WO2016131545A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung eines druckstickstoffprodukts - Google Patents

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    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
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    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
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    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
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    • F25J3/04987—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines adapted for special use of the air fractionation unit, e.g. transportable devices by truck or small scale use for offshore use
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    • F25J2200/50—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column
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    • F25J2200/90—Details relating to column internals, e.g. structured packing, gas or liquid distribution
    • F25J2200/94—Details relating to the withdrawal point
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    • F25J2235/42—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being nitrogen
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/50—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/04—Multiple expansion turbines in parallel
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
    • F25J2240/44—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/02—Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/04—Down-flowing type boiler-condenser, i.e. with evaporation of a falling liquid film
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/12—Particular process parameters like pressure, temperature, ratios

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • the main condenser and the low-pressure column top condenser are formed in the invention as a condenser-evaporator.
  • the term "condenser-evaporator” refers to a heat exchanger in which a first condensing fluid stream undergoes indirect heat exchange with a second evaporating fluid stream.
  • Each condenser-evaporator has a liquefaction space and a
  • Evaporating passages exist. In the liquefaction space, the condensation (liquefaction) of the first fluid flow is performed, in the evaporation space the evaporation of the second fluid flow. Evaporation and liquefaction space are formed by groups of passages that intercommunicate with each other
  • both capacitors can each be formed by a single heat exchanger block or by a plurality of heat exchanger blocks, which are arranged in a common pressure vessel. Both can be considered one or
  • Falling film evaporator may be formed.
  • the main capacitor can also be used as
  • Heat exchange with recycle streams from the distillation column system can be composed of a single or several parallel and / or serially connected
  • Heat exchanger sections may be formed, for example, from one or more plate heat exchanger blocks.
  • the invention has for its object to provide a method and a corresponding device, which is the recovery of nitrogen flow from the
  • a cold compressor to whose drive the mechanical energy generated in the first residual gas turbine (33) is at least partially used, is here used directly to compress nitrogen product, namely that of the low pressure column, for example, about high pressure column pressure or a higher Pressure is brought.
  • High-pressure column for example, 12 to 17 bar, preferably 13 to 16 bar
  • low pressure column at the top: for example 6 to 10 bar, preferably 7 to 9 bar
  • the first pressurized nitrogen product stream and the second pressurized nitrogen product stream can be heated separately in the main heat exchanger.
  • the first pressurized nitrogen product stream and the second pressurized nitrogen product stream are mixed upstream of the main heat exchanger.
  • an additional third pressure nitrogen stream may be formed by another portion of the nitrogen product of the low pressure column by passing it directly into the main heat exchanger and delivering it as product under the low pressure column pressure (minus pressure drops).
  • the first residual gas turbine and cold compressor are mechanically coupled. This can be accomplished via a common shaft or gear.
  • the residual gas turbine may be mechanically coupled to a generator or an oil brake.
  • the first residual gas turbine is mechanically coupled to an electric generator and the cold compressor is driven by an electric motor; the energy generated in the generator is then electrically transmitted to the engine, thereby driving the cold compressor.
  • Restgases is working expanded in a second residual gas turbine, which is connected in parallel to the first residual gas turbine, which is coupled to the cold compressor.
  • the first residual gas turbine can then be coupled alone with the cold compressor, the second residual gas turbine with a generator or a dissipative brake.
  • Nitrogen compressor are further compressed.
  • both Pressure nitrogen streams are brought together in the nitrogen compressor to a higher pressure.
  • the nitrogen compressor is formed by the ni last stages of the combined n-stage compressor.
  • an eight-stage compressor is used whose three to four last stages as
  • Nitrogen compressor can be used.
  • the invention also relates to a device for obtaining a
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention with a single
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment with two residual gas turbines
  • FIG. 3 shows a modification of FIG. 1 with a combined compressor
  • FIG. 4 shows a further modification of FIG. 1 with separate heating of the two pressurized nitrogen product streams
  • FIG. 5 shows an embodiment with electrical energy transmission between first residual gas turbine and cold compressor
  • Figure 7 shows an embodiment similar to Figure 6, but with forced-flow evaporators and Figure 8 is a system similar to that of Figure 4, but with columns arranged side by side.
  • atmospheric air is passed through a filter 1 of a
  • Primary air compressor 2 sucked and compressed to a pressure of about 15 bar.
  • the compressed feed air 3 is cooled in a pre-cooler 4. This may include an aftercooler for indirect cooling or a direct contact radiator or both.
  • the pre-cooled feed air 5 is cleaned in a cleaning device 6, which is usually formed by a pair of switchable adsorber.
  • Main heat exchanger 8 cooled to about dew point and via line 9 in the
  • the high-pressure column 10 is part of the distillation column system, which also has a low-pressure column 11, a main condenser 12 and a low-pressure column top condenser 13. A first part 15 of the top gas 14
  • the high-pressure column 10 is introduced into the liquefaction space of the main condenser 12 and condensed there at least partially.
  • Liquid nitrogen 16 formed in the liquefaction space of the main condenser 12 is introduced into the high-pressure column 10 and serves there as a return to a first part.
  • a second part 19 of the top gas 14 of the high-pressure column 10 is the first
  • the warm pressure nitrogen 21 can - as shown in Figure 1 - be further increased in a nitrogen compressor 22 with aftercooler 23 in the pressure, in principle to any desired discharge pressure. It is finally withdrawn as a pressurized nitrogen product (PGAN).
  • the nitrogen compressor 22 and the aftercooler 23 may be omitted.
  • liquid crude oxygen 24 is withdrawn, cooled in the UKG 18 and fed to the low pressure column 11 at an intermediate point.
  • the head gas 26 of the low-pressure column 11 is in the liquefaction of the
  • Liquid nitrogen 27 is introduced into the low-pressure column 11.
  • the bottom liquid 28 of the low-pressure column 11 is cooled in the UKG 18 and via line 29 in the
  • Evaporation space of the low-pressure column head capacitor 13 is introduced, which is purged via a purge line 39 continuously or intermittently.
  • There formed gas is warmed up as residual gas 30 in the UKG 18.
  • the residual gas 31 downstream of the UKGs 18 is supplied to the main heat exchanger 8 at the cold end and heated there to an intermediate temperature.
  • the residual gas 32 under the intermediate temperature is supplied to a first residual gas turbine 33 and there relaxes work.
  • the expanded residual gas 34 is reintroduced into the main heat exchanger 8 and warmed to the warm end.
  • the warmed residual gas 35 leaves the system at about ambient temperature.
  • the residual gas turbine 33 is mechanically coupled to a cold compressor 36 via a common shaft or gear.
  • a nitrogen stream 37 is withdrawn in gaseous form from the top of the low pressure column 11, compressed in the cold compressor 36 to about high pressure column pressure, via a
  • Control valve 41 passed and then mixed as the second pressure nitrogen product stream 38 with the first pressure nitrogen product stream 19 and heated together with this in the main heat exchanger 8 and finally withdrawn as compressed nitrogen product (PGAN).
  • the residual gas turbine 33 does not deliver its entire mechanical energy to the cold compressor 36, but also drives a generator 40, which sits on the same shaft or is connected to the same gear.
  • a dissipative brake may also be used, for example an oil brake.
  • two parallel-connected residual gas turbines 33, 233 are used, one of which is coupled to the cold compressor 36 and the other to a generator 240 (or a dissipative brake).
  • Nitrogen product compressor This allows a PGAN final pressure of about 70 to 100 bar can be achieved.
  • Main heat exchanger 8 warmed up.
  • the warmed nitrogen streams 419 and 438 are combined at 420.
  • the second pressure nitrogen product stream 38 from the cold compressor 36 can thus at a higher temperature in the
  • Main heat exchanger 8 are introduced as the first pressure nitrogen product stream 19.
  • the process can be energetically made slightly cheaper.
  • the electrical energy obtained there is at least partially transmitted via an electrical line network to a motor 540, which in turn is mechanically coupled to the cold compressor 36 and drives it.
  • Figures 2 to 5 can also be combined with each other, for example, to a system with two residual gas turbines and combined compressor and two passage groups in the main heat exchanger for the two pressure nitrogen streams.
  • high-pressure column with sieve trays
  • low-pressure column with packs or sieve trays
  • the invention is also suitable for offshore concepts, such as floating oil recovery plants for oil or gas fields (enhanced oil recovery - EOR).
  • FIG. 6 largely corresponds to FIG. 4, but here additionally a throttle valve 619 is seated in line 419.
  • a modification with a product pressure of 10.9 bar at a high-pressure column pressure of 12.0 bar is shown on the head.
  • Nitrogen flow 37 from the head of the low-pressure column is compressed in the cold compressor 36 here accordingly only to 11, 1 bar, so not quite on the
  • Nitrogen stream 419 from the high pressure column was combined at 420 under the desired pressure of 10.9 bar.
  • the throttling 619 is carried out downstream of the main heat exchanger 8.
  • the throttle losses are surprisingly minimized and the pressure of the feed air can be reduced.
  • the throttling from 12.0 bar to 10.9 bar can also be carried out wholly or partially in the main heat exchanger 8 by a correspondingly high pressure loss is selected there. As a result, the main heat exchanger 8 can be built very compact.
  • FIG. 7 differs from FIG. 6 in that, as the main condenser 12 and the low-pressure column top condenser 13, no bath evaporators but forced-flow evaporators are used. In this case, a purge stream 701 (purge) is withdrawn from the sump of the high-pressure column 10. As the main capacitor 12 may alternatively be used a falling film evaporator.
  • high-pressure column 10 and low-pressure column 11 are not arranged one above the other as in FIGS. 1 to 7, but arranged next to one another. Otherwise, Figure 8 does not differ from Figure 4 or Figure 5 - depending on whether that
  • Nitrogen product is discharged under high-pressure column pressure or under slightly lower pressure (throttle valve 619).

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Gewinnung eines Druckstickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System, das eine Hochdrucksäule (10) und eine Niederdrucksäule (11) sowie einen Hauptkondensator (12) und einen Niederdrucksäulen-Kopfkondensator (13) aufweist, die beide als Kondensator- Verdampfer ausgebildet sind. Sumpfflüssigkeit (28, 29) der Niederdrucksäule (11) wird in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (13) eingeleitet. Dort gebildetes Gas wird als Restgas (30, 31) wird in einer ersten Restgasturbine (33) arbeitsleistend entspannt. Die dabei erzeugte mechanische Energie wird für den Antrieb eines Kaltverdichters (36) verwendet. Ein erster Druckstickstoffproduktstrom (19) wird gasförmig vom Kopf der Hochdrucksäule (10) abgezogen und im Hauptwärmetauscher (8) angewärmt. Ein weiterer Stickstoffstrom (37) wird gasförmig vom Kopf der Niederdrucksäule (11) abgezogen, in dem Kaltverdichter (36) auf einen Druck verdichtet, der mindestens gleich dem Druck des ersten Druckstickstoffproduktstroms (19) beim Abziehen aus der Hochdrucksäule (10) ist, und anschließend als zweiter Druckstickstoffproduktstrom (38) in dem Hauptwärmetauscher (8) angewärmt.Der Kaltverdichter (36) überwindet eine Druckdifferenz, die mindestens gleich zwei Dritteln der Druckdifferenz zwischen Kopf der Hochdrucksäule (10) und Kopf der Niederdrucksäule (11) ist.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung eines Druckstickstoffprodukts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der
Aufbau von Zwei-Säulen-Anlagen im Speziellen sind in der Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No.2, 1967, Seite 35) beschrieben. Die Wärmeaustauschbeziehung zwischen Hochdrucksäule und Niederdrucksäule einer Doppelsäule wird im Regelfall durch einen Hauptkondensator realisiert, in dem
Kopfgas der Hochdrucksäule gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der
Niederdrucksäule verflüssigt wird.
Der Hauptkondensator und der Niederdrucksäulen-Kopfkondensator sind bei der Erfindung als Kondensator-Verdampfer ausgebildet. Als "Kondensator-Verdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensator-Verdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen
Verdampfungsraum auf, die aus Verflüssigungspassagen beziehungsweise
Verdampfungspassagen bestehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in
Wärmeaustauschbeziehung stehen.
Dabei können beide Kondensatoren jeweils durch einen einzigen Wärmetauscherblock gebildet werden oder auch durch mehrere Wärmetauscherblöcke, die in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sind. Beide können als ein- oder
mehrstöckige Badverdampfer, Forced-Flow-Verdampfer oder aber als
Fallfilmverdampfer ausgebildet sein. Der Hauptkondensator kann außerdem als
Kaskadenverdampfer ausgestaltet sein, beispielsweise wie in EP 1287302 B1 = US 6748763 B2 beschrieben). Ein "Hauptwärrrietauscher" dient zur Abkühlung von Einsatzluft in indirektem
Wärmeaustausch mit Rückströmen aus dem Destillationssäulen-System. Er kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen
Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus US 4453957 bekannt. Hier wird die in der Restgasturbine gewonnene mechanische Energie ausschließlich zur
Kälteerzeugung genutzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, welche die Gewinnung des Stickstoffstroms aus der
Niederdrucksäule unter mindestens Hochdrucksäulendruck erlaubten und dabei einen besonders niedrigeren Energieverbrauch aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Hier wird ein Kaltverdichter, zu dessen Antrieb die in der ersten Restgasturbine (33) erzeugte mechanische Energie mindestens zum Teil genutzt wird, wird hier direkt dazu verwendet, Stickstoffprodukt zu verdichten, und zwar dasjenige der Niederdrucksäule, das beispielsweise auf etwa Hochdrucksäulendruck oder auf einen höheren Druck gebracht wird.
Im Rahmen der Erfindung hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit dieser Methode den Niederdrucksäulen-Stickstoff bis auf das Druckniveau des Hochdrucksäulen-Stickstoffs bringt und dabei energetisch günstig ist. Als Nebeneffekt ergibt sich ein relativ einfaches Verfahren und damit auch ein vergleichsweise geringer apparativer Aufwand, insbesondere für den
Hauptwärmetauscher.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die folgenden Druckbereiche verwendet:
Hochdrucksäule (am Kopf): beispielsweise 12 bis 17 bar, vorzugsweise 13 bis 16 bar Niederdrucksäule (am Kopf): beispielsweise 6 bis 10 bar, vorzugsweise 7 bis 9 bar Grundsätzlich können bei der Erfindung der erste Druckstickstoffproduktstrom und der zweite Druckstickstoffproduktstrom getrennt im Hauptwärmetauscher angewärmt werden. Vorzugsweise werden jedoch der erste Druckstickstoffproduktstrom und der zweite Druckstickstoffproduktstrom stromaufwärts des Hauptwärmetauschers vermischt.
Bei Bedarf kann ein zusätzlicher dritter Druckstickstoffstrom durch einen anderen Teil des Stickstoffprodukts der Niederdrucksäule gebildet werden, indem dieser direkt in den Hauptwärmetauscher geleitet und unter dem Niederdrucksäulendruck (abzüglich Druckverlusten) als Produkt abgegeben wird.
In einer ersten Variante der Energieübertragung zwischen erster Restgasturbine und Kaltverdichter sind die erste Restgasturbine und Kaltverdichter mechanisch gekoppelt. Dies kann über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe bewerkstelligt werden.
Für die Erzeugung von Verfahrenskälte kann die Restgasturbine mit einem Generator oder einer Ölbremse mechanisch gekoppelt sein. In einer zweiten Variante der Energieübertragung zwischen erster Restgasturbine und Kaltverdichter ist die erste Restgasturbine an einen elektrischen Generator mechanisch gekoppelt und der Kaltverdichter wird von einem elektrischen Motor angetrieben; die in dem Generator erzeugte Energie wird dann elektrisch auf den Motor übertragen und treibt damit den Kaltverdichter an.
Alternativ kann ein zweiter Teil des auf die Zwischentemperatur angewärmten
Restgases in einer zweiten Restgasturbine arbeitsleistend entspannt wird, die der ersten Restgasturbine, die mit dem Kaltverdichter gekoppelt ist, parallelgeschaltet ist. Die erste Restgasturbine kann dann alleine mit dem Kaltverdichter gekoppelt sein, die zweite Restgasturbine mit einem Generator oder einer dissipativen Bremse.
Falls der Druck der Hochdrucksäule nicht ausreicht, können der erste, der zweite oder beide Druckstickstoffströme stromabwärts des Hauptwärmetauschers in einem
Stickstoffverdichter weiter verdichtet werden. Vorzugsweise werden beide Druckstickstoffströme gemeinsam in dem Stickstoffverdichter auf einen höheren Druck gebracht.
In diesem Fall ist es günstig, die Luftverdichtung und die Stickstoffverdichtung in einer einzigen Maschine zu kombinieren, indem die Einsatzluft in einem Hauptluftverdichter verdichtet wird, der durch die ersten i Stufen eines kombinierten n-stufigen Verdichters gebildet wird, n > 2, i < n. Dabei wird der Stickstoffverdichter durch die n-i letzten Stufen des kombinierten n-stufigen Verdichters gebildet. Beispielsweise wird ein achtstufiger Verdichter verwendet, dessen drei bis vier letzte Stufen als
Stickstoffverdichter eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Gewinnung eines
Druckstickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß
Patentanspruch 14.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch eines, mehrere oder alle Merkmale der unabhängigen Verfahrensansprüche ergänzt werden.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer einzigen
Restgasturbine,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit zwei Restgasturbinen,
Figur 3 eine Abwandlung der Figur 1 mit einem kombinierten Verdichter, Figur 4 eine weitere Abwandlung der Figur 1 mit getrennter Anwärmung der beiden Druckstickstoffproduktströme,
Figur 5 eine Ausführungsform mit elektrischer Energieübertragung zwischen erster Restgasturbine und Kaltverdichter,
Figur 6 eine Abwandlung mit Produktdruck etwas unter dem
Hochdrucksäulendruck,
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel ähnlich Figur 6, aber mit Forced-Flow- Verdampfern und Figur 8 ein System ähnlich demjenigen von Figur 4, aber mit nebeneinander angeordneten Säulen.
In Figur 1 wird atmosphärische Luft (AIR) durch ein Filter 1 von einem
Hauptluftverdichter 2 angesaugt und auf einen Druck von ca. 15 bar verdichtet. Die verdichtete Einsatzluft 3 wird in einer Vorkühlungseinrichtung 4 abgekühlt. Diese kann einen Nachkühler zum indirekten Abkühlen oder einen Direktkontaktkühler oder beides enthalten. Die vorgekühlte Einsatzluft 5 wird in einer Reinigungseinrichtung 6 gereinigt, die üblicherweise durch ein Paar umschaltbarer Adsorber gebildet wird. Die
verdichtete, vorgekühlte und gereinigte Einsatzluft 7 wird in einem
Hauptwärmetauscher 8 auf etwa Taupunkt abgekühlt und über Leitung 9 in die
Hochdrucksäule 10 eingeleitet.
Die Hochdrucksäule 10 ist Teil des Destillationssäulen-Systems, das außerdem eine Niederdrucksäule 11 , einen Hauptkondensator 12 und einen Niederdrucksäulen- Kopfkondensator 13 aufweist. Ein erster Teil 15 des Kopfgases 14
der Hochdrucksäule 10 wird in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 12 eingeleitet und dort mindestens teilweise kondensiert. Im Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 12 gebildeter Flüssigstickstoff 16 wird in die Hochdrucksäule 10 eingeleitet und dient dort zu einem ersten Teil als Rücklauf. Zu einem zweiten Teil 17 wird er in einem UKG 18 abgekühlt und auf den Kopf der Niederdrucksäule 11 aufgegeben (49).
Ein zweiter Teil 19 des Kopfgases 14 der Hochdrucksäule 10 wird als erster
Druckstickstoffproduktstrom 19 über Leitung 20 zum Hauptwärmetauscher 8 geführt und dort auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Der warme Druckstickstoff 21 kann - wie in Figur 1 dargestellt - in einem Stickstoffverdichter 22 mit Nachkühler 23 weiter im Druck erhöht werden, im Prinzip auf jeden gewünschten Abgabedruck. Er wird schließlich als Druckstickstoffprodukt (PGAN) abgezogen. Für den Fall, dass der gewünschte Produktdruck nicht höher als der Hochdrucksäulendruck (abzüglich der Druckverluste) ist, können der Stickstoffverdichter 22 und der Nachkühler 23 weggelassen werden.
Vom Sumpf der Hochdrucksäule 10 wird flüssiger Rohsauerstoff 24 abgezogen, im UKG 18 abgekühlt und der Niederdrucksäule 11 an einer Zwischenstelle zugeleitet. Das Kopfgas 26 der Niederdrucksäule 11 wird in den Verflüssigungsraum des
Niederdrucksäulen-Kopfkondensators 13 eingeleitet. Der dort gebildete
Flüssigstickstoff 27 wird in die Niederdrucksäule 11 eingeleitet. Die Sumpfflüssigkeit 28 der Niederdrucksäule 11 wird im UKG 18 abgekühlt und über Leitung 29 in den
Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators 13 eingeleitet, der über eine Spülleitung 39 kontinuierlich oder intermittierend gespült wird. Dort gebildetes Gas wird als Restgas 30 wird im UKG 18 angewärmt. Das Restgas 31 stromabwärts des UKGs 18 wird dem Hauptwärmetauscher 8 am kalten Ende zugeführt und dort auf eine Zwischentemperatur angewärmt. Das Restgas 32 unter der Zwischentemperatur wird einer ersten Restgasturbine 33 zugeführt und dort arbeitsleistend entspannt. Das entspannte Restgas 34 wird wieder in den Hauptwärmetauscher 8 eingeführt und bis zum warmen Ende angewärmt. Das angewärmte Restgas 35 verlässt die Anlage unter etwa Umgebungstemperatur. Die Restgasturbine 33 ist über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe mechanisch mit einem Kaltverdichter 36 gekoppelt.
Ein Stickstoffstrom 37 wird gasförmig vom Kopf der Niederdrucksäule 11 abgezogen, in dem Kaltverdichter 36 auf etwa Hochdrucksäulendruck verdichtet, über ein
Regelventil 41 geleitet und anschließend als zweiter Druckstickstoffproduktstrom 38 mit dem ersten Druckstickstoffproduktstrom 19 vermischt und gemeinsam mit diesem in dem Hauptwärmetauscher 8 angewärmt und schließlich als Druckstickstoffprodukt (PGAN) abgezogen.
Um die Kälteverluste der Anlage zu decken, gibt die Restgasturbine 33 nicht ihre gesamte mechanische Energie an den Kaltverdichter 36 ab, sondern treibt außerdem einen Generator 40 an, der auf der gleichen Welle sitzt beziehungsweise mit dem gleichen Getriebe verbunden ist. Statt des Generators 40 kann auch eine dissipative Bremse verwendet werden, beispielsweise eine Ölbremse. In Figur 2 werden zwei parallel geschaltete Restgasturbinen 33, 233 verwendet, von denen eine an den Kaltverdichter 36 und die andere an einen Generator 240 (oder eine dissipative Bremse) gekoppelt ist.
Während in den Figuren 1 und 2 der Hauptluftverdichter 2 und der Stickstoffverdichter 22 durch zwei unabhängige Maschinen gebildet werden, wird in dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 ein kombinierter Verdichter 302 eingesetzt, der beide Aufgaben erfüllt. Er weist in dem Ausführungsbeispiel n=8 Stufen auf, von denen i=5 Stufen den Hauptluftverdichter 2 bilden. Die übrigen n-i=3 Stufen bilden den
Stickstoffproduktverdichter. Damit lässt sich ein PGAN-Enddruck von etwa 70 bis 100 bar erreichen.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 werden die beiden
Druckstickstoffproduktströme 19, 38 in getrennten Passagengruppen des
Hauptwärmetauschers 8 angewärmt. Die angewärmten Stickstoffströme 419 und 438 werden bei 420 zusammengeführt. Der zweite Druckstickstoffproduktstrom 38 aus dem Kaltverdichter 36 kann damit bei einer höheren Temperatur in den
Hauptwärmetauscher 8 eingeführt werden als der erste Druckstickstoffproduktstrom 19. Damit kann der Prozess energetisch etwas günstiger gestaltet werden. In Figur 5 wird die Energieübertragung zwischen erster Restgasturbine 33 und
Kaltverdichter 36 im Unterschied zur Figur 1 nicht mechanisch, sondern elektrisch vorgenommen. Dazu ist die erste Restgasturbine 33 mechanisch mit einem
elektrischen Generator 40 gekoppelt. Die dort gewonnene elektrische Energie wird über ein elektrisches Leitungsnetz mindestens teilweise auf einen Motor 540 übertragen, der wiederum mechanisch mit dem Kaltverdichter 36 gekoppelt ist und diesen antreibt.
Im Vergleich zu Figur 2 wird das gesamte Restgas in der Generator-Turbine 33/40 entspannt und erzeugt dadurch auch die für den Antrieb des Kaltverdichters
notwendige Energie.
Die speziellen Merkmale der Figuren 2 bis 5 können auch untereinander beliebig kombiniert werden, beispielsweise zu einem System mit zwei Restgasturbinen und kombiniertem Verdichter und zwei Passagengruppen im Hauptwärmetauscher für die beiden Druckstickstoffströme. In allen Ausführungsbeispielen sind Hochdrucksäule (mit Siebböden) und Niederdrucksäule (mit Packungen oder Siebböden) übereinander angeordnet. Alternativ können Sie nebeneinander aufgestellt werden. Die Erfindung ist auch für Offshore-Konzepte, beispielsweise für schwimmende (floating) Anlagen zur Gewinnung von Stickstoff für Öl- oder Gasfelder (enhanced oil recovery - EOR) geeignet. Figur 6 entspricht weitgehend Figur 4, allerdings sitzt hier zusätzlich ein Drosselventil 619 in der Leitung 419. Hier wird eine Abwandlung mit einem Produktdruck von 10,9 bar bei einem Hochdrucksäulendruck von 12,0 bar am Kopf gezeigt. Der
Stickstoffstrom 37 vom Kopf der Niederdrucksäule wird in dem Kaltverdichter 36 hier entsprechend nur auf 11 ,1 bar verdichtet, also nicht ganz auf den
Hochdrucksäulendruck. Er wird mit dem im Drosselventil 619 gedrosselten
Stickstoffstrom 419 aus der Hochdrucksäule bei 420 unter dem gewünschten Druck von 10,9 bar vereinigt.
Hierbei ist wichtig, dass die Drosselung 619 stromabwärts des Hauptwärmetauschers 8 durchgeführt wird. Damit werden die Drosselverluste überraschend stark minimiert und der Druck der Einsatzluft kann reduziert werden. Die Drosselung von 12,0 bar auf 10,9 bar kann auch ganz oder teilweise im Hauptwärmetauscher 8 durchgeführt werden, indem ein entsprechend hoher Druckverlust dort gewählt wird. Hierdurch kann der Hauptwärmetauscher 8 besonders kompakt gebaut werden.
Figur 7 unterscheidet sich dadurch von Figur 6, dass als Hauptkondensator 12 und Niederdrucksäulen-Kopfkondensator 13 keine Badverdampfer, sondern Forced-Flow- Verdampfer eingesetzt werden. In diesem Fall wird ein Spülstrom 701 (Purge) vom Sumpf der Hochdrucksäule 10 abgezogen. Als Hauptkondensator 12 kann alternativ auch ein Fallfilmverdampfer eingesetzt werden.
In Figur 8 sind Hochdrucksäule 10 und Niederdrucksäule 11 nicht wie in den Figuren 1 bis 7 übereinander, sondern nebeneinander angeordnet. Ansonsten unterscheidet sich Figur 8 nicht von Figur 4 beziehungsweise Figur 5 - je nachdem ob das
Stickstoffprodukt unter Hochdrucksäulendruck oder unter etwas geringerem Druck (Drosselventil 619) abgegeben wird.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Gewinnung eines Druckstickstoffprodukts durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System, das eine Hochdrucksäule (10) und eine Niederdrucksäule (11) sowie einen
Hauptkondensator (12) und einen Niederdrucksäulen-Kopfkondensator (13) aufweist, die beide als Kondensator-Verdampfer ausgebildet sind, wobei
- verdichtete, vorgekühlte und gereinigte Einsatzluft (7) in einem
Hauptwärmetauscher (8) abgekühlt und mindestens zum Teil in die
Hochdrucksäule (10) eingeleitet wird,
- Kopfgas der Hochdrucksäule (14, 15) in den Verflüssigungsraum des
Hauptkondensators (12) eingeleitet wird und mindestens ein Teil des im Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (12) gebildeten Flüssigstickstoffs (16) in die Hochdrucksäule (10) eingeleitet wird,
- Kopfgas (26) der Niederdrucksäule (1 1) in den Verflüssigungsraum des
Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (13) eingeleitet wird und mindestens ein Teil des im Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (13) gebildeten Flüssigstickstoffs (27) in die Niederdrucksäule (11) eingeleitet wird,
- Sumpfflüssigkeit (28, 29) der Niederdrucksäule (1 1 ) in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (13) eingeleitet wird,
- im Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (13) gebildetes
Gas als Restgas (30, 31) in dem Hauptwärmetauscher (8) auf eine
Zwischentemperatur angewärmt, mindestens zu einem ersten Teil (32) in einer ersten Restgasturbine (33) arbeitsleistend entspannt, wieder in den
Hauptwärmetauscher (8) eingeführt und bis zum warmen Ende des
Hauptwärmetauschers (8) angewärmt wird,
ein Stickstoffstrom (37) gasförmig vom Kopf der Niederdrucksäule (11) abgezogen wird und
- ein erster Druckstickstoffproduktstrom (19) gasförmig vom Kopf der
Hochdrucksäule (10) abgezogen und im Hauptwärmetauscher (8) angewärmt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die in der ersten Restgasturbine (33) erzeugte mechanische Energie mindestens zum Teil zum Antrieb eines Kaltverdichters (36) verwendet wird - der Stickstoffstrom (37), der gasförmig vom Kopf der Niederdrucksäule (1 1) abgezogen wurde, in dem Kaltverdichter (36) auf einen Druck verdichtet wird, der mindestens gleich dem Druck des ersten Druckstickstoffproduktstroms (19) beim Abziehen aus der Hochdrucksäule (10) minus 2 bar ist, und anschließend als zweiter Druckstickstoffproduktstrom (38) in dem Hauptwärmetauscher (8) angewärmt wird und
- der Stickstoffstrom (37), der gasförmig vom Kopf der Niederdrucksäule (11)
abgezogen wurde, in dem Kaltverdichter (36) auf einen Druck verdichtet wird, der mindestens gleich dem Druck des ersten Druckstickstoffproduktstroms (19) beim Abziehen aus der Hochdrucksäule (10) minus 2 bar ist, und anschließend als zweiter Druckstickstoffproduktstrom (38) in dem Hauptwärmetauscher (8) angewärmt wird, wobei
- der Kaltverdichter (36) eine Druckdifferenz überwindet, die mindestens gleich zwei Dritteln der Druckdifferenz zwischen Kopf der Hochdrucksäule (10) und Kopf der Niederdrucksäule (1 ) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste
Druckstickstoffproduktstrom (19) und der zweite Druckstickstoffproduktstrom (38) stromaufwärts des Hauptwärmetauschers (8) vermischt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Restgasturbine (33) mit dem Kaltverdichter (36) über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe mechanisch gekoppelt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Restgasturbine (33) außerdem mit einem elektrischen Generator (40) oder einer Ölbremse mechanisch gekoppelt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Restgasturbine (33) an einen elektrischen Generator (40) mechanisch gekoppelt ist, der Kaltverdichter (36) von einem elektrischen Motor (540) angetrieben wird und die in dem Generator (40) erzeugte Energie mindestens teilweise elektrisch auf den Motor (540) übertragen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Teil des auf die Zwischentemperatur angewärmten Restgases (32) in einer zweiten Restgasturbine (233) arbeitsleistend entspannt wird, die der ersten Restgasturbine (33) parallel geschaltet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass erste Restgasturbine (33) mit dem Kaltverdichter (36) und die zweite Restgasturbine mit einem
Generator (240) oder einer dissipativen Bremse mechanisch gekoppelt ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, der zweite oder beide Druckstickstoffströme stromabwärts des
Hauptwärmetauschers (8) in einem Stickstoffverdichter (22) weiter verdichtet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft in einem Hauptluftverdichter (2) verdichtet wird, der durch die ersten i Stufen eines kombinierten n-stufigen Verdichters (302) gebildet wird, n > 2, i < n, und dass der Stickstoffverdichter (22) durch die n-i letzten Stufen des kombinierten n-stufigen Verdichters (302) gebildet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffstrom (37), der gasförmig vom Kopf der Niederdrucksäule (11) abgezogen wurde, in dem Kaltverdichter (36) auf einen Druck verdichtet wird, der mindestens gleich dem Druck des ersten Druckstickstoffproduktstroms (19) beim Abziehen aus der Hochdrucksäule (10) ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckstickstoffproduktstrom (19) und der zweite Druckstickstoffproduktstrom (38) in getrennten Passagen angewärmt und insbesondere anschließend vereinigt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine, mehrere oder alle der folgenden Maßnahmen angewendet werden:
- Ausbildung des Hauptkondensators (12) als Forced-Flow-Verdampfer, - Ausbildung des Hauptkondensators (12) als Fallfilmverdampfer,
- Ausbildung des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (13) als Forced-Flow-
Verdampfer.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Niederdrucksäule (11) neben der Hochdrucksäule (10),
- der Hauptkondensator (12) über der Hochdrucksäule (10) und
- der Niederdrucksäulen-Kopfkondensator (13) über der Niederdrucksäule angeordnet sind.
14. Vorrichtung zur Gewinnung eines Druckstickstoffprodukts durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft mit
- einem Destillationssäulen-System, das eine Hochdrucksäule (10) und eine
Niederdrucksäule (11) sowie einen Hauptkondensator (12) und einen
Niederdrucksäulen-Kopfkondensator (13) aufweist, die beide als Kondensator- Verdampfer ausgebildet sind, mit
- einem Hauptwärmetauscher (8) zum Abkühlen verdichteter, vorgekühlter und gereinigter Einsatzluft (7) wobei
- der Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (12) mit dem Kopf der
Hochdrucksäule (10) in Strömungsverbindung (14, 15, 16) steht,
- der Verflüssigungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (13) mit dem
Kopf der Niederdrucksäule (11) in Strömungsverbindung (26, 27) steht, und der Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Kopfkondensators (13) mit dem Sumpf der Niederdrucksäule (11) in Strömungsverbindung (28, 29) steht, und mit
- Mitteln zum Entnehmen von im Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-
Kopfkondensators (13) gebildetem Gas als Restgas (30, 31),
- Mitteln zum Anwärmen des Restgases (31) in dem Hauptwärmetauscher (8) auf eine Zwischentemperatur,
- einer ersten Restgasturbine (33) zum arbeitsleistenden Entspannen des
teilangewärmten Restgases (32),
- Mitteln zum Einleiten des entspannten Restgases (34) in den
Hauptwärmetauscher (8) und Mitteln zum Entnehmen des angewärmten Restgases vom warmen Ende des Hauptwärmetauschers (8), - Mitteln zum Verwenden von in der ersten Restgasturbine (33) erzeugter mechanischer Energie zum Antrieb eines Kaltverdichters (36) und
- einer ersten Druckstickstoffproduktleitung zum Abziehen eines gasförmigen ersten Druckstickstoffproduktstroms (19) vom Kopf der Hochdrucksäule (10) und zum Anwärmen des ersten Druckstickstoffproduktstroms (19) im
Hauptwärmetauscher (8),
gekennzeichnet durch
- Mittel zum Abziehen eines gasförmigen Stickstoffstroms (37) vom Kopf der
Niederdrucksäule (1 ),
- Mittel zum Einleiten des gasförmigen Stickstoffstroms (37) in den Kaltverdichter
(36) und
- Mittel zum Einleiten des kaltverdichteten Stickstoffstroms als zweiter
Druckstickstoffproduktstrom (38) in dem Hauptwärmetauscher (8),
- wobei der Kaltverdichter (36) dazu ausgebildet ist, eine Druckdifferenz zu
überwinden, die mindestens gleich zwei Dritteln der Druckdifferenz zwischen Kopf der Hochdrucksäule (10) und Kopf der Niederdrucksäule (11) ist.
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