서 사용되는 응축기 증발기는, 특히 앞서 설명된 바와 같은 관류형 구성을 갖는, 강제 유동 응축기 증발기의 형태를 취할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법에서, 응축기 증발기는 각각의 경우에 특정된 액체가 그 자신의 압력에 의해 증발 챔버를 통해 강제로 통과하게 되고 거기에서 부분적으로 증발되도록 설계될 수 있는데, 부분 증발 동안 증발되지 않은 부분은 다시 증발 챔버를 통해 유동하는 것이 방지될 수 있다.However, the present invention unfolds certain advantages when used in conjunction with an arrangement in which a corresponding condenser evaporator is coupled to another mass exchange column, as detailed below. According to the invention, in the condenser evaporator, a liquid having an inlet oxygen content of 15% to 45%, in particular 20% to 40%, is evaporated, as it emerges from the corresponding mass exchange column and accumulates there as a sump liquid, in particular. In particular, the condenser evaporator used within the framework of the present invention may take the form of a forced flow condenser evaporator, in particular having a once-through configuration as described above. Thus, in the method according to the invention, the condenser evaporator can be designed so that the liquid specified in each case is forced by its own pressure through the evaporation chamber and partially evaporated there, which evaporates during partial evaporation. The unfinished portion can be prevented from flowing back through the evaporation chamber.

본 발명의 체제 내에서, 특히, 응축기 증발기를 통과하지 않고서 증류 컬럼 시스템 내로 공급되는 압축 및 냉각된 공기의 일부분은, 기체 압축 공기로서 제1 공급 지점에서 고압 컬럼 내로 적어도 부분적으로 공급되고, 제1 공급 지점 위의 1 내지 10개의 이론적 플레이트인 제2 공급 지점에서, 복귀량은 유리하게는 공급된다. 이는, 복귀량이 대기 공기보다 더 높은 질소 함량을 갖고 이러한 이유로 제2 공급 지점에서의 공급이 특히 양호하기 때문에, 특히 유리하다.Within the framework of the invention, in particular, the part of the compressed and cooled air that is fed into the distillation column system without passing through the condenser evaporator is at least partially fed into the high-pressure column at a first feed point as gaseous compressed air, At the second feeding point, which is 1 to 10 theoretical plates above the feeding point, the return amount is advantageously fed. This is particularly advantageous, since the return amount has a higher nitrogen content than atmospheric air and for this reason the feed at the second feed point is particularly good.

본 발명에 따른 방법에서, 제1 섬프 액체의 적어도 일부분은, 가능하게는 과냉각 후에 그러나 어떠한 조치도 그의 조성에 영향을 미치지 않고서, 제1 지점에서 저압 컬럼 내로 공급될 수 있다. 대조적으로, 응축기 증발기 내에서 액화 또는 부분적으로 액화된 공기는 제2 지점에서 저압 컬럼 내로 공급될 수 있다. 이러한 경우, 제2 지점은 제1 지점 위에, 특히 저압 컬럼의 헤드에 배열된다.In the process according to the invention, at least a portion of the first sump liquid can be fed into the low pressure column at a first point, possibly after supercooling but without any measures affecting its composition. In contrast, air liquefied or partially liquefied in the condenser evaporator may be fed into the low pressure column at a second point. In this case, the second point is arranged above the first point, in particular at the head of the low pressure column.

본 발명의 특히 바람직한 실시 형태에서, 응축기 증발기를 통과하고 그 내에서 적어도 부분적으로 액화되고 증류 컬럼 시스템 내로 공급되는 압축 및 냉각된 공기의 일부분이 전체적으로 저압 컬럼 내로 공급된다. 대조적으로, 증류 컬럼 시스템 내로 공급되는 압축 및 냉각된 공기의 추가의 일부분은, 응축기 증발기를 통과하지 않고서, 고압 컬럼 내로 부분적으로, 그러나 유리하게는 마찬가지로 전체적으로, 공급될 수 있다.In a particularly preferred embodiment of the invention, a portion of the compressed and cooled air passing through the condenser evaporator and at least partially liquefied therein and fed into the distillation column system is fed entirely into the low pressure column. In contrast, a further portion of the compressed and cooled air fed into the distillation column system can be fed partially, but advantageously likewise entirely, into the high-pressure column without passing through the condenser evaporator.

유리하게는, 본 발명에 따른 방법의 일 실시 형태에서, 이미 언급된 바와 같이, 복귀량 형태의 비순수 질소 스트림의 제1 부분은 연속하여 가열될 수 있고, 제1 압력 범위 내의 압력으로 압축될 수 있고, 냉각될 수 있고, 고압 컬럼 내로 공급될 수 있으며; 그러나, 비순수 질소 스트림의 추가의 일부분은 연속하여 부분적으로 가열될 수 있고, 팽창 터빈 내에서 팽창될 수 있고, 재가열될 수 있고, 공기 분리 유닛으로부터 배출될 수 있다. 상응하는 팽창 터빈을 사용함으로써 냉각이 발생될 수 있다.Advantageously, in one embodiment of the process according to the invention, as already mentioned, a first portion of the stream of impure nitrogen in return form can be continuously heated and compressed to a pressure within the first pressure range. may be cooled, may be fed into a high pressure column; However, a further portion of the unpure nitrogen stream may be continuously partially heated, expanded in the expansion turbine, reheated, and discharged from the air separation unit. Cooling can take place by using a corresponding expansion turbine.

이러한 방법의 변형예의 일 실시 형태에서, 산소 풍부 기체는 또한 저압 컬럼의 하부 영역으로부터 취해질 수 있고, 비순수 질소의 추가의 일부분과는, 그의 부분 가열 전에, 조합될 수 있다. 냉각은 또한, 특히 상응하는 산소가 요구되지 않는 경우에, 이러한 방식으로 발생될 수 있다.In one embodiment of a variant of this method, the oxygen-enriched gas may also be taken from the lower region of the low pressure column and combined with a further portion of the impure nitrogen, prior to partial heating thereof. Cooling can also take place in this way, especially if the corresponding oxygen is not required.

본 발명의 체제 내에서, 조합된 기계들이 압축에 사용될 수 있다. 따라서, 증류 컬럼 시스템에 공급되는 공급 공기 및 비순수 질소의 복귀량은 특히 단일 압축기(앞 부분 참조)의 상이한 압축기 스테이지들에서 또는 서로 기계적으로 결합된 압축기들에서 압축될 수 있다.Within the framework of the present invention, combined machines may be used for compression. Thus, the return amount of feed air and impure nitrogen supplied to the distillation column system can be compressed in particular in different compressor stages of a single compressor (see previous section) or in compressors mechanically coupled to each other.

적어도 배타적이지 않게 순수 산소가 산업적 응용을 위해 필요한 경우, 공기 분리 유닛은 그의 제조 및 작동 비용, 특히 그의 에너지 소비와 관련하여 최적화될 수 있다. 상세한 설명을 위해, 전문가 문헌, 예컨대, 문헌[F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, Section 3.8, "Development of low oxygen-purity processes"]을 참조한다. 예를 들어, 소위 혼합 컬럼을 갖는 공기 분리 유닛이 더 낮은 순도의 기체 압축 산소를 획득하는 데 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 예를 들어 EP 3 179 186 A1호 및 거기에 있는 인용문헌을 참조한다.Where, at least not exclusively, pure oxygen is required for industrial applications, the air separation unit can be optimized with respect to its manufacturing and operating costs, in particular with regard to its energy consumption. For a detailed description, see expert literature, such as F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, Section 3.8, "Development of low oxygen-purity processes"]. For example, an air separation unit with a so-called mixing column can be used to obtain lower purity gaseous compressed oxygen. In this regard, reference is made, for example, to EP 3 179 186 A1 and the references therein.

종래의 혼합 컬럼에서, 종래에, 산소 풍부 액체는 헤드 및 섬프 근처의 기체 압축 공기 - 소위 혼합 컬럼 공기 - 근처에서 공급되어, 물질 교환을 거친다. 따라서, 소위 "비순수" 산소는 혼합 컬럼의 헤드에서 흡인되어 기체 생성물로서 공기 분리 유닛으로부터 취해질 수 있다. 혼합 컬럼의 섬프 내에서 아래에 놓인 액체는 에너지 고려사항 또는 분리 기법과 관련하여 적합한 지점에서 사용되는 증류 컬럼 시스템 내로 공급될 수 있다. 혼합 컬럼을 사용함으로써, 특히, 산소 생성물의 압력을 증가시키는 데 필요한 에너지는 산소 생성물의 순도를 희생하여 감소될 수 있다.In a conventional mixing column, conventionally, an oxygen-enriched liquid is supplied near gaseous compressed air near the head and sump - so-called mixing column air, and undergoes mass exchange. Thus, so-called "impure" oxygen can be drawn off at the head of the mixing column and taken from the air separation unit as a gaseous product. The liquid underlying within the sump of the mixing column may be fed into the distillation column system used at a suitable point with regard to energy considerations or separation techniques. By using a mixing column, in particular, the energy required to increase the pressure of the oxygen product can be reduced at the expense of the purity of the oxygen product.

공급 공기 스트림이 아닌 대신 다른 물질 스트림이 내부로 공급되는 물질 교환 컬럼을, 종래의 혼합 컬럼 대신, 사용하는 것이 유리할 수 있다. 이는, 특히, 고압 컬럼으로부터의 산소 풍부 액체, 특히 그의 섬프 액체일 수 있다. 대기 공기와 비교하여 산소가 이미 풍부화된 그러한 액체는, 특히 액체 형태로 물질 교환 컬럼 내로 공급되고, 섬프 내에서는 물질 교환 컬럼 내에서 아래로 유동하는 액체와 혼합된다. 응축기 증발기에 의해, 형성된 혼합 액체는 아래에서 설명되는 바와 같이 증발되고, 형성된 증기는 물질 교환 컬럼 내에서 상승한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 상응하는 물질 교환 컬럼 내의 기체 상은, 종래의 혼합 컬럼에서와 같이, 압축 공기에 의해 형성되지 않고, 오히려 이러한 대안적인 방식으로 형성된다.It may be advantageous to use, instead of a conventional mixing column, a mass exchange column into which another mass stream is fed instead of a feed air stream. It may in particular be an oxygen-rich liquid from a high-pressure column, in particular its sump liquid. Such liquid, which is already enriched in oxygen compared to atmospheric air, is fed into the mass exchange column, in particular in liquid form, and in a sump is mixed with the liquid flowing down in the mass exchange column. By means of the condenser evaporator, the formed mixed liquid is evaporated as described below, and the formed vapor rises in the mass exchange column. Thus, according to the invention, the gas phase in the corresponding mass exchange column is not formed by means of compressed air, as in a conventional mixing column, but rather in this alternative way.

혼합 컬럼을 갖는 종래의 공기 분리 유닛에서, 최대 사용가능한 소위 주입 등가물(injection equivalent)은 아래에서 더 상세히 설명되는 이유로 크게 제한된다. 그러나, 이는 또한 공기 분리 유닛에서 주입 등가물의 증가에 의해 가능한 에너지 절감을 제한한다. 물질 교환 컬럼의 설명된 작동에 의해, 이러한 단점은 제거된다.In a conventional air separation unit with a mixing column, the maximum usable so-called injection equivalent is largely limited for reasons explained in more detail below. However, this also limits the possible energy savings by increasing the injection equivalents in the air separation unit. By the described operation of the mass exchange column, this disadvantage is eliminated.

용어 "주입 등가물"은, 전형적인 Lachmann 터빈("주입 터빈")에 의해 팽창되고 저압 컬럼 내로 공급되는 ("내로 주입되는") 압축 공기를 지칭한다. 그에 따라서 저압 컬럼 내로 팽창된 공기는 정류를 방해하는데, 이는 주입 터빈 내에서 팽창될 수 있는 공기의 양 및 그에 따른, 상응하는 유닛에 대해 이러한 방식으로 발생될 수 있는 냉각이 제한되는 이유이다. 고압 컬럼으로부터 취해지고 공기 분리 유닛으로부터 배출되는 질소 풍부 공기 생성물이 또한, 상응하는 방식으로 정류에 영향을 준다. 저압 컬럼 내의 공급된 공기에 더한 고압 컬럼으로부터 제거되고 공기 분리 유닛으로부터 배출되는 질소의 양은 증류 컬럼 시스템에 공급되는 총 공기와 관련하여 특정될 수 있다. 획득된 값은 "주입 등가물"이다.The term “injection equivalent” refers to compressed air that is expanded by a typical Lachmann turbine (“injection turbine”) and fed into (“injected into”) a low pressure column. The air expanded into the low pressure column thus impedes rectification, which is why the amount of air that can be expanded in the injection turbine and thus the cooling that can be generated in this way for the corresponding unit is limited. The nitrogen-rich air product taken from the high-pressure column and discharged from the air separation unit also affects the rectification in a corresponding manner. The amount of nitrogen removed from the high pressure column and withdrawn from the air separation unit in addition to the air supplied in the low pressure column can be specified in relation to the total air supplied to the distillation column system. The values obtained are "infusion equivalents".

따라서, 주입 등가물은, 증류 컬럼 시스템 내로 공급되는 총 압축 공기에 관하여, 압축되고, 주입 터빈에 의해, 공기 분리 유닛의 저압 컬럼 내로 팽창되는 압축 공기의 양에 더한 고압 컬럼으로부터 취해질 수 있고 액체 복귀물로서 고압 컬럼 자체로 복귀되지도 않고 액체 복귀물로서 저압 컬럼으로 공급되지도 않는 질소의 양으로서 정의된다. 고압 컬럼으로부터 취해진 질소는 고압 컬럼의 헤드로부터의 순수 또는 본질적으로 순수한 질소, 즉 앞서 언급된 제1 상부 기체일 수 있지만, 또한 더 낮은 질소 함량으로 헤드 아래의 영역으로부터 고압 컬럼으로부터 인출될 수 있는 질소가 풍부화된 기체일 수 있다.Thus, the injection equivalent can be taken from the high pressure column plus the amount of compressed air compressed with respect to the total compressed air fed into the distillation column system and expanded by the injection turbine into the low pressure column of the air separation unit and liquid return It is defined as the amount of nitrogen that is neither returned to the high pressure column itself nor fed to the low pressure column as liquid return. The nitrogen taken from the high pressure column may be pure or essentially pure nitrogen from the head of the high pressure column, ie the first overhead gas mentioned above, but also nitrogen which may be withdrawn from the high pressure column from the region below the head with a lower nitrogen content. may be an enriched gas.

상응하는 공기 분리 유닛에 주입 터빈이 사용되고 그 내에서 양 M1의 압축 공기가 팽창되고, 양 M2의 질소가 고압 컬럼으로부터 취해지고 액체 및/또는 기체 질소 생성물로서 취해지고, 즉, 고압 및/또는 저압 컬럼으로의 복귀물로서 사용되지 않고, 양 M3의 압축 공기가 전체적으로 증류 컬럼 시스템에 공급되는 경우, 상응하는 유닛 내의 주입 등가물 E는 하기와 같이 발생한다:In the corresponding air separation unit an injection turbine is used and compressed air of quantity M1 is expanded therein, nitrogen of quantity M2 is taken from the high pressure column and taken as liquid and/or gaseous nitrogen product, ie high and/or low pressure If, not used as return to the column, both M3 of compressed air are fed to the distillation column system as a whole, the injection equivalent E in the corresponding unit occurs as follows:

E = (M1 + M2) / M3. (1)E = (M1 + M2) / M3. (One)

예를 들어, M1이 또한 0일 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.For example, it goes without saying that M1 can also be zero.

저온 공기 분리를 위한 다른 방법과 비교하여, 종래의 혼합 컬럼 방법에 의한 이용가능한 주입 등가물이 더 낮은 이유는, 특히, 혼합 컬럼 내로 공급되는 공기 스트림이 이중 컬럼에서의 정류 공정에서 최적으로 참여하지 않는다는 사실이다. 특히, 이러한 공기 스트림 내에 존재하는 산소는 고압 및 저압 컬럼을 완전히 바이패스한다. 이러한 산소는 혼합 컬럼의 헤드 생성물의 형태로 공기 분리 유닛으로부터 취해진다. 다른 한편으로, 혼합 컬럼으로의 공기 스트림 내에 함유된 질소는 (혼합 컬럼에서의 교환 공정 후) 혼합 컬럼의 섬프 액체 내에 거의 완전히 남아있다. 이러한 섬프 액체는 전형적으로 산소 함량이 약 65%이며, 공지된 방법에서, 그러한 산소 함량에 상응하는 공급 지점에서 저압 컬럼 내로 공급된다.Compared to other methods for cold air separation, the lower available injection equivalents by the conventional mixed column method is that, in particular, the air stream fed into the mixing column does not optimally participate in the rectification process in the dual column. True. In particular, the oxygen present in this air stream completely bypasses the high and low pressure columns. This oxygen is taken from the air separation unit in the form of the head product of the mixing column. On the other hand, the nitrogen contained in the air stream to the mixing column remains almost completely in the sump liquid of the mixing column (after the exchange process in the mixing column). This sump liquid typically has an oxygen content of about 65% and, in known methods, is fed into the low pressure column at a feed point corresponding to that oxygen content.

그러나, 별개의 관점에서, 그러한 공급 지점은 아래에 비교적 멀리 있는, 즉 산소 함량이 여전히 비교적 높은 지점인, 저압 컬럼의 영역에 위치된다. 공급 지점 아래에 놓인 정류 또는 분리 섹션은 이미 산소 섹션으로 간주될 수 있는데, 이는 저압 컬럼 내로의 추가 공급이 혼합 컬럼의 섬프 생성물에 대한 공급 지점 아래에서 일어나지 않기 때문이다. 따라서, 별개의 관점에서, (혼합 컬럼의 섬프 액체의 형태로 저압 컬럼에 진입하는) 공기 스트림으로부터 혼합 컬럼으로의 질소는 매우 멀리 아래로부터 분리되어야 한다. 그러나, 그러한 분리는 주어진 조건 하에서 극히 복잡하며, 주 응축기의 비교적 높은 성능을 필요로 한다. 따라서, 저압 컬럼 내로의 주입물 또는 언급된 주입 등가물의 양은, 만족스러운 분리를 달성할 수 있도록, 상응하게 감소되어야 한다.However, from a separate point of view, such a feed point is located in the region of the low pressure column at a relatively remote below, ie at a point where the oxygen content is still relatively high. The rectification or separation section lying below the feed point can already be considered an oxygen section, since no further feed into the low pressure column takes place below the feed point for the sump product of the mixing column. Thus, from a separate point of view, the nitrogen into the mixing column from the air stream (which enters the low pressure column in the form of the sump liquid of the mixing column) must be separated very far from below. However, such separation is extremely complex under the given conditions and requires a relatively high performance of the main condenser. Accordingly, the amount of injection into the low-pressure column or the stated equivalent of injection must be reduced correspondingly, in order to achieve a satisfactory separation.

전술된 물질 교환 컬럼의 변형된 작동의 상당한 이점은, 공급 공기가 전체적으로 증류 컬럼 시스템 내로 공급되고 이에 상응하여 거기에서 사전분리된다는 것이다. 언급된 바와 같이, 종래의 방법에서, 혼합 컬럼 내로 공급되는 공기 유동은 이중 컬럼 내에서의 정류 공정에 최적으로는 참여하지 않으며, 특히, 그러한 공기 스트림 내에 존재하는 산소는 고압 및 저압 컬럼들을 완전히 바이패스한다. 그러나, 그것은 물질 교환 컬럼의 전술된 작동의 체제 내에서 그렇게 한다. 이러한 방식으로, 정류 비를 크게 개선하거나 정류에 필요한 노력을 감소시키는 것이 가능하다. 따라서, 무엇보다도, 종래의 공정에서와 같이, 산소 분자는 정류 컬럼을 우회하지 않고(모든 산소는 분리 기법에 의해 정류 컬럼에서 처리됨), 과도한 질소가 더 많은 노력으로 분리되어야 하는 저압 컬럼에서 발생하지 않는다. 주 응축기의 성능은 이러한 방식으로 크게 감소될 수 있거나, 연관된 에너지 절감과 함께 주입 등가물의 상당한 증가가 상응하는 유닛에서 가능하다.A significant advantage of the modified operation of the mass exchange column described above is that the feed air is fed entirely into the distillation column system and is correspondingly pre-separated there. As mentioned, in conventional methods, the air flow fed into the mixing column does not optimally participate in the rectification process in the dual column, and in particular, the oxygen present in such an air stream completely bypasses the high and low pressure columns. pass However, it does so within the framework of the aforementioned operation of the mass exchange column. In this way, it is possible to greatly improve the commutation ratio or reduce the effort required for commutation. Thus, first of all, molecular oxygen does not bypass the rectification column (all oxygen is treated in the rectification column by a separation technique), as in conventional processes, and excess nitrogen does not occur in the low pressure column, which must be separated with greater effort. does not The performance of the main condenser can be greatly reduced in this way, or a significant increase in injection equivalents with the associated energy savings is possible in the corresponding unit.

본 발명의 체제 내에서, 증류 컬럼 시스템 내로 공급되는 공기는 응축기 증발기를 부분적으로 통과하는데, 이미 언급된 바와 같이, 공기 부분은 응축기 증발기를 통과하지 않고서 증류 컬럼 시스템 내로 또한 공급된다.Within the framework of the present invention, the air supplied into the distillation column system passes partially through the condenser evaporator, which, as already mentioned, is also fed into the distillation column system without passing through the condenser evaporator.

본 발명에 따르면, 응축기 증발기는, 특히 혼합 액체가 응축기 증발기 내에서 부분적으로 증발되는 방식으로 물질 교환 컬럼과 함께 작동되는데, 혼합 액체는 물질 교환 컬럼으로부터 취해진 섬프 액체를 사용하여 형성되며, 물질 교환 컬럼 내에는 제1 섬프 액체의 일부분이 제1 공급 지점에서 공급되고 제2 섬프 액체의 일부분이 제1 공급 지점 위의 제2 공급 지점에서 공급된다. 이리하여, 앞에서 설명된 방식으로, 물질 교환 컬럼의 섬프 내의 혼합 액체는 획득될 수 있고, 특히, 이러한 응축기 증발기 내로 방향전환됨으로써 응축기 증발기 내로 부분적으로 증발될 수 있다.According to the invention, the condenser evaporator is operated with a mass exchange column, in particular in such a way that the mixed liquid is partially evaporated in the condenser evaporator, the mixed liquid being formed using a sump liquid taken from the mass exchange column, the mass exchange column A portion of the first sump liquid is supplied at the first supply point and a portion of the second sump liquid is supplied at a second supply point above the first supply point. Thus, in the manner described above, the mixed liquid in the sump of the mass exchange column can be obtained and, in particular, partially evaporated into the condenser evaporator by being diverted into this condenser evaporator.

본 발명의 체제 내에서, 제1 공급 지점에서 물질 교환 컬럼 내로 공급되는 제1 섬프 액체의 일부분은 특히, 물질 교환 컬럼 내로 비가열 상태로 주입된다. "비가열" 공급물은 그 일부분이 어떠한 특정 온도 증가 조치도 거치지 않는다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 이는 적어도, 물질 교환 컬럼의 작동 압력이 고압 컬럼의 작동 압력 미만에 있을 때 여기에서 고려되는 경우에 적용된다. 제1 섬프 액체의 일부분의 과냉각이 또한 소정의 경우에 유리할 수 있다. 본 발명의 설명된 실시 형태와는 대조적으로, 제2 공급 지점에서 물질 교환 컬럼 내로 공급되는 제2 섬프 액체의 일부분은 물질 교환 컬럼 내로 공급되기 전에 주 열 교환기 내에서 가열된다. 특히, 이러한 부분은 중간 온도 수준에서 주 열 교환기로부터 취해진다.Within the framework of the invention, a portion of the first sump liquid fed into the mass exchange column at the first feed point is in particular injected into the mass exchange column unheated. "Unheated" feed is understood to mean that a portion of which is not subjected to any specific temperature increasing measures. This applies at least in the case considered here when the operating pressure of the mass exchange column is below the operating pressure of the high pressure column. Subcooling of a portion of the first sump liquid may also be advantageous in certain instances. In contrast to the described embodiment of the present invention, the portion of the second sump liquid fed into the mass exchange column at the second feed point is heated in the main heat exchanger prior to being fed into the mass exchange column. In particular, this portion is taken from the main heat exchanger at an intermediate temperature level.

혼합 액체는 응축기 증발기 내에서 증발되는 그러한 전술된 액체를 나타낸다. 본 발명의 체제 내에서, 응축기 증발기 내에서 증발되지 않은 혼합 액체의 일부분은, 언급된 바와 같이, 특히 부분적으로 또는 바람직하게는 전체적으로 저압 컬럼 내로 공급된다. 본 발명의 체제 내에서, 액체는 또한 제1 공급 지점과 제2 공급 지점 사이의 추출 지점에서, 설명된 물질 교환 컬럼으로부터 취해질 수 있고, 부분적으로 또는 바람직하게는 전체적으로 저압 컬럼 내로 공급될 수 있다. 저압 컬럼 내로 직접, 즉 물질 교환 컬럼에 공급되지 않고서, 공급되는 제1 섬프 액체의 추가의 일부분에 동일한 내용이 또한 적용된다.Mixed liquid refers to those liquids described above that are evaporated in the condenser evaporator. Within the framework of the present invention, the portion of the mixed liquid not evaporated in the condenser evaporator is, as mentioned, in particular partially or preferably entirely fed into the low-pressure column. Within the framework of the invention, the liquid may also be taken from the mass exchange column described, at an extraction point between the first and second feed points, and may be fed partially or preferably entirely into the low pressure column. The same applies also to the further portion of the first sump liquid fed directly into the low pressure column, ie without being fed to the mass exchange column.

본 발명에 따른 방법에서, 소위 과냉각 향류(countercurrent) 열 교환기 형태의 열 교환기가 사용되는 것이 특히 제공될 수 있는데, 여기서는 제2 공급 지점에서 물질 교환 컬럼 내로 공급되는 제2 섬프 액체의 일부분의 부분 양 또는 전체 양이 주 열 교환기 내에서 가열되기 전에 가열되고/되거나, 복귀량의 부분 양 또는 전체 양이 주 열 교환기 내에서의 추가 가열 전에 가열되고/되거나, 응축기 증발기를 통과하고 그 내에서 적어도 부분적으로 액화되고 증류 컬럼 시스템 내로 공급된 압축 및 냉각된 공기의 일부분의 부분 양 또는 전체 양이 증류 컬럼 시스템 내로 공급되기 전에 냉각되고/되거나, 혼합 액체의 비증발 부분의 일부분의 부분 양 또는 전체 양이 부분적으로 또는 전체적으로 증류 컬럼 시스템 내로 공급되기 전에 냉각되고/되거나, 제1 공급 지점과 제2 공급 지점 사이의 추출 지점에서 물질 교환 컬럼으로부터 취해진 액체의 부분 양 또는 전체 양이 부분적으로 또는 전체적으로 저압 컬럼 내로 공급되기 전에 냉각되고/되거나, 제1 섬프 액체의 추가의 일부분의 부분 양 또는 전체 양이 저압 컬럼 내로 공급되기 전에 냉각된다. 언급된 바와 같이, 전술된 물질 스트림의 일부분은 각각의 경우에 또한 상응하게 사용될, 즉 냉각 또는 가열될 수 있다. 언급된 물질 스트림은 그의 각각의 온도에 상응하는 지점에서 상응하는 열 교환기로 공급되거나 그로부터 취해질 수 있다.In the process according to the invention, it can in particular be provided that a heat exchanger of the form of a so-called supercooled countercurrent heat exchanger is used, wherein the fractional amount of a portion of the second sump liquid fed into the mass exchange column at the second feed point. or the entire amount is heated before being heated in the main heat exchanger and/or a partial amount or the total amount of the return amount is heated before further heating in the main heat exchanger and/or passed through a condenser evaporator and is at least partially therein The partial amount or the total amount of a portion of the compressed and cooled air that is liquefied into a mixture and fed into the distillation column system is cooled before being fed into the distillation column system, and/or the partial amount or the total amount of a portion of the non-evaporative portion of the mixed liquid is A partial or total amount of liquid that is cooled before being partially or wholly fed into the distillation column system and/or taken from the mass exchange column at an extraction point between the first feed point and the second feed point is partially or wholly introduced into the low pressure column. It is cooled prior to being fed, and/or a partial amount or the entire amount of a further portion of the first sump liquid is cooled before being fed into the low pressure column. As mentioned, a part of the material stream mentioned above can in each case also be used correspondingly, ie cooled or heated. The material streams mentioned may be fed to or taken from the corresponding heat exchangers at points corresponding to their respective temperatures.

본 발명의 체제 내에서, 상부 기체가 물질 교환 컬럼으로부터 제거되고, 가열되고, 공기 분리 유닛으로부터 배출되는 것이 특히 제공될 수 있다. 이러한 상부 기체는 제2 섬프 액체보다 더 낮은 산소 함량을 갖고, 그에 따라서, 공급된 질소에 더하여 이용가능한 방법 생성물로서 상응하는 압력에서 제공될 수 있다. 고압 컬럼으로부터의 제1 상부 기체도 설명된 방식으로 생성물로서 취해질 수 있다.Within the framework of the invention, it may in particular be provided for the overhead gas to be removed from the mass exchange column, heated and withdrawn from the air separation unit. This overhead gas has a lower oxygen content than the second sump liquid and can therefore be provided at a corresponding pressure as usable process product in addition to the supplied nitrogen. The first overhead gas from the high pressure column can also be taken as product in the manner described.

언급된 바와 같이, 본 발명에 따르지 않은 실시 형태에 따른 공기 분리 유닛은 전술된 방식으로 물질 교환 컬럼 없이도 작동될 수 있다. 이와 관련하여, 응축기 증발기에서 제2 섬프 액체 또는 그의 일부분, 즉 고압 컬럼으로부터의 섬프 액체가 변화되지 않은 조성으로 부분적으로 증발되는 것이 제공될 수 있는데, 여기서 그의 증발 부분 및 비증발 부분은 공기 분리 시스템으로부터의 산소 생성물로서 부분적으로 또는 전체적으로 추출된다.As mentioned, the air separation unit according to an embodiment not according to the invention can be operated without a mass exchange column in the manner described above. In this regard, it may be provided that in the condenser evaporator the second sump liquid or a portion thereof, ie the sump liquid from the high-pressure column, is partially evaporated to an unchanged composition, wherein the vaporized and non-evaporated portions thereof are separated from the air separation system. partially or wholly extracted as oxygen products from

본 발명은 또한 공기 분리 유닛으로 이어진다. 그러한 공기 분리 유닛의 특징 및 이점을 위해, 상응하는 독립 청구항을 참조한다. 특히, 그러한 공기 분리 유닛은 앞서 설명된 실시 형태들 중 하나 이상에서의 방법을 수행하도록 설계되고, 이러한 목적을 위한 상응하게 설계된 수단을 갖는다. 따라서, 특징 및 이점을 위해, 상기 설명을 명백히 참조한다.The invention also leads to an air separation unit. For the features and advantages of such an air separation unit, reference is made to the corresponding independent claims. In particular, such an air separation unit is designed for carrying out the method in one or more of the previously described embodiments and has correspondingly designed means for this purpose. Accordingly, for features and advantages, reference is made explicitly to the above description.

본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 예시하는 첨부 도면을 참조하여 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention.

도 1은 단순화된 개략적 표현으로 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 분리 유닛을 도시한다.
도 2는 단순화된 개략적 표현으로 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 분리 유닛을 도시한다.
도 3은 단순화된 개략적 표현으로 본 발명에 따르지 않은 공기 분리 유닛을 도시한다.
도면에서, 서로 기능적으로 또는 구조적으로 상응하는 요소들은 동일한 도면 부호로 표시되어 있고 명료함을 목적으로 반복하여 설명되지 않는다. 도면에서, 액체 물질 스트림이 (채워진) 흑색 유동 화살표로 표시되는 반면, 물질의 기체 스트림은 (채워지지 않은) 백색 유동 화살표로 표시된다.
1 shows in a simplified schematic representation an air separation unit according to an embodiment of the invention;
2 shows an air separation unit according to an embodiment of the invention in a simplified schematic representation;
3 shows in a simplified schematic representation an air separation unit not according to the invention;
In the drawings, elements that functionally or structurally correspond to each other are denoted by the same reference numerals and are not described repeatedly for the purpose of clarity. In the figure, the liquid material stream is indicated by (filled) black flow arrows, while the gaseous stream of material is indicated by (unfilled) white flow arrows.

도 1에는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 분리 유닛이 개략적인 공정 흐름도의 형태로 도시되어 있으며, 이는 전체적으로 100으로 표시되어 있다.1 , an air separation unit according to an embodiment of the present invention is shown in the form of a schematic process flow diagram, which is generally indicated by 100 .

유닛(100)에서, 공급 공기(A)는 주 공기 압축기(2)에 의해 필터(1)를 거쳐 흡인된다. 열 교환기(나타내지 않음)에서의 그리고 직접 접촉 응축기에서의 사전냉각 후, 상응하게 압축된 공기는 흡착기 스테이션(3)으로 공급되고, 이는 여기서 물 및 이산화탄소와 같은 원치 않는 성분으로부터 자유롭게 된다. 이어서, 공기는 공급 공기 스트림(a)의 형태로 공기 분리 유닛(100)의 주 열 교환기(4)로 공급되고, 그로부터 냉각 단부에서 추출된다. 이어서, 초기에 a로 또한 표시된 공급 공기 스트림은 2개의 부분 스트림(b)과 부분 스트림(c)으로 분할된다. 부분 스트림(b)은 응축기 증발기(5) 내에서 적어도 액화 또는 부분적으로 액화되고, 여전히 b로 표시되고, 과냉각 향류 열 교환기(6)를 통과하고, 이어서, 저압 컬럼(12)에 더하여 고압 컬럼(11)을 또한 갖는 증류 컬럼 시스템(10)의 저압 컬럼(12) 내로 공급된다. 다른 한편으로, 부분 스트림(c)은 고압 컬럼(11) 내로 직접 공급된다.In unit 100 , supply air A is drawn through filter 1 by means of a main air compressor 2 . After precooling in a heat exchanger (not shown) and in a direct contact condenser, the correspondingly compressed air is fed to an adsorber station 3 , where it is freed from unwanted components such as water and carbon dioxide. The air is then fed to the main heat exchanger 4 of the air separation unit 100 in the form of a feed air stream a, from which it is extracted at the cooling end. The feed air stream, also initially designated a, is then split into two partial streams (b) and partial streams (c). Partial stream (b) is at least liquefied or partially liquefied in the condenser evaporator (5), still denoted b, and passes through a supercooled countercurrent heat exchanger (6), which is then followed by a low pressure column (12) in addition to a high pressure column ( 11) is fed into the low pressure column 12 of the distillation column system 10 . On the other hand, the partial stream c is fed directly into the high-pressure column 11 .

고압 컬럼(11)에서는, 고압 컬럼(11) 내로 공급되는 부분 유동(c) 및 추가의 - 아래에서 설명되는 - 물질 스트림을 사용하여, 대기 공기보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 질소 함량을 갖는 제1 섬프 액체, 및 대기 공기보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 질소 함량을 갖는 제1 상부 기체가 저온 정류에 의해 형성된다. 제1 섬프 액체는 고압 컬럼(11)으로부터 배출되어 2개의 부분 스트림(d)과 부분 스트림(e)으로 분할된다. 부분 스트림(d)은 제1 공급 지점에서 물질 교환 컬럼(7) 내로 공급된다. 부분 스트림(e)은 과냉각 향류 열 교환기(6)를 통과하여 저압 컬럼(12) 내로 공급된다. 제1 상부 기체는 고압 컬럼, 및 고압 컬럼(11)과 저압 컬럼(12)을 열 교환 방식으로 연결하는 주 응축기(13) 내에서 부분적으로 또는 완전히 액화된 부분 스트림(f) 형태의 제1 부분으로부터 취해진다. 이어서, 이것(링크 X 참조)의 일부가 공기 분리 유닛(100)으로부터 액체 질소 생성물(HPLIN)로서 배출될 수 있고; 다른 부분은 환류(별도로 표시되지 않음)의 형태로 고압 컬럼(11)으로 복귀된다. 제1 상부 기체 중에서, 주 응축기(13)를 통과하지 않은 부분은, 물질 스트림(g)의 형태로, 주 열 교환기(4) 내에서 가열될 수 있고, 예를 들어, 압축 질소 생성물(PGAN) 또는 밀봉 기체(SG)로서 제공될 수 있다.In the high-pressure column 11 , using a partial flow c fed into the high-pressure column 11 and a further material stream - described below - a material having a higher oxygen content and a lower nitrogen content than atmospheric air. One sump liquid and a first overhead gas having a lower oxygen content and higher nitrogen content than atmospheric air are formed by low temperature rectification. The first sump liquid exits the high pressure column 11 and is split into two partial streams (d) and partial streams (e). The partial stream d is fed into the mass exchange column 7 at a first feed point. Partial stream (e) passes through a subcooled countercurrent heat exchanger (6) and is fed into a low pressure column (12). The first overhead gas is a first portion in the form of a partial stream (f) partially or completely liquefied in a high-pressure column and a main condenser 13 connecting the high-pressure column 11 and the low-pressure column 12 in a heat exchange manner. is taken from A part of this (see link X) can then be withdrawn from the air separation unit 100 as liquid nitrogen product (HPLIN); The other portion is returned to the high pressure column 11 in the form of reflux (not indicated separately). The portion of the first overhead gas that has not passed through the main condenser 13 can be heated in the main heat exchanger 4 in the form of a mass stream g, for example compressed nitrogen product (PGAN) Alternatively, it may be provided as the sealing gas SG.

저압 컬럼(12)에서는, 저압 컬럼(12) 내로 공급되는 물질 스트림을 사용하여, 제1 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 질소 함량을 갖는 제2 섬프 액체, 및 제1 섬프 액체보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 질소 함량을 갖는 제2 상부 기체가 저온 정류에 의해 형성된다. 제1 섬프 액체는 펌프(별도로 표시되지 않음)에 의해 저압 컬럼(12)의 섬프로부터 물질 스트림(h)의 형태로 적어도 부분적으로 추출되고, 물질 스트림(i) 형태의 액체 질소 생성물로서 부분적으로 제공된다. 여기서 물질 스트림(k)의 형태로 도시된 다른 부분은 과냉각 향류 열 교환기(6)를 통과하고, 주 열 교환기(4) 내에서 부분적으로 가열되고, 제2 공급 지점에서 물질 교환 컬럼(7) 내로 공급된다.In the low pressure column 12, using the material stream fed into the low pressure column 12, a second sump liquid having a higher oxygen content and a lower nitrogen content than the first sump liquid, and a lower than the first sump liquid. A second overhead gas having an oxygen content and a higher nitrogen content is formed by low temperature rectification. A first sump liquid is at least partially extracted in the form of mass stream (h) from the sump of low pressure column 12 by means of a pump (not shown separately) and is partially provided as liquid nitrogen product in the form of mass stream (i) do. Another portion, shown here in the form of mass stream k, passes through a subcooled countercurrent heat exchanger 6 , is partially heated in the main heat exchanger 4 , and at a second feed point into mass exchange column 7 . is supplied

앞에서 설명된 바와 같이, 물질 스트림(d) 및 물질 스트림(k)을 물질 교환 컬럼(7) 내로 공급함으로써, 혼합 액체가 섬프 내에 형성된다. 이것은, 특히 강제 유동 응축기 증발기의 형태를 취할 수 있는 응축기 증발기(5) 내에서 배출 및 증발된다. 물질 스트림(l) 형태의 혼합 액체의 비증발 부분은 과냉각 향류 열 교환기(6)를 통과할 수 있고 이어서 저압 컬럼(12) 내로 공급될 수 있다. 물질 스트림(m) 형태의 액체가 제1 공급 지점(물질 스트림(d))과 제2 공급 지점(물질 스트림(k)) 사이의 추출 지점에서 물질 교환 컬럼(7)으로부터 인출되고, 액체는 마찬가지로, 그가 과냉각 향류 열 교환기(6)를 이전에 통과한 후, 저압 컬럼(12) 내로 공급될 수 있다.By feeding the mass stream (d) and the mass stream (k) into the mass exchange column 7, as previously described, a mixed liquid is formed in the sump. It is discharged and evaporated, in particular in a condenser evaporator 5 , which may take the form of a forced flow condenser evaporator. The non-evaporative portion of the mixed liquid in the form of mass stream 1 may be passed through a supercooled countercurrent heat exchanger 6 and then fed into a low pressure column 12 . A liquid in the form of a mass stream m is withdrawn from the mass exchange column 7 at an extraction point between a first feed point (material stream d) and a second feed point (material stream k), the liquid being likewise , which may be fed into the low pressure column 12 after it has previously passed through a supercooled countercurrent heat exchanger 6 .

물질 교환 컬럼(7)의 헤드로부터의 상부 기체는 물질 스트림(n)의 형태로 주 열 교환기(4)를 통과할 수 있고 기체 질소 압력 생성물(GOX)로서 제공될 수 있다.The overhead gas from the head of the mass exchange column 7 may pass through the main heat exchanger 4 in the form of a mass stream n and may be provided as gaseous nitrogen pressure product GOX.

도 1에 도시된 본 발명의 실시 형태의 체제 내에서, 제2 상부 기체가 물질 스트림(o)의 형태로 저압 컬럼(12)의 헤드로부터 비순수 질소로서 인출되고, 과냉각 향류 열 교환기(6)를 통과하고, 이어서, 주 열 교환기(4) 내에서 가열되고, 압축기(8)에 의해 압축되고, 애프터쿨러(aftercooler)(별도로 표시되지 않음)에 의해 냉각되고, 주 열 교환기(4) 내에서 추가로 냉각되고, 이제 p로 표시되어, 고압 컬럼(11)으로 복귀된다. 이는 수회 언급되었던 "복귀량", 즉 비순수 질소의 일부분이다. 그러나, 여기서 q로 나타낸, 물질 스트림(o)의 부분 스트림 - 즉, 비순수 질소의 추가의 일부분 - 은 물질 스트림(o)으로부터 분기되고, 종래의 비순수 질소 스트림과 같이, 주 열 교환기(4) 내에서 부분적으로 가열되고, 발생기 터빈(9)에 의해 팽창되고, 주 열 교환기(4) 내에서 추가로 가열되고, 적합한 방식으로, 예를 들어 흡착기 스테이션(3) 내에서 재생 기체로서 사용된다. 이러한 방식으로, 냉각이 발생될 수 있다.Within the framework of the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 , a second overhead gas is withdrawn as unpure nitrogen from the head of the low pressure column 12 in the form of a mass stream o and a supercooled countercurrent heat exchanger 6 . is then heated in the main heat exchanger (4), compressed by the compressor (8), cooled by an aftercooler (not shown separately), and in the main heat exchanger (4). It is cooled further and returned to the high-pressure column 11 , now denoted p. This is the fraction of the "return amount" mentioned several times, ie impure nitrogen. However, a partial stream of material stream o - ie a further portion of impure nitrogen, here denoted q - is branched from mass stream o and, like the conventional impure nitrogen stream, the main heat exchanger 4 ), expanded by the generator turbine 9 , further heated in the main heat exchanger 4 , and used in a suitable manner, for example in the adsorber station 3 , as regeneration gas. . In this way, cooling can occur.

도 1 및 후속하는 도면에 대해, 여기서는 언급된 물질 유동이 가온 또는 저온 단부에서 각각의 경우에 과냉각 향류 열 교환기에 공급되거나 그로부터 취해지고 그 반대도 마찬가지이지만, 물질 유동들의 각각의 온도에 상응하는 다른 지점에서 공급 또는 추출을 제공하는 것이 또한 가능하다.1 and the figures that follow, here the mass flow referred to is fed to or taken from a supercooled countercurrent heat exchanger in each case at the warm or cold end and vice versa, but in another corresponding to the respective temperature of the mass flows It is also possible to provide feed or extraction at the point.

도 2는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 그리고 전체적으로 200으로 표시된 공기 분리 유닛을 도시한다. 도 1에 따른 공기 분리 유닛(100)이 완전 생산 양의 산소에 특히 적합하지만, 도 2에 따른 실시 형태(200)는 더 낮은 산소 생성이 요구되는 경우에 특히 유리하다. 도 2에 따른 공기 분리 유닛(200)은, 산소 풍부 기체가 물질 스트림(r)의 형태로 고압 컬럼으로부터 흡인되고, 과냉각 향류 열 교환기(6)를 통과하고, 도 1에서 설명된 물질 스트림(q)과 조합된다는 점에서, 본질적으로 도 1에 따른 공기 분리 유닛(100)과는 상이하다.2 shows an air separation unit, generally designated 200, according to another embodiment of the present invention; While the air separation unit 100 according to FIG. 1 is particularly suitable for a full production amount of oxygen, the embodiment 200 according to FIG. 2 is particularly advantageous where lower oxygen production is desired. The air separation unit 200 according to FIG. 2 is characterized in that an oxygen-enriched gas is drawn from the high-pressure column in the form of a mass stream r, passed through a supercooled countercurrent heat exchanger 6 and the mass stream q described in FIG. 1 . ) differs essentially from the air separation unit 100 according to FIG. 1 in that it is combined with

도 3은 본 발명에 따르지 않는 그리고 전체적으로 300으로 표시된 공기 분리 유닛을 도시한다. 반례로서 여기에 도시된 실시 형태는 단지 본 발명의 이해를 용이하게 하려는 의도이다. 위에서 설명된 실시 형태와 대조적으로, 물질 교환 컬럼(7)이 이러한 경우에는 제공되지 않는다. 대신, 물질 스트림(h) 형태의 제2 섬프 액체가, 5a로 표시된 응축기 증발기가 내부에 배열되어 있는 용기(20), 소위 2차 응축기 내로 직접 공급된다. 대조적으로, 제1 섬프 액체는 공급되지 않는다. 제2 섬프 액체는, 특히 물질과 관련하여 변화되지 않은 조성으로 공급된다. 공급된 제2 섬프 액체의 증발 부분이 물질 스트림(s)의 형태로, 비증발 부분이 물질 스트림(t)의 형태로 추출된다.3 shows an air separation unit not according to the invention and generally designated 300; The embodiments shown herein by way of example are only intended to facilitate understanding of the present invention. In contrast to the embodiment described above, the mass exchange column 7 is not provided in this case. Instead, a second sump liquid in the form of a mass stream (h) is fed directly into a vessel 20 , a so-called secondary condenser, in which a condenser evaporator denoted 5a is arranged. In contrast, the first sump liquid is not supplied. The second sump liquid is supplied, in particular with respect to the material, in an unchanged composition. The vaporized portion of the supplied second sump liquid is extracted in the form of a mass stream (s) and a non-evaporative portion in the form of a mass stream (t).

Claims (15)

응축기 증발기(5), 및 제1 압력 범위 내에서 작동되는 고압 컬럼(11) 및 상기 제1 압력 범위 미만인 제2 압력 범위 내에서 작동되는 저압 컬럼(12)을 갖는 증류 컬럼 시스템(10)을 갖는 공기 분리 유닛(100, 200)이 사용되는 저온 공기 분리를 위한 방법으로서,
- 대기 공기보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 질소 함량을 갖는 제1 섬프(sump) 액체, 및 대기 공기보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 질소 함량을 갖는 제1 상부 기체가 저온 정류에 의해 상기 고압 컬럼(11) 내에서 형성되고,
- 상기 제1 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 질소 함량을 갖는 제2 섬프 액체, 및 상기 제1 섬프 액체보다 더 높은 질소 함량 및 더 낮은 산소 함량을 갖는 제2 상부 기체가 저온 정류에 의해 상기 저압 컬럼(12) 내에서 형성되고,
- 상기 제2 상부 기체 또는 상기 제2 상부 기체의 일부분이 산소 함량이 8 내지 15 몰%인 비순수(impure) 질소로서 상기 저압 컬럼(12)으로부터 취해지고,
- 상기 비순수 질소의 일부분이 복귀량(return quantity)으로서 연속적으로 가열되고, 상기 제1 압력 범위 내의 압력으로 압축되고, 냉각되고, 상기 고압 컬럼(11) 내로 공급되며,
- 상기 압축 및 냉각된 공기의 일부분이 상기 응축기 증발기(5)를 통과하고, 그 내에서 액화 또는 부분적으로 액화되고, 상기 증류 컬럼 시스템(10) 내로 공급되며,
- 입구 산소 함량이 15% 내지 45%, 특히 20% 내지 40%인 액체가 상기 응축기 증발기(5) 내에서 증발 또는 부분적으로 증발되고,
- 상기 압축 및 냉각된 공기의 추가의 일부분이, 상기 응축기 증발기(5)를 통과하지 않고서, 상기 증류 컬럼 시스템(10) 내로 공급되는, 방법.
having a condenser evaporator (5) and a distillation column system (10) having a high pressure column (11) operated within a first pressure range and a low pressure column (12) operated within a second pressure range below the first pressure range A method for cold air separation in which an air separation unit (100, 200) is used, comprising:
- a first sump liquid having a higher oxygen content and a lower nitrogen content than atmospheric air, and a first overhead gas having a lower oxygen content and a higher nitrogen content than atmospheric air, by low temperature rectification in said high pressure column (11) is formed within,
- a second sump liquid having a higher oxygen content and a lower nitrogen content than the first sump liquid, and a second overhead gas having a higher nitrogen content and lower oxygen content than the first sump liquid by low temperature rectification formed in the low pressure column (12),
- said second overhead gas or a portion of said second overhead gas is taken from said low pressure column (12) as impure nitrogen having an oxygen content of 8 to 15 mol %;
- a portion of said impure nitrogen is continuously heated as a return quantity, compressed to a pressure within said first pressure range, cooled and fed into said high-pressure column (11);
- a portion of the compressed and cooled air passes through the condenser evaporator (5), is liquefied or partially liquefied therein, and is fed into the distillation column system (10),
- a liquid having an inlet oxygen content of 15% to 45%, in particular 20% to 40%, is evaporated or partially evaporated in said condenser evaporator (5),
- a further part of the compressed and cooled air is fed into the distillation column system (10) without passing through the condenser evaporator (5).
제1항에 있어서, 상기 응축기 증발기(5)를 통과하지 않고서 상기 증류 컬럼 시스템(10) 내로 공급되는 압축 및 냉각된 공기의 일부분은 기체 압축 공기로서 제1 공급 지점에서 상기 고압 컬럼(11) 내로 적어도 부분적으로 공급되고, 상기 비순수 질소의 복귀량은 상기 제1 공급 지점 위의 1 내지 10개의 이론적 또는 실제적 트레이인 제2 공급 지점에서 공급되는, 방법.The high-pressure column (11) according to claim 1, wherein the portion of compressed and cooled air that is fed into the distillation column system (10) without passing through the condenser evaporator (5) is gaseous compressed air into the high-pressure column (11) at a first feed point. at least partially fed, wherein the return amount of impure nitrogen is fed at a second feeding point that is 1 to 10 theoretical or practical trays above the first feeding point. 제1항 또는 제2항에 있어서,
- 상기 제1 섬프 액체의 일부분이 제1 지점에서 상기 저압 컬럼(12) 내로 공급되고,
- 상기 응축기 증발기(5) 내에서 액화 또는 부분적으로 액화된 공기는 제2 지점에서 상기 저압 컬럼(12) 내로 공급되고,
- 상기 제2 지점은 상기 제1 지점 위에, 특히 상기 저압 컬럼(12)의 헤드에 배열되는, 방법.
3. The method of claim 1 or 2,
- a portion of said first sump liquid is fed into said low pressure column (12) at a first point,
- air liquefied or partially liquefied in the condenser evaporator (5) is fed into the low pressure column (12) at a second point,
- the second point is arranged above the first point, in particular at the head of the low pressure column (12).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응축기 증발기(5)를 통과하고 그 내에서 적어도 부분적으로 액화되고 상기 증류 컬럼 시스템(10) 내로 공급되는 압축 및 냉각된 공기의 일부분은 전체적으로 상기 저압 컬럼(12) 내로 공급되고, 상기 응축기 증발기(5)를 통과하지 않고서 상기 증류 컬럼 시스템(10) 내로 공급되는 압축 및 냉각된 공기의 추가의 일부분은 부분적으로 또는 전체적으로 상기 고압 컬럼(11) 내로 공급되는, 방법.4. A portion of the compressed and cooled air passing through the condenser evaporator (5) and at least partially liquefied therein and fed into the distillation column system (10) is wholly according to any one of the preceding claims. A further portion of the compressed and cooled air fed into the low pressure column (12) and fed into the distillation column system (10) without passing through the condenser evaporator (5) is partially or wholly the high pressure column (11) fed into, the way. 제3항 또는 제4항에 있어서, 강제 유동 응축기 증발기가 상기 응축기 증발기(5)로서 사용되는, 방법.5. The method according to claim 3 or 4, wherein a forced flow condenser evaporator is used as said condenser evaporator (5). 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복귀량으로서 상기 비순수 질소의 제1 부분이 연속적으로 가열되고, 상기 제1 압력 범위 내의 상기 압력으로 압축되고, 냉각되고, 상기 고압 컬럼(11) 내로 공급되며, 상기 비순수 질소의 추가의 일부분이 연속적으로 부분적으로 가열되고, 팽창 터빈(9) 내에서 팽창되고, 재가열되고, 상기 공기 분리 유닛(100, 200)으로부터 배출되는, 방법.6. The high-pressure column according to any one of claims 3 to 5, wherein the first portion of the impure nitrogen as the return amount is continuously heated, compressed to the pressure within the first pressure range, cooled, and (11) a further portion of the impure nitrogen is continuously partially heated, expanded in an expansion turbine (9), reheated and discharged from the air separation unit (100, 200) . 제6항에 있어서, 산소 풍부 기체가 상기 저압 컬럼(12)의 하부 영역으로부터 취해지고, 상기 비순수 질소의 추가의 일부분과는 그의 부분 가열 전에 조합되는, 방법.7. The method of claim 6, wherein an oxygen rich gas is taken from the lower region of the low pressure column (12) and combined with a further portion of the impure nitrogen prior to partial heating thereof. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증류 컬럼 시스템(10)에 공급되는 공급 공기 및 상기 비순수 질소의 복귀량은 단일 압축기의 상이한 압축기 스테이지들에서 또는 서로 기계적으로 결합된 압축기들에서 압축되는, 방법.8. Compressor according to any one of claims 3 to 7, wherein the feed air supplied to the distillation column system (10) and the return amount of the impure nitrogen are in different compressor stages of a single compressor or mechanically coupled to each other. compressed in the field, the method. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합 액체가 상기 응축기 증발기(5) 내에서 부분적으로 증발되고, 상기 혼합 액체는 물질 교환 컬럼(7)으로부터 취해진 섬프 액체를 사용하여 형성되며, 상기 물질 교환 컬럼(7) 내로는 상기 제1 섬프 액체의 일부분이 제1 공급 지점에서 비가열 상태로 공급되고 상기 제2 섬프 액체의 일부분이 상기 제1 공급 지점 위의 제2 공급 지점에서 가열 상태로 공급되는, 방법.6. A liquid mixture according to any one of claims 3 to 5, wherein a mixed liquid is partially evaporated in the condenser evaporator (5), the mixed liquid being formed using a sump liquid taken from a mass exchange column (7), A portion of the first sump liquid is fed into the mass exchange column 7 unheated at a first feed point and a portion of the second sump liquid heated at a second feed point above the first feed point. Supplied by the method. 제1항에 있어서, 상기 혼합 액체는 상기 응축기 증발기(5) 내에서 부분적으로 증발되고, 상기 응축기 증발기(5) 내에서 증발되지 않은 상기 혼합 액체의 일부분은 상기 저압 컬럼(12) 내로 적어도 부분적으로 공급되는, 방법.2. The low pressure column (12) according to claim 1, wherein said mixed liquid is partially evaporated in said condenser evaporator (5), and a portion of said mixed liquid not evaporated in said condenser evaporator (5) is at least partially into said low pressure column (12). Supplied method. 제9항 또는 제10항에 있어서, 액체가 상기 제1 공급 지점과 제2 공급 지점 사이의 추출 지점에서 상기 물질 교환 컬럼(7)으로부터 취해지고, 부분적으로 또는 전체적으로 상기 저압 컬럼(12) 내로 공급되며, 상기 제1 섬프 액체의 추가의 일부분이 상기 저압 컬럼(12) 내로 공급되는, 방법.11. A liquid according to claim 9 or 10, wherein liquid is taken from the mass exchange column (7) at an extraction point between the first feed point and the second feed point and is partially or wholly fed into the low pressure column (12). and a further portion of the first sump liquid is fed into the low pressure column (12). 제11항에 있어서,
- 상기 제2 공급 지점에서 상기 물질 교환 컬럼(7) 내로 공급되는 상기 제2 섬프 액체의 일부분의 부분 양 또는 전체 양이 주 열 교환기(4) 내로 공급되기 전에 가열되고/되거나,
- 상기 복귀량의 부분 양 또는 전체 양이 상기 주 열 교환기(4) 내에서의 추가 가열 전에 가열되고/되거나,
- 상기 응축기 증발기(5)를 통과하고 그 내에서 적어도 부분적으로 액화되고 상기 증류 컬럼 시스템(10) 내로 공급된 압축 및 냉각된 공기의 일부분의 부분 양 또는 전체 양이 상기 증류 컬럼 시스템(10) 내로 공급되기 전에 냉각되고/되거나,
- 상기 혼합 액체의 비증발 부분의 부분 양 또는 전체 양이 부분적으로 또는 전체적으로 상기 저압 컬럼(12) 내로 공급되기 전에 냉각되고/되거나,
- 상기 제1 공급 지점과 상기 제2 공급 지점 사이의 상기 추출 지점에서 상기 물질 교환 컬럼(7)으로부터 취해진 액체의 부분 양 또는 전체 양이 부분적으로 또는 전체적으로 상기 저압 컬럼(12) 내로 공급되기 전에 냉각되고/되거나,
- 상기 제1 섬프 액체의 추가의 일부분의 부분 양 또는 전체 양이 상기 저압 컬럼(12) 내로 공급되기 전에 냉각되는, 열 교환기(6)가 사용되는, 방법.
12. The method of claim 11,
- the partial amount or the total amount of the part of the second sump liquid fed into the mass exchange column (7) at the second feed point is heated before being fed into the main heat exchanger (4);
- a partial amount or the entire amount of said return amount is heated prior to further heating in said main heat exchanger (4) and/or;
- a partial amount or a total amount of a portion of the compressed and cooled air passing through the condenser evaporator (5) and at least partially liquefied therein and fed into the distillation column system (10) into the distillation column system (10) cooled before being fed and/or
- the partial amount or the total amount of the non-evaporative portion of the mixed liquid is cooled before being partially or wholly fed into the low pressure column ( 12 );
- at the extraction point between the first feed point and the second feed point the partial amount or the total amount of liquid taken from the mass exchange column 7 is cooled before being partially or wholly fed into the low pressure column 12 and/or
- a heat exchanger (6) is used, wherein a partial amount or the total amount of a further portion of the first sump liquid is cooled before being fed into the low pressure column (12).
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 기체가 상기 물질 교환 컬럼(7)으로부터 취해지고, 가열되고, 상기 공기 분리 유닛(100, 200)으로부터 배출되며, 그리고/또는 제1 상부 기체가 상기 고압 컬럼(11)으로부터 취해지고, 가열되고, 상기 공기 분리 유닛(100, 200)으로부터 배출되는, 방법.13. A top gas according to any one of claims 9 to 12, wherein top gas is taken from the mass exchange column (7), heated, discharged from the air separation unit (100, 200) and/or a first top gas is taken from the high pressure column (11), heated and discharged from the air separation unit (100, 200). 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 산소가 상기 제2 압력 범위 초과의 생성 압력에서 획득하는, 방법.9. The method of any preceding claim, wherein oxygen is obtained at a product pressure above the second pressure range. 응축기 증발기(5), 및 제1 압력 범위 내에서 작동하도록 설정된 고압 컬럼(11) 및 상기 제1 압력 범위 미만인 제2 압력 범위 내에서 작동하도록 설정된 저압 컬럼(12)을 갖는 증류 컬럼 시스템(10)을 갖는 공기 분리 유닛(100, 200)으로서,
- 대기 공기보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 질소 함량을 갖는 제1 섬프 액체, 및 대기 공기보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 질소 함량을 갖는 제1 상부 기체를, 저온 정류에 의해, 상기 고압 컬럼(11) 내에서 형성하고,
- 상기 제1 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 질소 함량을 갖는 제2 섬프 액체, 및 상기 제1 섬프 액체보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 질소 함량을 갖는 제2 상부 기체를, 저온 정류에 의해, 상기 저압 컬럼(12) 내에서 형성하고,
- 상기 저압 컬럼(12)으로부터 상기 제2 상부 기체 또는 상기 제2 상부 기체의 일부분을 산소 함량이 8 내지 15 몰%인 비순수 질소로서 추출하고,
- 상기 비순수 질소의 일부분을 복귀량으로서 연속적으로 가열하고, 상기 제1 압력 범위 내의 압력으로 압축하고, 냉각시키고, 상기 고압 컬럼(11) 내로 공급하며,
- 상기 압축 및 냉각된 공기의 일부분을 상기 응축기 증발기(5)에 통과시키고, 그 내에서 액화 또는 부분적으로 액화시키고, 상기 증류 컬럼 시스템(10) 내로 공급하며,
- 상기 응축기 증발기(5) 내에서, 입구 산소 함량이 15% 내지 45%, 특히 20% 내지 40%인 액체를 증발 또는 부분적으로 증발시키고,
- 상기 압축 및 냉각된 공기의 추가의 일부분을, 상기 응축기 증발기(5)에 통과시키지 않고서, 상기 증류 컬럼 시스템(10) 내로 공급하도록 설정된, 공기 분리 유닛(100, 200).
A distillation column system (10) having a condenser evaporator (5) and a high pressure column (11) set to operate within a first pressure range and a low pressure column (12) set to operate within a second pressure range below the first pressure range As an air separation unit (100, 200) having a,
- a first sump liquid having a higher oxygen content and a lower nitrogen content than atmospheric air, and a first overhead gas having a lower oxygen content and a higher nitrogen content than atmospheric air, by low-temperature rectification into said high-pressure column ( 11) to form within,
- a second sump liquid having a higher oxygen content and a lower nitrogen content than the first sump liquid, and a second overhead gas having a lower oxygen content and a higher nitrogen content than the first sump liquid, to low temperature rectification By, formed in the low pressure column 12,
- extraction of said second overhead gas or a portion of said second overhead gas from said low pressure column (12) as impure nitrogen having an oxygen content of 8 to 15 mol%;
- a portion of said impure nitrogen is continuously heated as a return amount, compressed to a pressure within said first pressure range, cooled and fed into said high-pressure column (11);
- passing a portion of said compressed and cooled air through said condenser evaporator (5), liquefied or partially liquefied therein and fed into said distillation column system (10),
- in the condenser evaporator (5) evaporating or partially evaporating a liquid having an inlet oxygen content of 15% to 45%, in particular 20% to 40%,
- an air separation unit (100, 200) configured to feed a further portion of the compressed and cooled air into the distillation column system (10) without passing through the condenser evaporator (5).
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