WO2018219501A1 - Verfahren zur gewinnung eines oder mehrerer luftprodukte und luftzerlegungsanlage - Google Patents

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WO2018219501A1
WO2018219501A1 PCT/EP2018/025141 EP2018025141W WO2018219501A1 WO 2018219501 A1 WO2018219501 A1 WO 2018219501A1 EP 2018025141 W EP2018025141 W EP 2018025141W WO 2018219501 A1 WO2018219501 A1 WO 2018219501A1
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Dimitri GOLUBEV
Otte Daniel PALANISWAMY
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Linde Aktiengesellschaft
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    • F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
    • F25J3/04296—Claude expansion, i.e. expanded into the main or high pressure column
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    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
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    • F25J2205/30—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes
    • F25J2205/32—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes as direct contact cooling tower to produce a cooled gas stream, e.g. direct contact after cooler [DCAC]
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    • F25J2205/34—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes as evaporative cooling tower to produce chilled water, e.g. evaporative water chiller [EWC]
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    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/10—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being air

Definitions

  • the invention relates to a method for obtaining one or more air products and an air separation plant according to the preambles of the independent
  • Air separation plants have rectification column systems, which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three-column or multi-column systems.
  • rectification column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three-column or multi-column systems.
  • Rectification columns for the recovery of nitrogen and / or oxygen in the liquid and / or gaseous state ie the rectification columns for nitrogen-oxygen separation, rectification columns for obtaining further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon, can be provided.
  • the rectification columns of said rectification column systems are operated at different pressure levels.
  • Double column systems have a so-called high-pressure column (also referred to as pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (also referred to as the upper column).
  • the pressure level of the high-pressure column is for example 4 to 6 bar, preferably about 5 bar.
  • the low-pressure column is at a pressure level of, for example, 1, 3 to 1, 7 bar, preferably about 1, 5 bar operated.
  • the pressure levels given here and below are in each case absolute pressures that are present at the top of the respectively named columns.
  • main compressor / compressor Mainn Air Compressor / Booster Air Compressor, MAC-BAC
  • HAP high air pressure
  • the pressure difference can be, for example, up to 14, 16, 18 or 20 bar.
  • High-pressure methods are known, for example, from EP 2 980 514 A1 and EP 2 963 367 A1.
  • US Pat. No. 5,802,873 A and US 2006/0277944 A1 disclose methods in which the total amount of feed air supplied to the rectification column system of an air separation plant is compressed further after compression in a main air compressor by means of boosters which are driven by expansion turbines. In the expansion turbines, a part of the previously compressed in the booster and then partially cooled air is released.
  • EP 1 055 894 A1 discloses an air separation plant in which liquefied natural gas is used as coolant. Castle, WF, "Modern Liquid Pump Oxygen Plants: Equipment and Performance," AIChE Symposium Series, Vol. 89, No. 294, Among other things, measures to remove or prevent the
  • the present invention is used in particular in air separation plants with so-called internal compression (IV, Internal Compression, IC).
  • IV Internal Compression, IC
  • at least one product which is provided by means of the air separation plant is formed by removing a deep-cold liquid from the rectification column system, subjecting it to an increase in pressure, and by heating it into the gaseous or supercritical state.
  • internally compressed gaseous oxygen (GOX IV, GOX IC) or nitrogen (GAN IV, GAN IC) can be produced in this way.
  • Internal compaction offers a number of advantages over alternatively possible external compaction and is e.g. in Häring (supra), Section 2.2.5.2, "Internal Compression".
  • a plant for the cryogenic separation of air, in which an internal compression is used for example, in US 2007/0209389 A1 discloses.
  • the present invention therefore has as its object, at least in some of such cases, to enable an advantageous use of a high-pressure method.
  • cryogenic fluid By a “cryogenic” fluid is meant here a liquid medium whose boiling point is well below the ambient temperature, e.g. at -50 ° C or less, especially at -100 ° C or less.
  • cryogenic liquids are liquid air, liquid oxygen, liquid nitrogen, liquid argon or liquids rich in the compounds mentioned.
  • multi-stage turbocompressors are used for compressing the amount of feed air, which are referred to here as "main air compressors”.
  • turbocompressors The mechanical design of turbocompressors is known in principle to the person skilled in the art.
  • a turbocompressor the compression of the medium to be compressed takes place by means of turbine blades, which are arranged on a turbine wheel or directly on a shaft.
  • a turbocompressor forms a structural unit which, however, can have several compressor stages in a multi-stage turbocompressor.
  • a compressor stage comprises a turbine wheel or a corresponding arrangement of turbine blades. All of these compressor stages can be driven by a common shaft. However, it can also be provided to drive the compressor stages in groups with different waves, wherein the waves can also be connected to each other via gears.
  • the main air compressor is further distinguished by the fact that through this the total amount of air fed into the distillation column system and used for the production of air products, ie the total feed air, is compressed. Accordingly, a "re-compressor" may be provided, but in which only a part of the compressed in the main air compressor air quantity is brought to an even higher pressure. This can also be designed turbocompressors. to
  • Compaction of partial air volumes typically provides for further turbocompressors, which are also referred to as boosters, in comparison to the
  • Main air compressor or the booster make only a relatively small amount of compression. Even in a high-pressure method, a booster may be present, but this compresses a subset of the air then starting from a correspondingly higher pressure level.
  • turboexpanders can also be coupled with turbo compressors and drive them. If one or more turbocompressors without externally supplied energy, i. driven only by one or more turboexpander, the term “turbine booster” is used for such an arrangement. In a turbine booster are the
  • Turboexpander (the expansion turbine) and the turbo compressor (the booster) mechanically coupled, the coupling speed equal (for example, via a common shaft) or speed different (for example, via a
  • Liquid, gaseous, or supercritical fluids may be rich or poor in one or more of the languages used herein
  • nitrogen the speech, it may be a clean gas, but also a nitrogen-rich gas.
  • pressure level and "temperature level” are used to characterize pressures and temperatures, thereby expressing that pressures and temperatures are not in the form of exact pressure values. or temperature values must be used to realize an inventive concept. However, such pressures and temperatures are moving
  • pressure levels and temperature levels can be in disjoint areas or in areas that overlap each other.
  • pressure levels include unavoidable or expected pressure drops, for example, due to cooling effects.
  • temperature levels include unavoidable or expected pressure drops, for example, due to cooling effects.
  • the pressure levels specified here in bar are absolute pressures.
  • a “warm” booster is understood to mean a booster, the air typically at a temperature level lying clearly above 0 ° C.
  • a "cold" booster air at a temperature level typically below -50 ° C, in particular by cooling the air in the main heat exchanger
  • Air separation plant can be achieved fed. Specific temperature levels are explained below. Even a warm booster supplied air can in principle, but only to a relatively small extent, in the
  • Main heat exchanger to be cooled.
  • the maximum pressure that can be achieved through a series connection of a warm and a cold booster may not be high enough to optimally balance the hot and cold fluid flows passing through the main heat exchanger without unduly increasing the pressure at the main air compressor or to reach the buildability limits for corresponding turbine boosters.
  • a corresponding increase in the pressure at the main air compressor leads to a
  • main air compressor supplies in principle only the feed air for the air separation, the re-compressor energy or cold for
  • Turbines and the post-compressor can be a very good
  • Main heat exchanger to achieve.
  • the required high pressure must be provided by the turbine booster (s) and the main air compressor pressure.
  • efficient balancing is difficult to realize without jeopardizing the buildability of the booster turbine (s) or, as mentioned, the main air compressor pressure very much to raise.
  • the present invention also has the object to enable a correspondingly advantageous use of a liquid turbine in a high-pressure air method.
  • the present invention solves the problems outlined by partially decoupling the generation of a high pressure process air stream required to vaporize the fluid streams used to provide internal compression products from the turbine booster (s).
  • a booster is followed by a warm or cold booster, wherein the corresponding air flow is compressed in the booster, for example, to a supercritical pressure.
  • the correspondingly compressed air stream is then cooled in the main heat exchanger and liquefied and fed into the distillation column system.
  • not the entire feed air is compressed in a warm or cold booster.
  • the present invention proposes a process for recovering one or more air products using an air separation plant having a rectification column system comprising a high pressure column operating at a first pressure level and a low pressure column operating at a second pressure level below the first pressure level. having.
  • Internal compaction comprises, as is generally known, that a deep-cold liquid is withdrawn from the rectification column system, subjected to an increase in pressure in the liquid state, and converted by heating into the gaseous or supercritical state.
  • Internal compaction comprises, as is generally known, that a deep-cold liquid is withdrawn from the rectification column system, subjected to an increase in pressure in the liquid state, and converted by heating into the gaseous or supercritical state.
  • the present invention relates to a high-pressure air method, in which, as mentioned, the entire, the rectification column system for recovering the air product or air supplied first as an amount of feed air in a
  • Main air compressor is compressed to a third pressure level, which is at least 3 bar above the first pressure level. Exemplary pressure differences and their limits have also been explained previously.
  • the feed air quantity compressed to the third pressure level is divided into a plurality of fractions, including a first fraction and a second fraction, and the first and second fractions are further treated separately from each other after this division, as explained below.
  • a booster turbine is used.
  • the first portion of the amount of feed air at least at the third pressure level of a booster, which is driven using the second portion of the feed air quantity supplied, and further compressed in this booster to a fourth pressure level.
  • the booster is a cold booster, in variant 3 it is a warm booster.
  • the first portion of the amount of feed air is supplied at the third pressure level, in variant 2 at a higher pressure level, which is generated by the warm booster.
  • the second portion is not supplied to the booster, which is driven using the second portion of the amount of feed air.
  • the second portion of the feed air quantity for driving the booster in which the first portion of the feed air quantity is compressed to the fourth pressure level, is also supplied to one or more expansion machines coupled to the booster at the third pressure level. The second portion is thus not further compressed starting from the third pressure level.
  • a booster compressor is used, which is connected downstream of a turbine booster.
  • the first portion of the amount of feed air is thus at the fourth pressure level in a
  • the secondary compressor is a machine driven by external energy, in particular an electrically driven compressor.
  • booster compressor so no turbine booster is used, which is driven by a relaxation of a fluid flow generated by means of the air separation plant, in particular a process air flow.
  • the first portion of the amount of feed air is cooled to the fifth pressure level, relaxed to the first pressure level and at least partially liquefied in the
  • a cold booster can be used downstream of it without additional pressure-influencing
  • the first portion of the amount of feed air before it is cooled to such a temperature level in another booster, which is driven using a further proportion of the amount of feed air, to a further pressure level above the third and below the fourth pressure level be compacted, the first portion of the further booster on a
  • Temperature level of 0 to 40 ° C, in particular from 20 to 30 ° C is supplied. It is the other booster so a warm booster.
  • a booster upstream of the post-compressor with no downstream cold booster can be used. This is a warm booster, but at least a booster that operates at a higher temperature level than a typical cold booster.
  • a further energy advantage can be achieved in that the compressed to the fifth pressure level and cooled to first portion of the amount of feed air is at least partially relaxed by means of a liquid turbine to the first pressure level. Further details have already been explained above. In principle, however, it is also possible to perform only a relaxation in expansion valves. In addition to the first portion of the amount of feed air and other portions of the feed air quantity can be cooled to a condensing temperature and then fed via suitable expansion devices in the distillation column system, in particular in the high-pressure column. In other words, other inductor currents can therefore also be used within the scope of the present invention.
  • Main compressor to use with multiple compressor stages, wherein the one compressor stage or at least one of the plurality of compressor stages of the
  • Main air compressor is coupled.
  • a combination machine which comprises, for example, a four-stage main air compressor and a two-stage secondary compressor.
  • a corresponding mechanical coupling can take the form of a speed-equal coupling, for example by the compressor stages of the main air and the Nachverêtrs are arranged on a common shaft, but it can also be a coupling via one or more gearboxes.
  • the present invention offers the advantage in this embodiment that the outlet pressure of the main air compressor can be lowered, since the maximum pressure to be reached by the secondary compressor is pressure-dependent. Therefore, the number of required compressor stages of the main air compressor can be reduced.
  • These can be used for the booster and installed, for example, on a separate pinion shaft.
  • only a partial flow of the process air is recompressed by the secondary compressor. This amount can be flexibly adjusted by an additional inductor downstream of the respective booster used. In this way it is possible to determine the ratio of flow rates through the
  • the step pressure ratio on the booster used is preferably higher in this embodiment than in known methods.
  • a third subset of the feed air quantity is first further compressed to the fourth pressure level together with the first portion of the amount of feed air in the booster, which is driven using the second portion of the feed air and then cooled separately from the first portion of the amount of feed air without compression to the fifth pressure level, relaxed to the first pressure level and at least partially liquefied is fed into the high-pressure column.
  • a warm booster with a turbine flow can also be used. This can, as already explained, first compress the first portion of the amount of feed air before it is further compressed in the cold booster, but by means of a corresponding warm booster an independent compression of feed air can take place.
  • the warm booster or more generally another booster, a further proportion of the amount of feed air is fed and compacted there to a higher pressure level.
  • the inlet temperatures of a warm booster reference is made to the above statements.
  • the further proportion of the amount of feed air compressed in the further booster is subsequently cooled in the main heat exchanger.
  • Relaxation valves take place.
  • the cooling and liquefaction the first subset of the further portion of the amount of feed air in a main heat exchanger of the air separation plant done.
  • a second subset of the further portion of the feed air quantity can be partially cooled and expanded in an expansion turbine, which is mechanically coupled to the further booster, and subsequently into the
  • the present invention also extends to an air separation plant for obtaining one or more air products, to the features of which reference is made to the corresponding independent claim.
  • Air separation plant is based on the above explanations regarding the
  • Figure 1 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in a schematic representation.
  • Figure 2 shows an air separation plant according to another embodiment of the invention in a schematic representation.
  • Figure 3 shows an air separation plant according to another embodiment of the invention in a schematic partial representation.
  • Figure 4 shows an air separation plant according to another embodiment of the invention in a schematic partial representation.
  • Figure 5 shows an air separation plant according to another embodiment of the invention in a schematic partial representation.
  • Figure 6 shows an air separation plant according to a further embodiment of the invention in a schematic partial representation.
  • FIG. 1 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention is shown in a highly simplified, schematic representation and designated 100 in total. For a more detailed explanation in the figure 1 not shown
  • Plant parts are referenced, for example, to specialist literature such as Haring (see above).
  • a feed air stream a is sucked in via a filter 101 by means of a main air compressor 1, which in particular can be multistage, and one or more aftercoolers not separately designated here are sucked in and compressed to a pressure level, which is referred to here as "third". Pressure level is called.
  • the air separation process carried out in the air separation plant 100 is a HAP process explained above, so that the third pressure level is at least 3 bar above a pressure level at which a high pressure column 11 of a
  • Rectification column system 10 referred to herein as the "first" pressure level.
  • feed air amount The total amount of air supplied to the rectification column system 10, which is compressed to the third pressure level, is referred to herein as the "feed air amount.”
  • This amount of feed air is first one or more treatment facilities. 2 supplied there and in particular cooled and freed from water and carbon dioxide. Subsequently, the feed air stream now denoted by b is split upstream and in a main heat exchanger 3 of the air separation plant 100 into a total of four partial streams c, d, e and f, the partial stream f being divided further into partial streams g and h for a treatment described below ,
  • the partial flows c and d are preferably fed together to a main heat exchanger 3 of the air separation plant 100, but this is taken on preferably different intermediate temperature levels. Subsequently, the first partial flow c is fed to a further compression in a cold booster 4, which is coupled to an expansion turbine 5. This further compression takes place at a pressure level, which is referred to here as the "fourth" pressure level.
  • a pressure level which is referred to here as the "fourth" pressure level.
  • Expansion turbine 5 the partial flow d is relaxed. He is then fed in the example shown in the high-pressure column 1 1.
  • the partial flow c is again conducted to the main heat exchanger 3 at the fourth pressure level and heated there, and then further compressed to an after-compressor 6, which may also be multi-stage, and to which one or more aftercoolers not separately designated here are further compressed, namely a pressure level, which is also referred to here as the "fifth" pressure level.
  • an after-compressor 6 which may also be multi-stage, and to which one or more aftercoolers not separately designated here are further compressed, namely a pressure level, which is also referred to here as the "fifth" pressure level.
  • the partial flow c is cooled in the main heat exchanger 3. After a
  • the partial flow c can also be divided into sub-streams, for example, which can be treated differently.
  • the entire air supplied to the rectification system 10 for the production of the air product (s) is first compressed as an amount of feed air in a main air compressor 1 to the third pressure level which is at least 3 bar above the first pressure level on which the high-pressure column 11 is operated.
  • a first portion of the amount of feed air namely the amount of air of the partial flow c, in the example shown at the third pressure level in the Main heat exchanger 3 cooled and in the booster 4, which is driven using a second portion of the feed air amount, namely the air of the partial flow d, further compressed to the fourth pressure level.
  • the first portion of the amount of feed air, ie the air of the partial flow c is heated at the fourth pressure level in the main heat exchanger 3 and in the
  • the partial flow e is cooled in the illustrated example as so-called throttle flow at the third pressure level, at least partially liquefied, and fed via a not separately designated throttle valve or other expansion device in the high-pressure column 11.
  • the partial flow f is in the example shown in a booster 8, which is coupled to an expansion turbine 9, further compressed and then divided into the two partial flows g and h.
  • Heat exchanger 3 cooled and also fed to the rectification column system 10.
  • the partial flows e and g are combined in advance.
  • the partial flow h is cooled in the heat exchanger 3 to an intermediate temperature level, expanded in the expansion turbine 9 and finally also fed into the rectification column system 10.
  • the air separation plant 100 is set up for internal compression.
  • the high-pressure column 1 1 nitrogen-rich overhead gas is removed, in a not separately designated main condenser, which connects the high pressure column 1 1 and a low pressure column 12 heat exchanging, liquefied, and liquid in the form of a liquid stream y supplied to an internal compression pump 104.
  • the stream y in the internal compression pump 104 has been brought to a higher, for example, a supercritical, pressure level, it is vaporized in the main heat exchanger 3 or transferred from the liquid to the supercritical state.
  • IC GAN nitrogen-rich air product
  • nitrogen-rich overhead gas can be taken from the high-pressure column 1 1 and passed through the main heat exchanger without prior liquefaction. This can be relaxed downstream of the main heat exchanger 3 and used as a sealing gas (seal gas). A part of it can also downstream of the main heat exchanger 3,
  • a liquid, oxygen-rich air product can be withdrawn from the bottom of the low pressure column 12 in the form of a stream z, pressure increased in an internal compression pump 105, vaporized in the main heat exchanger 3 or transferred to the supercritical state and finally delivered as an oxygen-rich air product (GOX IC) at the plant boundary ,
  • FIG. 2 an air separation plant according to a further embodiment of the invention is shown in greatly simplified schematic form and designated overall by 200.
  • the system 200 differs from the system 100 in particular in that the partial flow c is not supplied to the cold booster 4, but a partial flow designated by i of the partial flow f after its compression in the warm booster 8. It should be emphasized that, even if the material flows in FIG. 2 are denoted by the same reference symbols as in FIG. 1, which may be present in different amounts. A further existing partial flow of the partial flow f is treated as in the system 100 according to FIG. 1 and is therefore also denoted by g here.
  • Main heat exchanger 3 is supplied and divided into a further two partial flows k and I, wherein the partial flow k is supplied according to the partial flow c in the system 100 of Figure 1 to the secondary compressor 6 and then further treated as there and the partial flow I without a corresponding further compression, but otherwise according to the partial flow k, is treated.
  • a substream m which is present at the third pressure level, is used in the system 200 according to FIG. 2, but otherwise treated in the same way.
  • the average temperature difference between the hot and the cold streams at the warm end of the main heat exchanger is advantageously at least 1 K and at most 15 K in the system 100 according to FIG. 1 and the system 200 according to FIG. 2.
  • the step pressure ratio of the warm booster 8 is advantageously 1.2 to 1, 8, in particular 1, 3 to 1, 6, its exit temperature results from the
  • the inlet temperature in the expansion turbine 9 is advantageously at -120 to -160 ° C, in particular at -130 to -150 ° C.
  • the stage pressure ratio of the after-compressor 6 is advantageously 1, 3 to 1, 8, in particular 1, 5 to 1, 6, its outlet pressure, ie the fifth pressure level, advantageously 40 to 100 bar, in particular 50 to 70 bar, for example 58 bar.
  • the cold booster 4 is advantageously with a
  • Its inlet temperature is advantageously from -1.10 to -150 ° C, in particular from -120 to -140 ° C.
  • Its outlet temperature results from the pressure ratio, the inlet temperature and the efficiency.
  • n a partial flow, designated here by n, is supplied to the warm booster 9 without previous cooling.
  • the partial flow n is divided into two partial flows, here denoted by o and p, which in principle can be treated like the partial flows g and h in the system 100 according to FIG.
  • o and p two partial flows, here denoted by o and p, which in principle can be treated like the partial flows g and h in the system 100 according to FIG.
  • the partial stream n is cooled after its compression in the warm booster 8 completely in the main heat exchanger 3 and expanded into the distillation column system, not shown here.
  • the partial flow n will be as illustrated according to FIG. 5
  • the partial flow r can be treated, for example, as the partial flow o of the embodiment illustrated in FIG.
  • the partial flow n after its compression in the warm booster 8 becomes
  • Main heat exchanger 3 cooled to an intermediate temperature and fed to the cold booster 4.
  • the subsequent treatment is carried out in particular as explained with respect to the system 200 according to FIG. 2 with respect to the partial flow i.
  • a partial flow of the material flow c which corresponds to the partial flow m in the system 200 according to FIG. 2, takes its place.
  • the feeding of the cold booster 4 and the expansion turbine 5 takes place in the embodiments illustrated in FIGS. 3 and 4
  • the further treatment of the material streams r and s compressed or expanded there takes place basically as in the system 200 according to FIG. 2.
  • the relaxation of the material flow s takes place here in particular on the pressure level of the low-pressure column 12th

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Abstract

Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100, 200) mit einem Rektifikationssäulensystem (10), das eine Hochdrucksäule (11), die auf einem ersten Druckniveau betrieben wird, und eine Niederdrucksäule (12), die auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben wird, aufweist, vor. Dabei wird das Luftprodukt oder zumindest eines der mehreren Luftprodukte unter Einsatz einer Innenverdichtung bereitgestellt, die gesamte, dem Rektifikationssäulensystem (10) zur Gewinnung des oder der Luftprodukte zugeführte Luft wird zunächst als Einsatzluftmenge in einem Hauptluftverdichter (1) auf ein drittes Druckniveau verdichtet, das mindestens 3 bar oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, und die Einsatzluftmenge wird in mehrere Anteile, darunter einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil, aufgeteilt. Nach dieser Aufteilung wird der erste Anteil der Einsatzluftmenge auf zumindest dem dritten Druckniveau einem Booster (4, 8), der unter Verwendung des zweiten Anteils der Einsatzluftmenge angetrieben wird, auf ein viertes Druckniveau verdichtet. Es ist vorgesehen, dass der erste Anteil der Einsatzluftmenge auf dem vierten Druckniveau in einem Nachverdichter (6), der ohne Verwendung eines mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellten Fluidstroms angetrieben wird, auf ein fünftes Druckniveau verdichtet wird, und dass der erste Anteil der Einsatzluftmenge auf dem fünften Druckniveau abgekühlt, auf das erste Druckniveau entspannt und zumindest teilweise verflüssigt in die Hochdrucksäule (11) eingespeist wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und Luftzerlegungsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und eine Luftzerlegungsanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen
Patentansprüche.
Stand der Technik
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und
beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den
Rektifikationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung, können Rektifikationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Die Rektifikationssäulen der genannten Rektifikationssäulensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Doppelsäulensysteme weisen eine sogenannte Hochdrucksäule (auch als Drucksäule, Mitteldrucksäule oder untere Säule bezeichnet) und eine sogenannte Niederdrucksäule (auch als obere Säule bezeichnet) auf. Das Druckniveau der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4 bis 6 bar, vorzugsweise etwa 5 bar. Die Niederdrucksäule wird auf einem Druckniveau von beispielsweise 1 ,3 bis 1 ,7 bar, vorzugsweise etwa 1 ,5 bar, betrieben. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Druckniveaus handelt es sich jeweils um Absolutdrücke, die am Kopf der jeweils genannten Säulen vorliegen. Zur Luftzerlegung können sogenannte Hauptverdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-) Verfahren oder sogenannte Hochluftdruck-( High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher
konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zum Einsatz.
Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Rektifikationssäulensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet wird, das wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, oberhalb des Druckniveaus der Hochdrucksäule liegt. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf das Druckniveau der Hochdrucksäule oder ein Druckniveau, das sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar von dem Druckniveau der Hochdrucksäule unterscheidet, verdichtet, und auf diesem niedrigeren Druckniveau in die Hochdrucksäule eingespeist. Ein Beispiel für ein Hauptverdichter/Nachverdichter- Verfahren ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt.
Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die gesamte dem
Rektifikationssäulensystem insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf ein
Druckniveau verdichtet, das wesentlich, d.h. um 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar oberhalb des Druckniveaus der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied kann beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar betragen. Hochluftdruck- Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 980 514 A1 und der EP 2 963 367 A1 bekannt. Aus der US 5,802,873 A und der US 2006/0277944 A1 sind Verfahren bekannt, in denen die dem Rektifikationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge nach der Verdichtung in einem Hauptluftverdichter mittels Boostern, die von Entspannungsturbinen angetrieben werden, weiter verdichtet wird. In den Entspannungsturbinen wird ein Teil der zuvor in den Boostern verdichteten und anschließend teilabgekühlten Luft entspannt.
In der EP 1 055 894 A1 ist eine Luftzerlegungsanlage offenbart, bei der verflüssigtes Erdgas als Kühlmittel eingesetzt wird. Bei Castle, W.F., "Modern Liquid Pump Oxygen Plants: Equipment and Performance", AIChE Symposium Series, Bd. 89, Nr. 294, werden unter anderem Maßnahmen zur Entfernung bzw. Verhinderung der
Anreicherung von Kohlenwasserstoffen in Luftzerlegungsanlagen diskutiert.
Die vorliegende Erfindung kommt insbesondere bei Luftzerlegungsanlagen mit sogenannter Innenverdichtung (IV, Internal Compression, IC) zum Einsatz. Hierbei wird wenigstens ein Produkt, das mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, dadurch gebildet, dass dem Rektifikationssäulensystem eine tiefkalte Flüssigkeit entnommen, einer Druckerhöhung unterworfen, und durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand wird. Beispielsweise kann auf diese Weise innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff (GOX IV, GOX IC) oder Stickstoff (GAN IV, GAN IC) erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer alternativ ebenfalls möglichen externen Verdichtung und ist z.B. bei Häring (s.o.), Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert. Eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei der eine Innenverdichtung zum Einsatz kommt, ist beispielsweise auch in der US 2007/0209389 A1 offenbart.
Aufgrund von deutlich geringeren Kosten und vergleichbarer Effizienz können
Hochluftdruck-Verfahren eine vorteilhafte Alternative zu den konventionelleren
Hauptverdichter/Nachverdichter- Verfahren darstellen. Dies gilt jedoch, wie nachfolgend noch im Detail erläutert, nicht in sämtlichen Fällen. Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, zumindest in einem Teil solcher Fälle einen vorteilhaften Einsatz eines Hochluftdruck-Verfahrens zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer
Luftprodukte und eine Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Nachfolgend werden zunächst einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung erläutert und zur Beschreibung der Erfindung verwendete Begriffe definiert.
Unter einer "Einsatzluftmenge" oder kurz "Einsatzluft" wird im Rahmen dieser
Anmeldung der dem Rektifikationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage insgesamt zugeführte und damit sämtliche dem Rektifikationssäulensystem zugeführte Luft verstanden. Wie bereits zuvor erläutert, wird eine entsprechende Einsatzluftmenge in einem Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren nur zu einem Teil auf ein
Druckniveau verdichtet, das deutlich oberhalb des Druckniveaus der Hochdrucksäule liegt. Hingegen wird in einem Hochluftdruck-Verfahren die gesamte Einsatzluftmenge auf ein derartig hohes Druckniveau verdichtet. Zur Bedeutung des Begriffs "deutlich" im Zusammenhang mit Hauptverdichter/Nachverdichter- und Hochluftdruck-Verfahren sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Unter einer "tiefkalten" Flüssigkeit wird hier ein flüssiges Medium verstanden, dessen Siedepunkt deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, z.B. bei -50 °C oder weniger, insbesondere bei -100 °C oder weniger. Beispiele für tiefkalte Flüssigkeiten sind flüssige Luft, flüssiger Sauerstoff, flüssiger Stickstoff, flüssiges Argon oder Flüssigkeiten, die reich an den genannten Verbindungen sind. Zu den in Luftzerlegungsanlagen eingesetzten Vorrichtungen bzw. Apparaten sei auf Fachliteratur wie Häring (s.o.), insbesondere Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" verwiesen. Nachfolgend werden zur Verdeutlichung und klareren Abgrenzung einige Aspekte entsprechender Vorrichtungen näher erläutert. In Luftzerlegungsanlagen kommen zur Verdichtung der Einsatzluftmenge mehrstufige Turboverdichter zum Einsatz, die hier als "Hauptluftverdichter" bezeichnet werden. Der mechanische Aufbau von Turboverdichtern ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. In einem Turboverdichter erfolgt die Verdichtung des zu verdichtenden Mediums mittels Turbinenschaufeln, die auf einem Turbinenrad oder direkt auf einer Welle angeordnet sind. Ein Turboverdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch bei einem mehrstufigen Turboverdichter mehrere Verdichterstufen aufweisen kann. Eine Verdichterstufe umfasst dabei in der Regel ein Turbinenrad oder eine entsprechende Anordnung von Turbinenschaufeln. Alle dieser Verdichterstufen können von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Verdichterstufen gruppenweise mit unterschiedlichen Wellen anzutreiben, wobei die Wellen auch über Getriebe miteinander verbunden sein können.
Der Hauptluftverdichter zeichnet sich ferner dadurch aus, dass durch diesen die gesamte in das Destillationssäulensystem eingespeiste und zur Herstellung von Luftprodukten verwendete Luftmenge, also die gesamte Einsatzluft, verdichtet wird. Entsprechend kann auch ein "Nachverdichter" vorgesehen sein, in dem aber nur ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Luftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird. Auch dieser kann Turboverdichter ausgebildet sein. Zur
Verdichtung von Teilluftmengen sind typischerweise weitere Turboverdichter vorgesehen, die auch als Booster bezeichnet werden, im Vergleich zu dem
Hauptluftverdichter oder dem Nachverdichter jedoch nur eine Verdichtung in relativ geringem Umfang vornehmen. Auch in einem Hochluftdruck-Verfahren kann ein Nachverdichter vorhanden sein, dieser verdichtet jedoch eine Teilmenge der Luft dann ausgehend von einem entsprechend höheren Druckniveau.
An mehreren Stellen in Luftzerlegungsanlagen kann ferner Luft entspannt werden, wozu unter anderem Entspannungsmaschinen in Form von Turboexpandern, hier auch als "Entspannungsturbinen" bezeichnet, zum Einsatz kommen können. Turboexpander können auch mit Turboverdichtern gekoppelt sein und diese antreiben. Werden ein oder mehrere Turboverdichter ohne extern zugeführte Energie, d.h. nur über einen oder mehrere Turboexpander, angetrieben, wird für eine derartige Anordnung auch der Begriff "Turbinenbooster" verwendet. In einem Turbinenbooster sind der
Turboexpander (die Entspannungsturbine) und der Turboverdichter (der Booster) mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein
zwischengeschaltetes Getriebe) erfolgen kann.
Flüssige, gasförmige oder auch im überkritischen Zustand vorliegende Fluide können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren
Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 75%, 90%, 95%,
99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 25%, 10%, 5%, 1 %, 0,1 % oder 0,01 % auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der soeben getroffenen Definition von "reich" entsprechen, bezeichnet jedoch insbesondere einen Gehalt von mehr als 90%. Ist hier
beispielsweise von "Stickstoff" die Rede, kann es sich um ein Reingas, aber auch ein an Stickstoff reiches Gas handeln.
Nachfolgend werden zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau" verwendet, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um ein erfinderisches Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen
typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1 %, 5% oder 10% um einen Mittelwert liegen. Unterschiedliche Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten, ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
Vorteile der Erfindung
Bei Luftzerlegungsverfahren bzw. in entsprechenden Anlagen, mittels derer allenfalls geringe Mengen an flüssigen Luftprodukten bereitgestellt werden sollen, und in denen bestimmte Innenverdichtungsdrücke erforderlich sind, stellt ein Hochluftdruck- Verfahren mit einem sogenannten warmen Booster und optional einem sogenannten kalten Booster, die beide über eine Entspannungsturbinen mit Teilmengen der Einsatzluft angetrieben werden, eine kostengünstige Alternative zu
Hauptluftverdichter/Nachverdichter- Verfahren dar.
Unter einem "warmen" Booster wird dabei ein Booster verstanden, dem Luft typischerweise auf einem deutlich über 0 °C liegenden Temperaturniveau,
beispielsweise bei Umgebungs- oder Kühlwassertemperatur oder aufgrund von Verdichtungswärme auch darüber, zugeführt wird. Hingegen wird einem "kalten" Booster Luft auf einem typischerweise unter-50 °C liegenden Temperaturniveau, das insbesondere durch Abkühlung der Luft im Hauptwärmetauscher der
Luftzerlegungsanlage erreicht werden kann, zugeführt. Spezifische Temperaturniveaus werden unten erläutert. Auch die einem warmen Booster zugeführte Luft kann grundsätzlich, allerdings nur in vergleichsweise geringem Umfang, im
Hauptwärmetauscher abgekühlt werden.
Der maximale Druck, der durch eine Reihenschaltung eines warmen und eines kalten Boosters erreicht werden kann, ist jedoch unter Umständen nicht hoch genug, um die durch den Hauptwärmetauscher geführten warmen und kalten Fluidströme optimal abzugleichen, ohne den Druck am Hauptluftverdichter übermäßig stark anzuheben oder die Baubarkeitsgrenzen für entsprechende Turbinenbooster zu erreichen. Eine entsprechende Anhebung des Drucks am Hauptluftverdichter führt zu einem
Energienachteil gegenüber einem Hauptluftverdichter/Nachverdichter- Verfahren. Mittels herkömmlicher Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren kann eine relativ gute Anpassung an unterschiedliche Produktkonstellationen erfolgen, da beide eingesetzten Verdichter (Hauptluftverdichter und Nachverdichter) für funktional getrennte Aufgaben "zuständig" sind. Der Hauptluftverdichter liefert im Prinzip nur die Einsatzluft für die Luftzerlegung, der Nachverdichter Energie bzw. Kälte zur
Innenverdichtung und Flüssigproduktion. Durch eine geschickte Verschaltung der
Turbinen und des Nachverdichters, insbesondere auch durch eine Zwischenentnahme, sowie die Verwendung zusätzlicher Drosselströme, kann eine sehr gute
Energieeffizienz erreicht werden. Jedoch ist hierzu im Allgemeinen eine hohe Anzahl an Verdichterstufen notwendig, was die Investitionskosten erhöht.
Bei einem Hochluftdruck-Verfahren werden die genannten Aufgaben von nur einem Verdichter erfüllt. Somit muss die gesamte Einsatzluft auf einen hohen Druck verdichtet werden, um einen guten Abgleich zwischen kalten und warmen Strömen im
Hauptwärmetauscher zu erzielen. Der erforderliche hohe Druck muss durch den oder die Turbinenbooster und den Hauptluftverdichterdruck bereitgestellt werden. In einigen Fällen, vor allem bei Produktkonstellationen mit keiner oder sehr geringen Mengen an Flüssigkeit, ist ein effizienter Abgleich, wie bereits erwähnt, nur schwierig zu realisieren, ohne die Baubarkeit der Boosterturbine(n) zu gefährden oder, wie erwähnt, den Hauptluftverdichterdruck sehr stark anzuheben.
Es sind Hochluftdruck-Verfahren bekannt, bei denen zusätzlich zu dem auf einen entsprechend hohen Druck verdichtenden Hauptluftverdichter ein, beispielsweise einstufiger, Nachverdichter eingesetzt wird, um den im kalten Booster verdichteten Luftstrom vorzuverdichten und auf diese Weise einen Hochdruck-Drosselstrom zu erzeugen. Auf diese Weise kann die Baubarkeit des Turbinenboosters deutlich verbessert und der Druck am Hauptluftverdichter abgesenkt werden. Beispielsweise aus der US 2013/0255313 A1 ist auch ein Verfahren mit zwei in Reihe geschalteten kalten Boostern bekannt. Bei der Schaltung, bei der ein Nachverdichter dem kalten Booster vorgeschaltet ist, kann eine etwas bessere Energieausbeute als in dem Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren erzielt werden. Wird zusätzlich zur Entspannung eines entsprechenden Prozessluftstroms eine Flüssigturbine (Dense Liquid Expander, DLE) eingesetzt, kann eine weitere
Energieeffizienzsteigerung erzielt werden. Da die Leistung einer Flüssigturbine im Allgemeinen stark vom Druck abhängt, ist ihr Einsatz im Allgemeinen bei
herkömmlichen Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren immer deutlich vorteilhafter als bei bekannten Hochluftdruck- Verfahren. Die vorliegende Erfindung stellt sich ebenso die Aufgabe, einen entsprechend vorteilhaften Einsatz einer Flüssigturbine auch in einem Hochluftdruck-Verfahren zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung löst die erläuterten Probleme dadurch, dass die Erzeugung eines Hochdruck-Prozessluftstroms, der zur Verdampfung der zur Bereitstellung von Innenverdichtungsprodukten verwendeten Fluidströme erforderlich ist, von dem oder den Turbinenboostern teilweise entkoppelt wird. Hierzu wird ein Nachverdichter einem warmen oder kalten Booster nachgeschaltet, wobei der entsprechende Luftstrom im Nachverdichter beispielsweise auf einen überkritischen Druck verdichtet wird. Der entsprechend verdichtete Luftstrom wird dann im Hauptwärmetauscher abgekühlt und verflüssigt sowie in das Destillationssäulensystem eingespeist. Im Gegensatz zu den aus der US 5,802,873 A und der US 2006/0277944 A1 eingesetzten Verfarhen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht die gesamte Einsatzluft in einem warmen oder kalten Booster verdichtet.
Grundsätzlich sind dabei unterschiedliche Varianten möglich, wobei in allen Fällen die gesamte Einsatzluft im Hauptluftverdichter auf ein Druckniveau gebracht wird, das dem eines eingangs erläuterten Hochluftdruck-Verfahren entspricht. Grundsätzlich lassen sich die nachfolgenden Varianten unterscheiden:
Führen eines Teils der im Hauptluftverdichter verdichteten Einsatzluft durch einen kalten Booster nach Teilabkühlung im Hauptwärmetauscher und ohne vorherige zusätzliche Verdichtung, sodann Nachverdichtung im Nachverdichter und Abkühlung im Hauptwärmetauscher.
2. Führen eines Teils der im Hauptluftverdichter verdichteten Einsatzluft durch einen kalten Booster nach Teilabkühlung im Hauptwärmetauscher und nach vorheriger zusätzlicher Verdichtung in einem warmen Booster, sodann Nachverdichtung im Nachverdichter und Abkühlung im Hauptwärmetauscher.
3. Führen eines Teils der im Hauptluftverdichter verdichteten Einsatzluft durch einen warmen Booster ohne vorherige zusätzliche Verdichtung, anschließende
Nachverdichtung im Nachverdichter und Abkühlung im Hauptwärmetauscher.
Auf diese Varianten wird in der nachfolgenden Beschreibung auch mit der
entsprechenden Nummer Bezug genommen.
Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage mit einem Rektifikationssäulensystem vor, das eine Hochdrucksäule, die auf einem ersten Druckniveau betrieben wird, und eine Niederdrucksäule, die auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben wird, aufweist. In dem
Verfahren wird das Luftprodukt oder wird zumindest eines der mehreren Luftprodukte unter Einsatz einer Innenverdichtung bereitgestellt. Eine Innenverdichtung umfasst, wie grundsätzlich bekannt, dass dem Rektifikationssäulensystem eine tiefkalte Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung unterworfen, und durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt wird. Zu typischen Betriebsdrücken in bekannten Rektifikationssäulensystemen sei auf die Ausführungen am Anfang verwiesen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Hochluftdruck-Verfahren, bei dem, wie erwähnt, die gesamte, dem Rektifikationssäulensystem zur Gewinnung des oder der Luftprodukte zugeführte Luft zunächst als Einsatzluftmenge in einem
Hauptluftverdichter auf ein drittes Druckniveau verdichtet wird, das mindestens 3 bar oberhalb des ersten Druckniveaus liegt. Beispielhafte Druckunterschiede und deren Grenzen wurden ebenfalls bereits zuvor erläutert.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die auf das dritte Druckniveau verdichtete Einsatzluftmenge in mehrere Anteile, darunter einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil, aufgeteilt, und der erste und der zweite Anteil werden nach dieser Aufteilung zunächst getrennt voneinander weiter behandelt, wie nachfolgend erläutert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Boosterturbine eingesetzt. Dabei wird der erste Anteil der Einsatzluftmenge zumindest auf dem dritten Druckniveau einem Booster, der unter Verwendung des zweiten Anteils der Einsatzluftmenge angetrieben wird, zugeführt, und in diesem Booster weiter auf ein viertes Druckniveau verdichtet. Bei den oben erläuterten Varianten 1 und 2 handelt es sich dabei bei dem Booster um einen kalten Booster, bei der Variante 3 um einen warmen Booster. Bei den Varianten 1 und 3 wird der erste Anteil der Einsatzluftmenge auf dem dritten Druckniveau zugeführt, bei Variante 2 auf einem höheren Druckniveau, das durch den warmen Booster erzeugt wird.
Da der erste und der zweite Anteil der auf das dritte Druckniveau verdichteten
Einsatzluftmenge getrennt voneinander weiterbehandelt werden, wird der zweite Anteil insbesondere nicht dem Booster, der unter Verwendung des zweiten Anteils der Einsatzluftmenge angetrieben wird, zugeführt. Insbesondere wird ferner der zweite Anteil der Einsatzluftmenge zum Antreiben des Boosters, in dem der erste Anteil der Einsatzluftmenge auf das vierte Druckniveau verdichtet wird, einer oder mehreren mit dem Booster gekoppelten Entspannungsmaschinen auf dem dritten Druckniveau zugeführt. Der zweite Anteil wird also hierbei ausgehend von dem dritten Druckniveau nicht weiter verdichtet.
Wie bereits zuvor angesprochen, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Nachverdichter eingesetzt, der einem Turbinenbooster nachgeschaltet ist. Der erste Anteil der Einsatzluftmenge wird also auf dem vierten Druckniveau in einem
Nachverdichter, der ohne Verwendung eines mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellten Fluidstroms angetrieben wird, weiter auf ein fünftes Druckniveau verdichtet. Es sei betont, dass es sich bei dem Nachverdichter um eine mit externer Energie angetriebene Maschine, insbesondere um einen elektrisch angetriebenen Verdichter, handelt. Als Nachverdichter wird also kein Turbinenbooster eingesetzt, der durch eine Entspannung eines unter mittels der Luftzerlegungsanlage erzeugten Fluidstroms, insbesondere eines Prozessluftstroms angetrieben wird.
Der erste Anteil der Einsatzluftmenge wird auf dem fünften Druckniveau abgekühlt, auf das erste Druckniveau entspannt und zumindest teilweise verflüssigt in die
Hochdrucksäule eingespeist. Mittels des Nachverdichters, der den ersten Anteil der Einsatzluft stromab des Boosters verdichtet, wird, wie erwähnt, dieser Anteil der Einsatzluft auf das fünfte Druckniveau verdichtet, das vorteilhafterweise bei 40 bis 100 bar, insbesondere 50 bis 70 bar, beispielweise 58 bar, liegt. Es können also insbesondere überkritische Drücke eingesetzt werden.
Wie erwähnt, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein kalter Booster eingesetzt werden, stromab dessen ohne zusätzliche druckbeeinflussende
Maßnahmen die Nachverdichtung durch den Nachverdichter erfolgt (siehe oben Varianten 1 und 2). In diesem Fall wird der erste Anteil der Einsatzluftmenge auf zumindest dem dritten Druckniveau (bei Variante 1 auf dem dritten Druckniveau, bei Variante 2 auf einem höheren Druckniveau) auf ein Temperaturniveau von
vorteilhafterweise -50 bis -150°C, insbesondere -120 bis -140 °C, abgekühlt und auf diesem dem Booster zugeführt, bezeichnet.
Hierbei kann (gemäß Variante 2) der erste Anteil der Einsatzluftmenge, bevor er auf ein derartiges Temperaturniveau abgekühlt wird, in einem weiteren Booster, der unter Verwendung eines weiteren Anteils der Einsatzluftmenge angetrieben wird, auf ein weiteres Druckniveau oberhalb des dritten und unterhalb des vierten Druckniveaus verdichtet werden, wobei der erste Anteil dem weiteren Booster auf einem
Temperaturniveau von 0 bis 40 °C, insbesondere von 20 bis 30 °C zugeführt wird. Es handelt sich bei dem weiteren Booster also um einen warmen Booster.
Vorteilhafterweise wird (in den Varianten 1 und 2) der erste Anteil der Einsatzluftmenge nach der Verdichtung auf das vierte Druckniveau in dem kalten Booster und vor der Verdichtung auf das fünfte Druckniveau in dem Nachverdichter auf ein
Temperaturniveau von 0 bis 40 °C, insbesondere 10 bis 20°C erwärmt, beispielsweise um die Temperatur der geforderten Eintrittstemperatur des Nachverdichters anzupassen.
Alternativ zu den soeben erläuterten Ausgestaltungen kann (siehe oben Variante 3) auch vorgesehen sein, den ersten Anteil der Einsatzluftmenge auf dem dritten Druckniveau auf ein Temperaturniveau von -40 bis 20 °C, insbesondere 0 bis 10 °C abzukühlen und auf diesem dem Booster zuzuführen, der diesen auf das vierte Druckniveau verdichtet. Anstelle der soeben erläuterten Ausgestaltungen kann also auch ein Booster stromauf des Nachverdichters, ohne nachgeschalteten kalten Booster, verwendet werden. Hierbei handelt es sich um einen warmen Booster, aber zumindest um einen Booster, der auf einem höheren Temperaturniveau als ein typischer kalter Booster betrieben wird.
Ein weiterer energetischer Vorteil lässt sich dadurch erzielen, dass der auf das fünfte Druckniveau verdichtete und auf abgekühlte erste Anteil der Einsatzluftmenge zumindest zum Teil mittels einer Flüssigturbine auf das erste Druckniveau entspannt wird. Weitere Details hierzu wurden bereits zuvor erläutert. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, lediglich eine Entspannung in Entspannungsventilen durchzuführen. Neben dem ersten Anteil der Einsatzluftmenge können auch weitere Anteile der Einsatzluftmenge bis auf eine Verflüssigungstemperatur abgekühlt und anschließend über geeignete Entspannungseinrichtungen in das Destillationssäulensystem, insbesondere in die Hochdrucksäule, eingespeist werden. Mit anderen Worten können also im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch weitere Drosselströme verwendet werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, einen Nachverdichter mit einer oder mehreren Verdichterstufen und einen
Hauptluftverdichter mit mehreren Verdichterstufen zu verwenden, wobei die eine Verdichterstufe oder zumindest eine der mehreren Verdichterstufen des
Nachverdichters mechanisch mit zumindest einer der Verdichterstufen des
Hauptluftverdichters gekoppelt wird. Mit anderen Worten kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Kombimaschine eingesetzt werden, die beispielsweise einen vierstufigen Hauptluftverdichter und einen zweistufigen Nachverdichter umfasst. Eine entsprechende mechanische Kopplung kann in Form einer drehzahlgleichen Kopplung erfolgen, beispielsweise indem die Verdichterstufen des Hauptluft- und des Nachverdichters auf einer gemeinsamen Welle angeordnet werden, es kann jedoch auch eine Kopplung über ein oder mehrere Getriebe erfolgen. Die vorliegende Erfindung bietet in dieser Ausgestaltung den Vorteil, dass der Ausgangsdruck des Hauptluftverdichters abgesenkt werden kann, da der maximal zu erreichende Druck vom Nachverdichter druckabhängig ist. Daher kann auch die Anzahl der erforderlichen Verdichterstufen des Hauptluftverdichters verringert werden. Diese können für den Nachverdichter verwendet und hierzu beispielsweise auf einer separaten Ritzelwelle installiert werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird nur ein Teilstrom der Prozessluft durch den Nachverdichter nachverdichtet. Diese Menge kann durch einen zusätzlichen Drosselstrom stromab des jeweils verwendeten Boosters flexibel eingestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, das Verhältnis der Flussraten durch die
Entspannungsturbine zu jenem durch den Booster besser einzustellen und
insbesondere eine spezifische Drehzahl der Turbine und des Boosters aneinander anzupassen. Das Stufendruckverhältnis am verwendeten Booster ist vorzugsweisebei dieser Ausgestaltung höher als in bekannten Verfahren.
Mit anderen Worten kann im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass eine dritte Teilmenge der Einsatzluftmenge zunächst zusammen mit dem ersten Anteil der Einsatzluftmenge in dem Booster, der unter Verwendung des zweiten Anteils der Einsatzluftmenge angetrieben wird, weiter auf das vierte Druckniveau verdichtet und anschließend getrennt von dem ersten Anteil der Einsatzluftmenge ohne Verdichtung auf das fünfte Druckniveau abgekühlt, auf das erste Druckniveau entspannt und zumindest teilweise verflüssigt in die Hochdrucksäule eingespeist wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann bei Verwendung eines kalten Boosters auch ein warmer Booster mit einem Turbinenstrom eingesetzt werden. Dieser kann, wie bereits erläutert, den ersten Anteil der Einsatzluftmenge zunächst verdichten, bevor dieser in dem kalten Booster weiter verdichtet wird, durch einen entsprechenden warmen Booster kann jedoch auch eine unabhängige Verdichtung von Einsatzluft erfolgen. Dem warmen Booster, oder allgemeiner einem weiteren Booster, wird ein weiterer Anteil der Einsatzluftmenge zugeführt und dort auf ein höheres Druckniveau verdichtet. Zu den Eintrittstemperaturen eines warmen Boosters sei auf die obigen Ausführungen verwiesen. Der in dem weiteren Booster verdichtete weitere Anteil der Einsatzluftmenge wird anschließend in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt.
Insbesondere kann dabei eine erste Teilmenge des weiteren Anteils der
Einsatzluftmenge nach der weiteren Verdichtung in dem weiteren Booster verflüssigt und in das Destillationssäulensystem entspannt werden. Die Entspannung kann mittels entsprechender Entspannungseinrichtungen wie kalten Turbinen und
Entspannungsventile erfolgen. Insbesondere kann die Abkühlung und Verflüssigung der ersten Teilmenge des weiteren Anteils der Einsatzluftmenge in einemHauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage erfolgen.
Insbesondere kann eine zweite Teilmenge des weiteren Anteils der Einsatzluftmenge nach einer weiteren Verdichtung in dem weiteren Booster in dem Hauptwärmetauscher teilabgekühlt und in einer Entspannungsturbine, die mit dem weiteren Booster mechanisch gekoppelt ist, entspannt und anschließend in das
Destillationssäulensystem eingespeist werden. Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte, zu deren Merkmalen auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch verwiesen wird.
Zu Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Luftzerlegungsanlage sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich des
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ausdrücklich verwiesen.
Entsprechendes gilt auch für eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, wie es zuvor ausführlich erläutert wurde, und hierzu entsprechende Mittel aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
Figur 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
Figur 3 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Teildarstellung. Figur 4 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Teildarstellung. Figur 5 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Teildarstellung.
Figur 6 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Teildarstellung.
In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in stark vereinfachter, schematischer Darstellung gezeigt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Für eine ausführlichere Erläuterung in der Figur 1 nicht gezeigter
Anlagenteile wird beispielsweise auf Fachliteratur wie Häring (s.o.) verwiesen.
In der Luftzerlegungsanlage 100 wird über ein Filter 101 ein Einsatzluftstrom a mittels eines Hauptluftverdichters 1 , der insbesondere mehrstufig ausgebildet sein kann, und dem ein oder mehrere hier nicht gesondert bezeichnete Nachkühler nachgeschaltet sind, angesaugt und auf ein Druckniveau verdichtet, das hier als "drittes" Druckniveau bezeichnet wird.
Das in der Luftzerlegungsanlage 100 durchgeführte Luftzerlegungsverfahren ist ein oben erläutertes HAP-Verfahren, so dass das dritte Druckniveau zumindest 3 bar oberhalb eines Druckniveaus liegt, auf dem eine Hochdrucksäule 11 eines
Rektifikationssäulensystems 10 betrieben wird, und das hier als "erstes" Druckniveau bezeichnet wird.
Die gesamte, dem Rektifikationssäulensystem 10 zugeführte Luftmenge, die auf das dritte Druckniveau verdichtet wird, wird hier als "Einsatzluftmenge" bezeichnet. Diese Einsatzluftmenge wird zunächst einer oder mehreren Aufbereitungseinrichtungen 2 zugeführt und dort insbesondere gekühlt und von Wasser und Kohlendioxid befreit. Anschließend wird der nun mit b bezeichnete Einsatzluftstrom im dargestellten Beispiel stromauf und in einem Hauptwärmetauscher 3 der Luftzerlegungsanlage 100 in insgesamt vier Teilströme c, d, e und f aufgeteilt, wobei der Teilstrom f nach einer unten beschriebenen Behandlung weiter in Teilströme g und h aufgeteilt wird.
Die Teilströme c und d werden vorzugsweise gemeinsam einem Hauptwärmetauscher 3 der Luftzerlegungsanlage 100 zugeführt, diesem jedoch auf vorzugsweise unterschiedlichen Zwischentemperaturniveaus entnommen. Anschließend wird der erste Teilstrom c einer weiteren Verdichtung in einem kalten Booster 4 zugeführt, der mit einer Entspannungsturbine 5 gekoppelt ist. Diese weitere Verdichtung erfolgt auf ein Druckniveau, das hier als "viertes" Druckniveau bezeichnet wird. In der
Entspannungsturbine 5 wird der Teilstrom d entspannt. Er wird im dargestellten Beispiel anschließend in die Hochdrucksäule 1 1 eingespeist.
Der Teilstrom c wird auf dem vierten Druckniveau erneut dem Hauptwärmetauscher 3 geführt und dort erwärmt und anschließend einem Nachverdichter 6, der ebenfalls mehrstufig ausgebildet sein kann, und dem ein oder mehrere, hier nicht gesondert bezeichnete Nachkühler zugeordnet sein können, weiter verdichtet, und zwar auf ein Druckniveau, das hier auch als "fünftes" Druckniveau bezeichnet wird.
Der Teilstrom c wird in dem Hauptwärmetauscher 3 abgekühlt. Nach einer
Entspannung auf das erste Druckniveau, beispielsweise über ein Entspannungsventil 102 oder alternativ oder zusätzlich einer Flüssigturbine (engl. Dense Liquid Expander bzw. Joule-Thomson Expander), wird der Teilstrom c in das
Rektifikationssäulensystem 10 bzw. dessen Hochdrucksäule 1 1 eingespeist. Der Teilstrom c kann hierbei auch beispielsweise in Teilströme aufgeteilt werden, die unterschiedlich behandelt werden können. Mit anderen Worten wird die gesamte, dem Rektifikationssystem 10 zur Gewinnung des oder der Luftprodukte zugeführte Luft zunächst als Einsatzluftmenge in einem Hauptluftverdichter 1 auf das dritte Druckniveau verdichtet, das mindestens 3 bar oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, auf dem die Hochdrucksäule 1 1 betrieben wird. Ein erster Anteil der Einsatzluftmenge, nämlich die Luftmenge des Teilstroms c, wird im dargestellten Beispiel auf dem dritten Druckniveau in dem Hauptwärmetauscher 3 abgekühlt und in dem Booster 4, der unter Verwendung eines zweiten Anteils der Einsatzluftmenge, nämlich der Luft des Teilstroms d, angetrieben wird, weiter auf das vierte Druckniveau verdichtet. Der erste Anteil der Einsatzluftmenge, also die Luft des Teilstroms c, wird auf dem vierten Druckniveau in dem Hauptwärmetauscher 3 erwärmt und in dem
Nachverdichter, der jedoch ohne Verwendung eines Anteils der Einsatzluftmenge angetrieben wird, weiter auf das fünfte Druckniveau verdichtet. Der erste Anteil der Einsatzluftmenge, also die Luft des Teilstroms c, wird auf dem fünften Druckniveau abgekühlt, auf das erste Druckniveau entspannt und in die Hochdrucksäule 11 des Rektifikationssäulensystems 10 eingespeist.
Der Teilstrom e wird im dargestellten Beispiel als sogenannter Drosselstrom auf dem dritten Druckniveau abgekühlt, dabei zumindest teilweise verflüssigt, und über ein nicht gesondert bezeichnetes Drosselventil oder eine andere Entspannungseinrichtung in die Hochdrucksäule 11 eingespeist.
Der Teilstrom f wird im dargestellten Beispiel in einem Booster 8, der mit einer Entspannungsturbine 9 gekoppelt ist, weiter verdichtet und anschließend in die zwei Teilströme g und h aufgeteilt. Der Teilstrom g wird, wie der Teilstrom e, in dem
Wärmetauscher 3 abgekühlt und ebenfalls in das Rektifikationssäulensystem 10 eingespeist. Die Teilströme e und g werden dabei zuvor vereinigt.
Der Teilstrom h wird in dem Wärmetauscher 3 auf ein Zwischentemperaturniveau abgekühlt, in der Entspannungsturbine 9 entspannt und schließlich ebenfalls in das Rektifikationssäulensystem 10 eingespeist.
Die Luftzerlegungsanlage 100 ist zur Innenverdichtung eingerichtet. Im dargestellten Beispiel wird hierzu der Hochdrucksäule 1 1 stickstoffreiches Kopfgas entnommen, in einem nicht gesondert bezeichneten Hauptkondensator, der die Hochdrucksäule 1 1 und eine Niederdrucksäule 12 wärmetauschend verbindet, verflüssigt, und in Form eines Stoffstroms y flüssig einer Innenverdichtungspumpe 104 zugeführt. Nachdem der Stoffstrom y in der Innenverdichtungspumpe 104 auf ein höheres, beispielsweise auf ein überkritisches, Druckniveau gebracht wurde, wird er in dem Hauptwärmetauscher 3 verdampft bzw. vom flüssigen in den überkritischen Zustand überführt. Ein entsprechendes stickstoffreiches Luftprodukt (IC GAN) kann an der Anlagengrenze abgegeben werden.
Weiteres stickstoffreiches Kopfgas kann der Hochdrucksäule 1 1 entnommen und ohne vorherige Verflüssigung durch den Hauptwärmetauscher geführt werden. Dieses kann stromab des Hauptwärmetauschers 3 entspannt und als Dichtgas (Sealgas) verwendet werden. Ein Teil davon kann auch stromab des Hauptwärmetauschers 3,
beispielsweise ohne eine entsprechende Entspannung, abgezweigt und als gasförmiges Stickstoffprodukt (PGAN) bereitgestellt werden. Dies gilt auch für die in den nachfolgenden Figuren veranschaulichten Luftzerlegungsanlagen.
Ein flüssiges, sauerstoffreiches Luftprodukt kann aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 12 in Form eines Stoffstroms z abgezogen, in einer Innenverdichtungspumpe 105 druckerhöht, in dem Hauptwärmetauscher 3 verdampft oder in den überkritischen Zustand überführt und schließlich als sauerstoffreiches Luftprodukt (GOX IC) an der Anlagengrenze abgegeben werden.
Die weiteren, in Figur 2 gezeigten, und insbesondere durch den Hauptwärmetauscher 3 geführten Stoffströme können der zitierten Fachliteratur entnommen werden.
In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung stark vereinfacht schematisch dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet.
Die Anlage 200 unterscheidet sich von der Anlage 100 insbesondere dadurch, dass dem kalten Booster 4 nicht der Teilstrom c zugeführt wird, sondern ein mit i bezeichneter Teilstrom des Teilstroms f nach dessen Verdichtung in dem warmen Booster 8. Es sei betont, dass, selbst wenn die Stoffströme in Figur 2 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind wie in Figur 1 , diese in abweichenden Mengen vorliegen können. Ein weiter vorhandener Teilstrom des Teilstroms f wird dabei wie in der Anlage 100 gemäß Figur 1 behandelt und ist daher auch hier mit g bezeichnet.
Nach seiner Verdichtung in dem kalten Booster 4 wird der Teilstrom i dem
Hauptwärmetauscher 3 zugeführt und in weitere zwei Teilströme k und I aufgeteilt, wobei der Teilstrom k entsprechend dem Teilstrom c in der Anlage 100 gemäß Figur 1 dem Nachverdichter 6 zugeführt und anschließend wie dort weiter behandelt wird und der Teilstrom I ohne eine entsprechende weitere Verdichtung, aber ansonsten entsprechend dem Teilstrom k, behandelt wird.
Anstelle des Teilstroms h in der Anlage 100 gemäß Figur 1 wird in der Anlage 200 gemäß Figur 2 ein Teilstrom m, der auf dem dritten Druckniveau vorliegt, verwendet, ansonsten aber entsprechend wie dieser behandelt.
Die mittlere Temperaturdifferenz zwischen den warmen und den kalten Strömen am warmen Ende des Hauptwärmetauschers beträgt in der Anlage 100 gemäß Figur 1 und der Anlage 200 gemäß Figur 2 vorteilhafterweise mindestens 1 K und höchstens 15 K. Das Stufendruckverhältnis des warmen Boosters 8 beträgt vorteilhafterweise 1 ,2 bis 1 ,8, insbesondere 1 ,3 bis 1 ,6, seine Austrittstemperatur ergibt sich aus dem
Druckverhältnis, der Eintrittstemperatur und dem Wirkungsgrad. Die Eintrittstemperatur in die Entspannungsturbine 9 liegt vorteilhafterweise bei -120 bis -160 °C, insbesondere bei -130 bis -150 °C. Das Stufendruckverhältnis des Nachverdichters 6 beträgt vorteilhafterweise 1 ,3 bis 1 ,8, insbesondere 1 ,5 bis 1 ,6, sein Austrittsdruck, also das fünfte Druckniveau, vorteilhafterweise 40 bis 100 bar, insbesondere 50 bis 70 bar, beispielweise 58 bar. Der kalte Booster 4 wird vorteilhafterweise mit einem
Stufendruckverhältnis von 1 ,2 bis 2,0, insbesondere von 1 ,7 bis 1 ,9, betrieben. Seine Eintrittstemperatur liegt vorteilhafterweise bei -1 10 bis -150°C, insbesondere bei -120 bis -140 °C. Seine Austrittstemperatur ergibt sich aus dem Druckverhältnis, der Eintrittstemperatur und dem Wirkungsgrad.
Wird anstelle des dargestellten Drosselventils 102 eine Flüssigturbine eingesetzt, wie auch in den nachfolgenden Figuren erläutert, kann diese insbesondere mit einem
Generator oder einer Ölbremse gekoppelt sein. Ihr Austrittsdruck entspricht dem ersten Druckniveau bzw. liegt 0,5 bis 3 bar darüber.
In den nachfolgenden Figuren 3 bis 6 sind weitere Varianten erfindungsgemäßer Luftzerlegungsanlagen jeweils in Form stark vereinfachter schematischer
Teildarstellungen veranschaulicht, wobei die Bezugszeichen der Figuren 1 und 2 bzw. der Anlagen 100 und 200 auch hier verwendet werden. Der Übersichtlichkeit halber wurde auf eine Darstellung einiger, durch den Hauptwärmetauscher 3 geführter Stoffströme verzichtet. Hierzu, ebenso wie auf weitere Komponenten entsprechender Anlagen, sei auf die Figuren 1 und 2 verwiesen. Es sind jeweils Flüssigturbinen 7 veranschaulicht, die an die Stelle der Drosselventile 102 treten können.
Gemäß den in den Figuren 3 bis 6 veranschaulichten Ausführungsformen wird abweichend zu den Anlagen 100 und 200 gemäß Figur 1 und 2 ein Teilstrom, hier mit n bezeichnet, ohne vorige Abkühlung dem warmen Booster 9 zugeführt. Der Teilstrom n wird gemäß der in Figur 3 veranschaulichten Ausführungsform in zwei Teilströme, hier mit o und p bezeichnet, aufgeteilt, die grundsätzlich wie die Teilströme g und h in der Anlage 100 gemäß Figur 1 behandelt werden können. In der in Figur 4
veranschaulichten Ausführungsform wird der Teilstrom n nach seiner Verdichtung in dem warmen Booster 8 vollständig in dem Hauptwärmetauscher 3 abgekühlt und in das hier nicht gezeigte Destillationssäulensystem entspannt. In der in Figur 5 veranschaulichten Ausführungsform wird der Teilstrom n nach seiner Verdichtung in dem warmen Booster 8 zwar wie gemäß der in Figur 3 veranschaulichten
Ausführungsform in zwei Teilströme, hier mit q und r bezeichnet, aufgeteilt, jedoch wird nun der Teilstrom q in dem Nachverdichter verdichtet und anschließend beispielsweise wie der Teilstrom c in der Anlage 100 gemäß Figur 1 behandelt. Der Teilstrom r kann beispielsweise wie der Teilstrom o der in Figur 3 veranschaulichten Ausführungsform behandelt werden. In der in Figur 5 veranschaulichten Ausführungsform ist kein kalter Booster vorhanden. In der in Figur 6 veranschaulichten Ausführungsform wird der Teilstrom n nach seiner Verdichtung in dem warmen Booster 8 im
Hauptwärmetauscher 3 auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und dem kalten Booster 4 zugeführt. Die anschließende Behandlung erfolgt insbesondere wie zu der Anlage 200 gemäß Figur 2 bezüglich des Teilstroms i erläutert.
Gemäß den in Figur 3 veranschaulichten Ausführungsform wird die
Entspannungsturbine 9 mit dem bereits erwähnten Teilstrom p gespeist.
Gemäß der in Figur 4 veranschaulichten Ausführungsform tritt an dessen Stelle ein Teilstrom des Stoffstroms c, der dem Teilstrom m in der Anlage 200 gemäß Figur 2 entspricht. Die Speisung des kalten Boosters 4 und der Entspannungsturbine 5 erfolgt in den in den Figuren 3 und 4 veranschaulichten Ausführungsformen mittels
Teilströmen s und t des Stoffstroms c auf dem dritten Druckniveau in der dargestellten Weise. Die weitere Behandlung der dort verdichteten bzw. entspannten Stoffströme r und s erfolgt grundsätzlich wie in der Anlage 200 gemäß Figur 2. Gemäß der in Figur 6 veranschaulichten Ausführungsform tritt an die Stelle des Stoffstroms t der bereits erwähnte Stoffstrom n. Die Entspannung des Stoffstroms s erfolgt hier insbesondere auf das Druckniveau der Niederdrucksäule 12.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100, 200) mit einem Rektifikationssäulensystem (10), das eine Hochdrucksäule (1 1 ), die auf einem ersten Druckniveau betrieben wird, und eine Niederdrucksäule (12), die auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben wird, aufweist, wobei
- das Luftprodukt oder zumindest eines der mehreren Luftprodukte unter
Einsatz einer Innenverdichtung bereitgestellt wird,
- die gesamte, dem Rektifikationssäulensystem (10) zur Gewinnung des oder der Luftprodukte zugeführte Luft zunächst als Einsatzluftmenge in einem Hauptluftverdichter (1 ) auf ein drittes Druckniveau verdichtet wird, das mindestens 3 bar oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, und
- die Einsatzluftmenge in mehrere Anteile, darunter einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil, aufgeteilt wird, und nach dieser Aufteilung
- der erste Anteil der Einsatzluftmenge auf zumindest dem dritten Druckniveau einem Booster (4, 8), der unter Verwendung des zweiten Anteils der
Einsatzluftmenge angetrieben wird, zugeführt, und in diesem auf ein viertes Druckniveau verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Anteil der Einsatzluftmenge auf dem vierten Druckniveau einem Nachverdichter (6), der ohne Verwendung eines mittels der
Luftzerlegungsanlage bereitgestellten Fluidstroms angetrieben wird, zugeführt und in diesem auf ein fünftes Druckniveau verdichtet wird, und
- der erste Anteil der Einsatzluftmenge auf dem fünften Druckniveau abgekühlt, auf das erste Druckniveau entspannt und zumindest teilweise verflüssigt in die Hochdrucksäule (1 1 ) eingespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der erste Anteil der Einsatzluftmenge auf zumindest dem dritten Druckniveau auf ein Temperaturniveau von -50
bis -150 °C, insbesondere von -120 bis -150 °C, abgekühlt und auf diesem dem Booster (4) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der erste Anteil der Einsatzluftmenge, bevor er auf das das Temperaturniveau abgekühlt wird, in einem weiteren Booster (8), der unter Verwendung eines weiteren Anteils der Einsatzluftmenge angetrieben wird, auf ein weiteres Druckniveau oberhalb des dritten und unterhalb des vierten Druckniveaus verdichtet wird, wobei der erste Anteil dem weiteren Booster (8) auf einem Temperaturniveau von 0 bis 40 °C zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der erste Anteil der Einsatzluftmenge, nach der Verdichtung auf das vierte und vor der Verdichtung auf das fünfte Druckniveau auf ein Temperaturniveau von 0 bis 40 °C erwärmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der erste Anteil der Einsatzluftmenge auf dem dritten Druckniveau auf ein Temperaturniveau von -40 bis 20 °C,
insbesondere von 0 bis 10°C, abgekühlt und auf diesem dem Booster (8) zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das fünfte
Druckniveau bei 40 bis 100 bar, insbesondere 50 bis 70 bar, beispielweise 58 bar, liegt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der auf das fünfte Druckniveau verdichtete und abgekühlte erste Anteil der Einsatzluftmenge zumindest zum Teil mittels einer Flüssigturbine auf das erste Druckniveau entspannt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein
Nachverdichter (6) mit einer oder mehreren Verdichterstufen und ein
Hauptluftverdichter (1 ) mit mehreren Verdichterstufen verwendet wird, wobei die eine Verdichterstufe oder zumindest eine der mehreren Verdichterstufen des Nachverdichters (6) mechanisch mit zumindest einer der Verdichterstufen des Hauptluftverdichters (1 ) gekoppelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine dritte Teilmenge der Einsatzluftmenge zunächst zusammen mit dem ersten Anteil der
Einsatzluftmenge in dem Booster (4, 8), der unter Verwendung des zweiten Anteils der Einsatzluftmenge angetrieben wird, auf das vierte Druckniveau verdichtet wird, und anschließend getrennt von dem ersten Anteil der Einsatzluftmenge ohne Verdichtung auf das fünfte Druckniveau abgekühlt, auf das erste Druckniveau entspannt und zumindest teilweise verflüssigt in die Hochdrucksäule (1 1 ) eingespeist wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein weiterer Anteil der Einsatzluftmenge in einem weiteren Booster (8) weiter verdichtet und anschließend abgekühlt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine erste Teilmenge des weiteren Anteils der Einsatzluftmenge nach der weiteren Verdichtung in dem weiteren Booster (8) in einem Hauptwärmetauscher (3) der Luftzerlegungsanlage (100, 200) abgekühlt und in das Destillationssäulensystem (10) entspannt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , bei dem eine zweite Teilmenge des weiteren Anteils der Einsatzluftmenge nach der weiteren Verdichtung in den weiteren Booster (8) in dem Hauptwärmetauscher (3) teilabgekühlt und in einer Entspannungsturbine (9), die mit dem weiteren Booster (8) mechanisch gekoppelt ist, zumindest teilweise entspannt und in das Destillationssäulensystem (10) eingespeist wird.
13. Luftzerlegungsanlage (100, 200) zur Gewinnung eines oder mehrerer
Luftprodukte, mit einem Rektifikationssäulensystem (10), das eine
Hochdrucksäule (1 1 ), die für einen Betrieb auf einem ersten Druckniveau eingerichtet ist, und eine Niederdrucksäule (12), die für einen Betrieb auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus eingerichtet ist, aufweist, wobei die Luftzerlegungsanlage (100) dafür eingerichtet ist, - das oder zumindest eines der Luftprodukte unter Einsatz einer
Innenverdichtung bereitzustellen,
- die gesamte, dem Rektifikationssäulensystem (10) zur Gewinnung des oder der Luftprodukte zugeführte Luft zunächst als Einsatzluftmenge in einem Hauptluftverdichter (1 ) auf ein drittes Druckniveau zu verdichten, das mindestens 3 bar oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, und
- die Einsatzluftmenge in mehrere Anteile, darunter einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil, aufzuteilen, und nach dieser Aufteilung
- den ersten Anteil der Einsatzluftmenge zumindest auf dem dritten
Druckniveau einem Booster (4, 8), der unter Verwendung des zweiten Anteils der Einsatzluftmenge angetrieben wird, zuzuführen, und in diesem auf ein viertes Druckniveau zu verdichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzerlegungsanlage (100) Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind,
- den ersten Anteil der Einsatzluftmenge auf dem vierten Druckniveau einem Nachverdichter (6), der ohne Verwendung eines mittels der
Luftzerlegungsanlage bereitgestellten Fluidstroms angetrieben wird, zuzuführen und in diesem auf ein fünftes Druckniveau zu verdichten, und
- den ersten Anteil der Einsatzluftmenge auf dem fünften Druckniveau
abzukühlen, auf das erste Druckniveau zu entspannen und zumindest teilweise verflüssigt in die Hochdrucksäule (11 ) einzuspeisen.
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