WO2020083525A1 - Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

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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
    • F25J2240/04—Multiple expansion turbines in parallel
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop

Definitions

  • the invention relates to a method and a plant for the low-temperature separation of air according to the respective preambles of the independent claims.
  • Air separation plants have rectification column systems, which as
  • Rectification columns for obtaining further air components in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon, can be provided.
  • Known double-column systems have a so-called high-pressure column (also referred to as a pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (also referred to as the upper column).
  • high-pressure column also referred to as a pressure column, medium-pressure column or lower column
  • low-pressure column also referred to as the upper column
  • High-pressure column is typically operated at a pressure level of 4 to 7 bar, in particular approximately 5.3 bar.
  • the low pressure column is on a
  • Pressure level typically 1 to 2 bar, in particular approximately 1, 4 bar, operated. In certain cases, higher pressure levels can occur in both rectification columns be used.
  • the pressures specified here and below are absolute pressures at the top of the rectification columns indicated in each case.
  • US 6 279 345 B1 discloses a cryogenic air separation system used for
  • Production of ultra high purity nitrogen or ultra high purity oxygen can be used, wherein a boiler liquid is compressed in two steps using a split boiler top condenser and steam from the first step and then returned to the cryogenic rectification column.
  • a method disclosed in EP 1 995 537 A2 involves cooling used air in a main heat exchanger and directing it into a single column for nitrogen generation.
  • the pure oxygen product flows in the main heat exchanger are heated and evaporated against exhaust air and are finally used as a gaseous product.
  • the nitrogen product streams are withdrawn from the top of the single column.
  • Pure oxygen column can be combined. High purity oxygen can also be provided in this way.
  • the object of the present invention is to improve a corresponding SPECTRA method in which a pure oxygen column is used.
  • a "heat exchanger” for use in the context of the present invention can be designed in a manner customary in the art. It is used for the indirect transfer of heat between at least two e.g. Fluid flows guided in countercurrent to one another, for example a warm compressed air flow and one or more cold ones
  • Fluid flows or a cryogenic liquid air product and one or more warm or warmer, but possibly also cryogenic fluid flows.
  • Heat exchanger can be formed from a single or several heat exchanger sections connected in parallel and / or in series, e.g. from one or more plate heat exchanger blocks. For example, it is a
  • Such a heat exchanger has "passages" which are separated from one another by fluid channels
  • Heat exchange surfaces are formed and in parallel and separated by other passages to "passageway groups". Characteristic of a
  • the heat exchanger is that heat is exchanged between two mobile media at a time, namely at least one fluid stream to be cooled and at least one fluid stream to be heated.
  • a "condenser evaporator” is a heat exchanger in which a first, condensing fluid stream enters into indirect heat exchange with a second, evaporating fluid stream.
  • Each condenser evaporator has one
  • Evaporation rooms have liquefaction or evaporation passages.
  • the condensation (liquefaction) of the first fluid flow is carried out in the liquefaction space, and the evaporation of the second fluid flow is carried out in the evaporation space.
  • the evaporation and liquefaction space are formed by groups of passages that are in heat exchange relationship with each other.
  • turbo expanders are typically understood to be known turbo expanders. These expansion machines can in particular also be coupled to compressors. These compressors can in particular be turbocompressors.
  • turbocompressors A corresponding combination of turboexpander and turbocompressor is typically also referred to as a "turbine booster".
  • turbine booster the turboexpander and the turbocompressor are mechanically coupled, the coupling being able to take place at the same speed (for example via a common shaft) or at different speeds (for example via a suitable translating gear).
  • Liquids and gases can, in the language used here, be rich or poor in one or more components, “rich” for a content of at least 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99, 9% or 99.99% and “poor” for a maximum of 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis .
  • the term “predominantly” can correspond to the definition of "rich”.
  • Liquids and gases can also be enriched or depleted in one or more components, these terms refer to a content in a starting liquid or gas from which the liquid or gas was obtained.
  • the liquid or gas is "enriched” if this or this content is at least 1.1 times, 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times 100 times or 1,000 times the content, and " depleted "if it contains at most 0.9 times, 0.5 times, 0.1 times, 0.01 times or 0.001 times the content of a corresponding component, based on the starting liquid or gas. If, for example, “oxygen” or “nitrogen” is used here, this should also be understood to mean a liquid or a gas which is rich in oxygen or nitrogen but does not necessarily have to consist exclusively of it.
  • the present invention is based in particular on the finding that, in a SPECTRA process mentioned at the outset, in which a pure oxygen column is used, it is particularly advantageous to use a feed stream which is fed in liquid into the pure oxygen column before it is fed into the
  • the SPECTRA process cools compressed and pre-cleaned air to a temperature suitable for rectification, which is normally at or near its dew point. This can partially liquefy it.
  • the air is then fed into a rectification column and rectified there at a certain pressure level, which is referred to here as the "first" pressure level, to obtain a top product enriched with nitrogen in atmospheric air and a liquid bottom product with oxygen enriched in atmospheric air.
  • This rectification column is subsequently called the "first"
  • a pure oxygen column is another rectification column, which is referred to here as the "second" rectification column, and which is operated at a lower pressure level than the first rectification column. This pressure level is referred to here as the "second" pressure level.
  • the present invention proposes a method for
  • Rectification column namely the pure oxygen column, is used.
  • Air separation plant also has a heat exchanger, a
  • Relaxation machine a compressor coupled to the relaxation machine and a condenser evaporator located in a lower portion of the second
  • Rectification column is arranged on.
  • the first rectification column is operated at a first pressure level and the second rectification column is operated at a second pressure level below the first pressure level.
  • Pressure level can be in particular 7 to 12 bar (abs.) And the second pressure level in particular 1, 2 to 5 bar (abs.).
  • a gaseous top product enriched with nitrogen in relation to atmospheric air and a liquid bottom product enriched in oxygen with respect to atmospheric air are formed in the first rectification column.
  • the top product can in particular have 0.1 ppb to 50 ppm oxygen, the bottom product in particular 30 to 60 mole percent oxygen.
  • the rest is made up of one or more other air components, including rare gases.
  • Fluid in particular cryogenic liquid which is oxygen-enriched with respect to atmospheric air, is taken from the first rectification column in the form of one or more material flows and at least partly heated in a heat exchanger which is used to cool down at least part of the top gas from the first
  • the heat exchanger can be a forced flow condenser evaporator. In principle, however, the heat exchanger can also be designed as a bath evaporator.
  • the fluid can be passed through the heat exchanger in the form of only a first material flow or in the form of several separate first material flows.
  • a material stream can first be removed from the rectification column and then divided, or two separate material streams can already be removed separately from the rectification column.
  • the fluid can in particular
  • bottom product of the first rectification column in the form of a first stream or in the form of one of the first plurality of streams.
  • a fluid that has an oxygen content that is between the oxygen content of the Bottom product and the top product of the first rectification column can be used as the first stream or one of the first streams.
  • the fluid that is removed from the rectification column in the form of the one or more first material streams and heated in the heat exchanger that is used to cool overhead gas of the first rectification column is at least in a first proportion in one or more expansion machines (the one used below Formulation according to which "one" expansion machine is used implies that several such expansion machines can also be used) relaxed and in particular designed as a so-called residual gas mixture from the air separation plant.
  • one expansion machine the one used below Formulation according to which "one" expansion machine is used implies that several such expansion machines can also be used
  • two relaxation machines arranged in parallel are used.
  • the fluid that is removed from the rectification column in the form of the one or more first material flows and heated in the heat exchanger is compressed in one or more compressors, which is coupled to one or at least one of the several expansion machines or are, and then fed back into the first rectification column.
  • a compressor is used which is coupled to one of two expansion machines used.
  • the second relaxation machine if any, can be braked in particular mechanically and / or as a generator.
  • the parts mentioned can be two partial streams of a material stream withdrawn from the rectification column or can already be in the form of separate material streams act liquid discharged from the rectification column.
  • further fluid which contains nitrogen and oxygen, is taken from the first rectification column in the form of a second stream, in particular liquid, and fed into the second rectification column.
  • Oxygen-rich fluid is formed in the bottom of the second rectification column and at least partially in the form of a third Material stream removed from the second rectification column, and further fluid is formed at the top of the second rectification column and at least partially removed in the form of a fourth material stream from the second rectification column.
  • the fluid which is withdrawn in liquid form from the second rectification column in the form of the second stream and fed into the second rectification column, can in particular have an oxygen content of 10 to 30 mol percent. Otherwise, it has nitrogen and argon in particular. That in the swamp of the second
  • Oxygen-rich fluid formed in the rectification column which is at least partially removed in the form of the third stream from the second rectification column, can in particular have an oxygen content of more than 97 mol percent, in particular more than 99 mol percent.
  • the further fluid formed at the top of the second rectification column, which is at least partially withdrawn from the second rectification column in the form of the fourth stream, can have an oxygen content of 1 to 30 mol percent. Otherwise, it contains nitrogen and argon in particular.
  • the second stream of material is subcooled in a subcooler in countercurrent to the fourth stream of material before it is fed into the second rectification column.
  • the second rectification column is operated with the condenser evaporator mentioned, which is arranged in a lower region of the second rectification column. This serves as a bottom heater to maintain the rectification in the second rectification column.
  • the second material flow is cooled in this condenser evaporator before it is subcooled in the subcooler in counterflow to the fourth material flow.
  • two first streams in the form of a liquid stream with a first oxygen content and a liquid stream with a second, different oxygen content can be obtained from the first rectification column Material flows) are deducted, the first oxygen content being in particular above the second oxygen content.
  • the first material stream with the first oxygen content can in particular be used using at least a portion of the liquid bottom product of the first Rectification column are formed.
  • the further first material stream with the second oxygen content can come from the first rectification column from an intermediate plate or from a corresponding liquid retention device of the first
  • Rectification column are withdrawn. Its oxygen content can be in particular 25 to 45 mole percent.
  • the first material stream with the first oxygen content can in particular represent the previously explained first portion of the oxygen-enriched liquid, which is taken from the first rectification column in the form of the one or more first material streams and heated in the heat exchanger, which is in one or in the relaxed several relaxation machines and executed as a residual gas mixture from the air separation plant.
  • the further first material flow with the second oxygen content can in particular the previously explained second portion of the oxygen-enriched liquid, that of the first
  • Rectification column in the form of the one or more first material streams removed and heated in the heat exchanger represent which is compressed in the one or more compressors, which is or are coupled to the expansion machine (s), and which is then in the first rectification column is fed back.
  • Rectification column and prior to subcooling in the subcooler according to the invention in the condenser evaporator can be even smaller
  • the second stream of material can be fed to the subcooler at a temperature level of 97 to 105 K.
  • a temperature difference between the fourth material flow and the second material flow before it is fed into the subcooler can be 1 to 5 K.
  • Compressed and cooled air which is subsequently fed to the first rectification column, can also be cooled in the condenser evaporator in order to also to provide this air at a sufficiently low temperature level and to reduce evaporation losses.
  • the second material flow can be removed from the subcooler in particular at a temperature level of 80 to 95 K and then in particular into the second at this temperature level
  • Rectification column are fed.
  • the temperature level of the withdrawal strongly depends on the pressure in the second rectification column and the temperature of the fourth stream.
  • the second material flow can the subcooler in the context of
  • present invention still fed to the first pressure level and relaxed after cooling in the subcooler to the second pressure level.
  • the present invention further relates to an air separation plant with a first rectification column and a second rectification column and others
  • Air separation plant according to the invention and preferred configurations thereof reference is made to the above explanations regarding the method according to the invention and its preferred configurations. A corresponding
  • Air separation plant is in particular set up to carry out a method according to one of these configurations.
  • Figure 1 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in a simplified, schematic representation.
  • FIG. 2 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in a simplified, schematic representation. Detailed description of the drawings
  • FIG. 1 An air separation plant according to an embodiment of the invention is illustrated in FIG. 1 in the form of a schematic process flow diagram and is designated overall by 100.
  • feed air A is passed through a filter 1 by means of a
  • Main air compressor 2 is sucked in. After pre-cooling in heat exchangers not specifically designated and a direct contact cooler operated with water W, the correspondingly compressed air is fed to an adsorber station 3 and freed from undesired components such as water and carbon dioxide. The air is then fed in the form of a feed air stream a to a main heat exchanger 4 of the air separation plant 100 and is removed in a cooled manner.
  • the feed air stream is then divided into two sub-streams b and c, the sub-stream b directly into a first one
  • Rectification column 1 1 is fed.
  • the second partial stream c is passed through a condenser evaporator 5 of a second rectification column 12 and then likewise fed into the first rectification column 11.
  • the partial stream b is fed in clearly above the feed position of the partial stream c which is at least partially liquefied in the condenser evaporator 5. The latter is particularly close to the swamp, i.e. fed in a region of the first rectification column 11 without internals.
  • the first rectification column 11 is taken from two streams d and e, each comprising fluid which is enriched in oxygen compared to atmospheric air.
  • the stream d is first further cooled in the main heat exchanger 4 and then passed through a heat exchanger 6 which, as explained below, is used to cool overhead gas from the first rectification column 11.
  • the stream e is first treated in a manner comparable to the stream d. In the example shown, the stream e from the bottom of the first rectification column 1 1, the stream d from one position, however, several theoretical or practical trays above the bottom of the first
  • Rectification column 1 1 removed.
  • the material flows d and e are passed separately through the heat exchanger 6.
  • the material stream e is then partially heated in the main heat exchanger 4 and expanded in the form of two partial streams in expansion machines 7 and 8. These partial flows are then combined with one another and with further material flows, heated in the main heat exchanger 4 and carried out from the air separation plant in the form of a collecting flow f.
  • the material flow d is, if necessary after branching off and blowing off a partial flow to the atmosphere U, in a compressor 8a which is equipped with one of those shown here
  • Expansion machine 9 is coupled, compressed, then cooled and, comparable to stream c, returned to the first rectification column.
  • a bypass can also take place here.
  • the compressor 8 is coupled to the expansion machine 9 and also has an oil brake (not specifically designated here).
  • Relaxation machine 7 is coupled to a generator G.
  • the overhead gas from the top of the first rectification column 1 1 is in the form of a
  • Partial stream g passed through the heat exchanger 2 and at least partially liquefied there.
  • This partially liquefied overhead gas can partly in the form of a
  • Return flow is returned to the first rectification column 1 1 and further subcooled against itself and are carried out as liquid nitrogen product B.
  • a portion used for cooling can be combined with the material flow e already mentioned.
  • the partially liquefied overhead gas can also be partially discharged in the form of a flushing quantity C.
  • Additional head gas can be in Form of a material flow h is liquefied in the main heat exchanger 1 and executed as a sealing gas S or pressurized nitrogen P.
  • a material stream i is carried out from the first rectification column 11, which is likewise at least partially liquefied in the condenser evaporator 5 of the second rectification column 12 and is fed as reflux to the second rectification column 12.
  • a subcooling takes place beforehand in a subcooler 10 against top gas from the second rectification column 12, which is drawn off from the second rectification column 12 in the form of a stream k, heated and combined with the stream e after its expansion.
  • An oxygen-rich stream I can be drawn off from the bottom of the second rectification column 12, which compresses by means of an internal compression pump 7 (not specifically designated) or by means of a pressure build-up tank and then heated in the main heat exchanger 1 and as an internal compression
  • Oxygen pressure product D can be provided.
  • a part can also be provided as a liquid oxygen product E.
  • Liquid nitrogen F can be fed into the air separation plant 100 in the form of a material flow m.
  • FIG. 2 illustrates a system in accordance with a further embodiment of the present invention in the form of a schematic system diagram and is designated overall by 200.
  • the stream i is not passed through the condenser evaporator 5 in the second rectification column 12 but is fed directly to the subcooler 10.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem eine Luftzerlegungsanlage (100, 200) mit einem Wärmetauscher (6), einer Entspannungsmaschine (8), einem mit der Entspannungsmaschine (8) gekoppelten Verdichter (9), einer ersten Rektifikationskolonne (11), einer zweiten Rektifikationskolonne (12) und einem Kondensatorverdampfer (5), der in einem unteren Bereich der zweiten Rektifikationskolonne (12) angeordnet ist, verwendet wird, vorgeschlagen. Die erste Rektifikationskolonne (11) wird auf einem ersten Druckniveau und die zweite Rektifikationskolonne (12) auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben. Aus der ersten Rektifikationskolonne (11) wird Fluid, das gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereichert ist, in Form eines oder mehrerer erster Stoffströme entnommen. Dieses Fluid wird teilweise oder vollständig in einem Wärmetauscher (6) erwärmt und der Wärmetauscher (6) wird zur Abkühlung von Kopfgas der ersten Rektifikationskolonne (11) verwendet. Dieses Fluid wird dann zu einem ersten Anteil durch eine Entspannungsmaschine (8) geführt und aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet und zu einem zweiten Anteil durch einen mit der Entspannungsmaschine (8) gekoppelten Verdichter (9) geführt und in die erste Rektifikationskolonne (11) zurückgeleitet. Ferner wird der ersten Rektifikationskolonne (11) weiteres Fluid, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, in Form eines zweiten Stoffstroms entnommen und in die zweite Rektifikationskolonne (12) eingespeist, im Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne (12) wird sauerstoffreiches Fluid gebildet und zumindest teilweise in Form eines dritten Stoffstroms aus der zweiten Rektifikationskolonne (12) entnommen, und am Kopf der zweiten Rektifikationskolonne (12) weiteres Fluid gebildet und zumindest teilweise in Form eines vierten Stoffstroms aus der zweiten Rektifikationskolonne (12) entnommen. Der zweite Stoffstrom wird vor seiner Einspeisung in die zweite Rektifikationskolonne (12) in einem Unterkühler (10) im Gegenstrom zu dem vierten Stoffstrom unterkühlt und zuvor in dem Kondensatorverdampfer (5) abgekühlt. Eine Luftzerlegungsanlage (100, 200) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anlage zur Tieftemperaturzerleauna von Luft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den jeweiligen 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 Rektifikationskolonnensysteme auf, die als
Zweikolonnensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelkolonnensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben den Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationskolonnen zur Stickstoff- Sauerstoff-Trennung, können in derartigen Rektifikationskolonnensystemen
Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden typischerweise auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Die Begriffe "Kolonne" und "Säule" sowie "Rektifikation" und "Destillation" werden häufig synonym verwendet. Dies gilt auch für entsprechende zusammengesetzte Begriffe.
Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Hochdruckkolonne (auch als Druckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (auch als obere Kolonne bezeichnet) auf. Die
Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druckniveau von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die Niederdruckkolonne wird auf einem
Druckniveau von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1 ,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Rektifikationskolonnen.
Die US 6 279 345 B1 offenbart ein kryogenes Luftzerlegungssystem, das zur
Herstellung von ultrahochreinem Stickstoff oder ultrahochreinem Sauerstoff verwendet werden kann, wobei eine Kesselflüssigkeit in zwei Schritten unter Verwendung eines geteilten Kessel-Kopfkondensators und Dampf aus dem ersten Schritt verdichtet und dann in die kryogene Rektifikationskolonne zurückgeführt wird.
Ein in der EP 1 995 537 A2 offenbartes Verfahren beinhaltet das Kühlen von verwendeter Luft in einem Hauptwärmetauscher und das Leiten derselben in eine einzelne Säule zur Stickstofferzeugung. Die reinen Sauerstoffproduktströme im Hauptwärmetauscher werden erwärmt und gegen Abluft verdampft und gelangen schließlich als gasförmiges Produkt zum Einsatz. Die Stickstoffproduktströme werden aus dem oberen Bereich der Einzelsäule abgezogen.
Je nach den geforderten Produktspektren (d.h. der absolut und relativ zueinander herzustellenden Mengen an flüssigen und gasförmigen Luftprodukten) sind ggf.
modifizierte Anlagenkonfigurationen von Luftzerlegungsanlagen besser geeignet als die erläuterten klassischen Doppelkolonnensysteme. Werden beispielsweise überwiegend gasförmiger Stickstoff auf einem Druckniveau von beispielsweise ca. 9,5 bar Absolutdruck gefordert, kann das sogenannte SPECTRA-Verfahren, wie es z.B. in der EP 2 789 958 A1 und der weiteren dort zitierten Patentliteratur beschrieben ist, vorteilhaft sein. Dieses kann insbesondere auch mit einer sogenannten
Reinsauerstoffkolonne kombiniert werden. Auf diese Weise kann auch Sauerstoff hoher Reinheit bereitgestellt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein entsprechendes SPECTRA- Verfahren, bei dem eine Reinsauerstoffkolonne verwendet wird, zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen
Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Nachfolgend werden zunächst einige bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile verwendete Begriffe sowie der zugrunde liegende technische
Hintergrund näher erläutert.
Die in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring in Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus", beschrieben. Sofern die nachfolgenden Definitionen nicht hiervon abweichen, wird daher zum Sprachgebrauch, der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, ausdrücklich auf die zitierte Fachliteratur verwiesen.
Ein "Wärmetauscher" zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in fachüblicher Art ausgebildet sein. Er dient zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei z.B. im Gegenstrom zueinander geführten Fluidströmen, beispielsweise einem warmen Druckluftstrom und einem oder mehreren kalten
Fluidströmen oder einem tiefkalten flüssigen Luftprodukt und einem oder mehreren warmen bzw. wärmeren, ggf. aber auch noch tiefkalten Fluidströmen. Ein
Wärmetauscher kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Es handelt sich beispielsweise um einen
Plattenwärmetauscher (engl. Plate Fin Heat Exchanger). Ein derartiger Wärmetauscher weist "Passagen" auf, die als voneinander getrennte Fluidkanäle mit
Wärmeaustauschflächen ausgebildet und parallel und durch andere Passagen getrennt zu "Passagengruppen" zusammengeschlossen sind. Kennzeichen eines
Wärmetauschers ist, dass in ihm zu einem Zeitpunkt Wärme zwischen zwei mobilen Medien ausgetauscht wird, nämlich wenigstens einem abzukühlenden und wenigstens einem zu erwärmenden Fluidstrom.
Als "Kondensatorverdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensatorverdampfer weist einen
Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf. Verflüssigungs- und
Verdampfungsraum weisen Verflüssigungs- bzw. Verdampfungspassagen auf. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Der Verdampfungs- und der Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
Ist hier von "Entspannungsmaschinen" die Rede, seien darunter typischerweise bekannte Turboexpander verstanden. Diese Entspannungsmaschinen können insbesondere auch mit Verdichtern gekoppelt sein. Bei diesen Verdichtern kann es sich insbesondere um Turboverdichter handeln. Eine entsprechende Kombination aus Turboexpander und Turboverdichter wird typischerweise auch als "Turbinenbooster" bezeichnet. In einem Turbinenbooster sind der T urboexpander und der T urboverdichter mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein geeignetes übersetzendes Getriebe) erfolgen kann.
Flüssigkeiten und Gase können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder an mehreren Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der Definition von "reich" entsprechen. Flüssigkeiten und Gase können ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen Gehalt in einer Ausgangsflüssigkeit oder einem Ausgangsgas beziehen, aus der oder dem die Flüssigkeit oder das Gas gewonnen wurde. Die Flüssigkeit oder das Gas ist "angereichert", wenn diese oder dieses zumindest den 1 ,1 -fachen, 1 ,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, und "abgereichert", wenn diese oder dieses höchstens den 0,9-fachen, 0,5- fachen, 0,1 -fachen, 0,01 -fachen oder 0,001 -fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf die Ausgangsflüssigkeit oder das Ausgangsgas enthält. Ist hier beispielsweise von "Sauerstoff" oder "Stickstoff" die Rede, sei hierunter auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, der reich an Sauerstoff oder Stickstoff ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss. Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beruht insbesondere auf der Erkenntnis, dass es in einem eingangs erwähnten SPECTRA-Verfahren, bei dem eine Reinsauerstoffkolonne eingesetzt wird, von besonderem Vorteil ist, einen Einsatzstrom, der flüssig in die Reinsauerstoffkolonne eingespeist wird, vor seiner Einspeisung in die
Reinsauerstoffkolonne zu unterkühlen und diese außerdem zuvor in einem
Kondensatorverdampfer, der in einem unteren Bereich der Reinsauerstoffkolonne angeordnet ist, abzukühlen. Auf diese Weise können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Verdampfungsverluste (Flash) bei der Einspeisung verringert und das Verfahren insgesamt energetisch optimiert werden.
Wie bei anderen Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft auch wird beim SPECTRA-Verfahren verdichtete und vorgereinigte Luft auf eine für die Rektifikation geeignete Temperatur abgekühlt, die normalerweise an oder nahe ihrem Taupunkt liegt. Sie kann hierdurch teilweise verflüssigt werden. Die Luft wird anschließend in eine Rektifikationskolonne eingespeist und dort auf einem bestimmten Druckniveau, das hier als "erstes" Druckniveau bezeichnet wird, unter Erhalt eines gegenüber atmosphärischer Luft an Stickstoff angereicherten Kopfprodukts und eines flüssigen, gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereicherten Sumpfprodukts rektifiziert. Diese Rektifikationskolonne wird nachfolgend als "erste"
Rektifikationskolonne bezeichnet.
Bei einer Reinsauerstoffkolonne handelt es sich um eine weitere Rektifikationskolonne, die hier als "zweite" Rektifikationskolonne bezeichnet wird, und die auf einem geringeren Druckniveau als die erste Rektifikationskolonne betrieben wird. Dieses Druckniveau wird hier als "zweites" Druckniveau bezeichnet.
Mit anderen Worten schlägt die vorliegende Erfindung also ein Verfahren zur
Tieftemperaturzerlegung von Luft vor, bei dem eine Luftzerlegungsanlage mit einer ersten Rektifikationskolonne, nämlich der in einem SPECTRA-Verfahren üblichen Rektifikationskolonne zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, und einer zweiten
Rektifikationskolonne, nämlich der Reinsauerstoffkolonne, verwendet wird. Die
Luftzerlegungsanlage weist ferner einen Wärmetauscher, eine
Entspannungsmaschine, einen mit der Entspannungsmaschine gekoppelten Verdichter und einen Kondensatorverdampfer, der in einem unteren Bereich der zweiten
Rektifikationskolonne angeordnet ist, auf.
Die erste Rektifikationskolonne wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einem ersten Druckniveau betrieben und die zweite Rektifikationskolonne wird auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben. Das erste
Druckniveau kann insbesondere bei 7 bis 12 bar (abs.) und das zweite Druckniveau insbesondere bei 1 ,2 bis 5 bar (abs.) liegen.
In der ersten Rektifikationskolonne wird, wie erwähnt, ein gasförmiges, gegenüber atmosphärischer Luft an Stickstoff angereichertes Kopfprodukt und ein flüssiges, gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereichertes Sumpfprodukt gebildet. Das Kopfprodukt kann dabei insbesondere 0,1 ppb bis 50 ppm Sauerstoff aufweisen, das Sumpfprodukt insbesondere 30 bis 60 Molprozent Sauerstoff. Den Rest bilden jeweils eine oder mehrere weitere Luftkomponenten, darunter Edelgase.
Der ersten Rektifikationskolonne wird Fluid, insbesondere tiefkalte, gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit, in Form eines oder mehrerer Stoffströme entnommen und zumindest zum Teil in einem Wärmetauscher erwärmt, der zur Abkühlung zumindest eines Teils des Kopfgases der ersten
Rektifikationskolonne verwendet. Dieser oder diese Stoffströme wird bzw. werden nachfolgend als "erster" Stoffstrom bzw. "erste" Stoffströme bezeichnet. Die
Erwärmung umfasst insbesondere eine teilweise oder vollständige Verdampfung. Wie in den Figuren dargestellt, kann es sich bei dem Wärmetauscher um einen Forced- Flow-Kondensatorverdampfer handeln. Der Wärmetauscher kann jedoch grundsätzlich auch als ein Badverdampfer ausgebildet sein.
Das Fluid kann in Form nur eines ersten Stoffstroms oder in Form mehrerer getrennter erster Stoffströme durch den Wärmetauscher geführt werden. Beispielsweise kann der Rektifikationskolonne zunächst ein Stoffstrom entnommen und anschließend aufgeteilt werden oder der Rektifikationskolonne können bereits zwei getrennte Stoffströme separat voneinander entnommen werden. Das Fluid kann insbesondere das
Sumpfprodukt der ersten Rektifikationskolonne in Form des einen ersten Stoffstroms oder in Form eines der mehreren ersten Stoffströme umfassen. Auch ein Fluid, das einen Sauerstoffgehalt aufweist, der zwischen dem Sauerstoffgehalt des Sumpfprodukts und des Kopfprodukts der ersten Rektifikationskolonne liegt, kann als der erste Stoffstrom oder einer der ersten Stoffströme verwendet wird.
Das Fluid, das der Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, der zur Kühlung von Kopfgas der ersten Rektifikationskolonne verwendet wird, wird zu einem ersten Anteil zumindest in einer oder in mehreren Entspannungsmaschinen (die nachfolgend verwendete Formulierung, wonach "eine" Entspannungsmaschine verwendet wird, impliziert, dass auch mehrere solcher Entspannungsmaschinen verwendet werden können) entspannt und insbesondere als ein sogenanntes Restgasgemisch aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt. Es werden beispielsweise zwei parallel angeordnete Entspannungsmaschinen verwendet.
Zu einem zweiten Anteil wird das Fluid, das der Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, in einem oder in mehreren Verdichtern verdichtet, der oder die mit einen oder zumindest einer der mehreren Entspannungsmaschinen gekoppelt ist oder sind, und danach in die erste Rektifikationskolonne zurückgespeist. Beispielsweise wird ein Verdichter verwendet, der mit einer von zwei verwendeten Entspannungsmaschinen gekoppelt ist. Die zweite ggf. vorhandene Entspannungsmaschine kann hingegen insbesondere mechanisch und/oder generatorisch gebremst werden. Eine
entsprechende Bremsung ist zusätzlich auch bei der Entspannungsmaschine möglich, die mit dem Verdichter gekoppelt ist, welcher den zweiten Anteil verdichtet.
Wiederum können die erwähnten Anteile (der erste und der zweite Anteil des Fluids, das der Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen wird) zwei Teilströme eines aus der Rektifikationskolonne abgezogenen Stoffstroms sein oder es kann sich um bereits in Form separater Stoffströme aus der Rektifikationskolonne ausgeleitete Flüssigkeit handeln.
Zum Betrieb der Reinsauerstoffkolonne, also der zweiten Rektifikationskolonne, wird der ersten Rektifikationskolonne weiteres Fluid, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, in Form eines zweiten Stoffstroms, insbesondere flüssig, entnommen und in die zweite Rektifikationskolonne eingespeist. Im Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne wird dabei sauerstoffreiches Fluid gebildet und zumindest teilweise in Form eines dritten Stoffstroms aus der zweiten Rektifikationskolonne entnommen, und am Kopf der zweiten Rektifikationskolonne wird weiteres Fluid gebildet und zumindest teilweise in Form eines vierten Stoffstroms aus der zweiten Rektifikationskolonne entnommen.
Das Fluid, das der zweiten Rektifikationskolonne in Form des zweiten Stoffstroms flüssig entnommen und in die zweite Rektifikationskolonne eingespeist wird, kann insbesondere einen Sauerstoffgehalt von 10 bis 30 Molprozent aufweisen. Es weist ansonsten insbesondere Stickstoff und Argon auf. Das im Sumpf der zweiten
Rektifikationskolonne gebildete sauerstoffreiche Fluid, das zumindest teilweise in Form des dritten Stoffstroms aus der zweiten Rektifikationskolonne entnommen wird, kann insbesondere einen Sauerstoffgehalt von mehr als 97 Molprozent, insbesondere mehr als 99 Molprozent, aufweisen. Das am Kopf der zweiten Rektifikationskolonne gebildete weitere Fluid, das zumindest teilweise in Form des vierten Stoffstroms aus der zweiten Rektifikationskolonne entnommen wird, kann einen Sauerstoffgehalt von 1 bis 30 Molprozent aufweisen. Es enthält ansonsten insbesondere Stickstoff und Argon.
Im Rahmen der vorliegenden ist nun, wie bereits unter Nennung der damit erzielbaren Vorteile angesprochen, vorgesehen, dass der zweite Stoffstrom vor seiner Einspeisung in die zweite Rektifikationskolonne in einem Unterkühler im Gegenstrom zu dem vierten Stoffstrom unterkühlt wird. Die zweite Rektifikationskolonne wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit dem erwähnten Kondensatorverdampfer betrieben, der in einem unteren Bereich der zweiten Rektifikationskolonne angeordnet ist. Dieser dient als Sumpfbeheizung zur Aufrechterhaltung der Rektifikation in der zweiten Rektifikationskolonne. Der zweite Stoffstrom wird erfindungsgemäß in diesem Kondensatorverdampfer abgekühlt, bevor er in dem Unterkühler im Gegenstrom zu dem vierten Stoffstrom unterkühlt wird.
In einem Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Verfahrens, das generell im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, können aus der ersten Rektifikationskolonne zwei erste Stoffströme in Form eines flüssigen Stoffstroms mit einem ersten Sauerstoffgehalt und eines flüssigen Stoffstroms mit einem zweiten, unterschiedlichen Sauerstoffgehalt (also zwei erste Stoffströme) abgezogen werden, wobei der erste Sauerstoffgehalt insbesondere oberhalb des zweiten Sauerstoffgehalts liegt. Der erste Stoffstrom mit dem ersten Sauerstoffgehalt kann insbesondere unter Verwendung zumindest eines Teils des flüssigen Sumpfprodukts der ersten Rektifikationskolonne gebildet werden. Der weitere erste Stoffstrom mit dem zweiten Sauerstoffgehalt kann aus der ersten Rektifikationskolonne von einem Zwischenboden oder aus einer entsprechenden Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung der ersten
Rektifikationskolonne abgezogen werden. Sein Sauerstoffgehalt kann insbesondere 25 bis 45 Molprozent betragen.
Der erste Stoffstrom mit dem ersten Sauerstoffgehalt kann insbesondere den zuvor erläuterten ersten Anteil der an Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit, die der ersten Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, darstellen, welcher in der einen oder in den mehreren Entspannungsmaschinen entspannt und als ein Restgasgemisch aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt wird. Der weitere erste Stoffstrom mit dem zweiten Sauerstoffgehalt kann dagegen insbesondere den zuvor erläuterten zweiten Anteil der an Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit, die der ersten
Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, darstellen, welcher in dem einen oder in den mehreren Verdichtern verdichtet wird, der oder die mit der oder den Entspannungsmaschinen gekoppelt ist oder sind, und welcher danach in die erste Rektifikationskolonne zurückgespeist wird.
Dadurch, dass der zweite Stoffstrom vor der Einspeisung in die zweite
Rektifikationskolonne und vor der Unterkühlung in dem Unterkühler erfindungsgemäß in dem Kondensatorverdampfer abgekühlt wird, können nochmals geringere
Temperaturniveaus erzielt und entsprechend die Verdampfungsverluste bei der Einspeisung in die zweite Rektifikationskolonne verringert werden.
Der zweite Stoffstrom kann in dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dem Unterkühler auf einem Temperaturniveau von 97 bis 105 K zugeführt werden.
In allen Fällen kann eine Temperaturdifferenz zwischen dem vierten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom vor der Einspeisung in den Unterkühler bei 1 bis 5 K liegen.
In dem Kondensatorverdampfer kann ferner verdichtete und abgekühlte Luft, die anschließend der ersten Rektifikationskolonne zugeführt wird, abgekühlt werden, um auch diese Luft auf einem ausreichen geringen Temperaturniveau bereitzustellen und Verdampfungsverluste zu reduzieren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der zweite Stoffstrom dem Unterkühler insbesondere auf einem Temperaturniveau von 80 bis 95 K entnommen und anschließend insbesondere auf diesem Temperaturniveau in die zweite
Rektifikationskolonne eingespeist werden. Das Temperaturniveau der Entnahme hängt stark vom Druck in der zweiten Rektifikationskolonne und der Temperatur des vierten Stoffstroms ab.
Insbesondere kann der zweite Stoffstrom dem Unterkühler im Rahmen der
vorliegenden Erfindung noch auf dem ersten Druckniveau zugeführt und nach der Abkühlung in dem Unterkühler auf das zweite Druckniveau entspannt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Luftzerlegungsanlage mit einer ersten Rektifikationskolonne und einer zweiten Rektifikationskolonne sowie weiteren
Einrichtungen, zu deren Merkmalen auf den entsprechenden unabhängigen
Patentanspruch verwiesen wird. Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen der
erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage und bevorzugter Ausgestaltungen hiervon sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltungen verwiesen. Eine entsprechende
Luftzerlegungsanlage ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer dieser Ausgestaltungen eingerichtet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die die bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung.
Figur 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In den Figuren sind einander baulich oder funktionell entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen veranschaulicht und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet.
In der Anlage 100 wird Einsatzluft A über einen Filter 1 mittels eines
Hauptluftverdichters 2 angesaugt. Nach Vorkühlung in nicht gesondert bezeichneten Wärmetauschern und einem mit Wasser W betriebenen Direktkontaktkühler wird die entsprechend verdichtete Luft einer Adsorberstation 3 zugeführt und dort von unerwünschten Komponenten wie Wasser und Kohlendioxid befreit. Die Luft wird anschließend in Form eines Einsatzluftstroms a einem Hauptwärmetauscher 4 der Luftzerlegungsanlage 100 zugeführt und diesem abgekühlt entnommen.
Der zunächst weiterhin mit a bezeichnete Einsatzluftstrom wird anschließend in zwei Teilströme b und c aufgeteilt, wobei der Teilstrom b direkt in eine erste
Rektifikationskolonne 1 1 eingespeist wird. Der zweite Teilstrom c wird hingegen durch einen Kondensatorverdampfer 5 einer zweiten Rektifikationskolonne 12 geführt und sodann ebenfalls in die erste Rektifikationskolonne 1 1 eingespeist. Die Einspeisung des Teilstroms b erfolgt dabei deutlich oberhalb der Einspeiseposition des in den Kondensatorverdampfer 5 zumindest teilweise verflüssigten Teilstroms c. Letzterer wird insbesondere sumpfnah, d.h. in einem Bereich der ersten Rektifikationskolonne 1 1 ohne Einbauten eingespeist.
In der ersten Rektifikationskolonne 1 1 , die auf einem zuvor erläuterten "ersten" Druckniveau betrieben wird, werden ein an Stickstoff angereichertes bzw. im
Wesentlichen Stickstoff aufweisendes Kopfgas und eine an Sauerstoff angereicherte Sumpfflüssigkeit gebildet. Der ersten Rektifikationskolonne 1 1 werden zwei Stoffströme d und e entnommen, die jeweils Fluid umfassen, das gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereichert ist. Der Stoffstrom d wird dabei zunächst in dem Hauptwärmetauscher 4 weiter abgekühlt und anschließend durch einen Wärmetauscher 6 geführt, welcher, wie nachfolgend erläutert, zur Abkühlung von Kopfgas der ersten Rektifikationskolonne 1 1 verwendet wird. Der Stoffstrom e wird zunächst in vergleichbarer Weise wie der Stoffstrom d behandelt. Im dargestellten Beispiel wird der Stoffstrom e aus dem Sumpf der ersten Rektifikationskolonne 1 1 , der Stoffstrom d hingegen von einer Position mehrere theoretische oder praktische Böden oberhalb des Sumpfs aus der ersten
Rektifikationskolonne 1 1 entnommen. Die Stoffströme d und e werden getrennt voneinander durch den Wärmetauscher 6 geführt.
Der Stoffstrom e wird anschließend in dem Hauptwärmetauscher 4 teilerwärmt und in Form zweier Teilströme in Entspannungsmaschinen 7 und 8 entspannt. Anschließend werden diese Teilströme, miteinander und mit weiteren Stoffströmen vereinigt, im Hauptwärmetauscher 4 erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage in Form eines Sammelstroms f ausgeführt.
Der Stoffstrom d wird hingegen, ggf. nach Abzweigung und Abblasen eines Teilstroms an die Atmosphäre U, in einem Verdichter 8a, der mit einer der hier gezeigten
Entspannungsmaschine 9 gekoppelt ist, verdichtet, anschließend abgekühlt und, vergleichbar mit dem Stoffstrom c, in die erste Rektifikationskolonne zurückgeführt.
Wie in Form eines gestrichelten Stoffstroms veranschaulicht, kann hier auch ein Bypass erfolgen. Der Verdichter 8 ist mit der Entspannungsmaschine 9 gekoppelt und weist ferner eine hier nicht gesondert bezeichnete Ölbremse auf. Die
Entspannungsmaschine 7 ist hingegen mit einem Generator G gekoppelt.
Das Kopfgas vom Kopf der ersten Rektifikationskolonne 1 1 wird in Form eines
Teilstroms g durch den Wärmetauscher 2 geführt und dort zumindest teilweise verflüssigt. Dieses teilweise verflüssigte Kopfgas kann teilweise in Form eines
Rücklaufstroms auf die erste Rektifikationskolonne 1 1 zurückgeführt und zu einem weiteren Anteil gegen sich selbst unterkühlt und als Flüssigstickstoffprodukt B ausgeführt werden. Ein zum Kühlen verwendeter Anteil kann mit dem bereits erwähnten Stoffstrom e vereinigt werden. Das teilweise verflüssigte Kopfgas kann auch teilweise in Form einer Spülmenge C ausgeleitet werden. Weiteres Kopfgas kann in Form eines Stoffstroms h unverflüssigt im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und als Dichtgas S bzw. Druckstickstoff P ausgeführt werden.
In dem in Figur 1 veranschaulichten Beispiel wird aus der ersten Rektifikationskolonne 1 1 ein Stoffstrom i ausgeführt, welcher ebenfalls im Kondensatorverdampfer 5 der zweiten Rektifikationskolonne 12 zumindest teilweise verflüssigt und als Rücklauf auf die zweite Rektifikationskolonne 12 aufgegeben wird. Zuvor erfolgt eine Unterkühlung in einem Unterkühler 10 gegen Kopfgas der zweiten Rektifikationskolonne 12, das in Form eines Stoffstroms k aus der zweiten Rektifikationskolonne 12 abgezogen, erwärmt und mit dem Stoffstrom e nach dessen Entspannung vereinigt wird.
Aus dem Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne 12 kann ein sauerstoffreicher Stoffstrom I abgezogen werden, der mittels einer nicht gesondert bezeichneten Innenverdichtungspumpe 7 oder mittels eines Druckaufbaubehälters verdichtet und anschließend im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und als innenverdichtetes
Sauerstoffdruckprodukt D bereitgestellt werden kann. Ein Teil kann auch als flüssiges Sauerstoffprodukt E bereitgestellt werden.
Eine Einspeisung von Flüssigstickstoff F in die Luftzerlegungsanlage 100 kann in Form eines Stoffstroms m erfolgen.
In Figur 2 ist eine Anlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 200 bezeichnet. Im Gegensatz zu der in Figur 1 veranschaulichten Anlage 100 wird hier der Stoffstrom i nicht durch den Kondensatorverdampfer 5 in der zweiten Rektifikationskolonne 12 geführt sondern direkt dem Unterkühler 10 zugeführt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem eine
Luftzerlegungsanlage (100, 200) mit einem Wärmetauscher (6), einer
Entspannungsmaschine (8), einem mit der Entspannungsmaschine (8) gekoppelten Verdichter (9), einer ersten Rektifikationskolonne (1 1 ), einer zweiten Rektifikationskolonne (12) und einem Kondensatorverdampfer (5), der in einem unteren Bereich der zweiten Rektifikationskolonne (12) angeordnet ist, verwendet wird, wobei die erste Rektifikationskolonne (1 1 ) auf einem ersten Druckniveau und die zweite Rektifikationskolonne (12) auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben wird, aus der ersten Rektifikationskolonne (1 1 ) Fluid, das gegenüber
atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereichert ist, in Form eines oder mehrerer erster Stoffströme entnommen wird, das Fluid, das der ersten Rektifikationskolonne (1 1 ) in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen wurde, teilweise oder vollständig in dem Wärmetauscher (6) erwärmt und verdampft wird, und der
Wärmetauscher (6) zur Abkühlung von Kopfgas der ersten
Rektifikationskolonne (1 1 ) verwendet wird, das Fluid, das der ersten Rektifikationskolonne (1 1 ) in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen wurde, zu einem ersten Anteil durch die Entspannungsmaschine (8) geführt und aus der
Luftzerlegungsanlage (100, 200) ausgeleitet wird, das Fluid, das der ersten Rektifikationskolonne (1 1 ) in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen wurde, zu einem zweiten Anteil durch den mit der Entspannungsmaschine (8) gekoppelten Verdichter (9) geführt und in die erste Rektifikationskolonne (1 1 ) zurückgeleitet wird, aus der ersten Rektifikationskolonne (1 1 ) weiteres Fluid, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, in Form eines zweiten Stoffstroms entnommen und in die zweite Rektifikationskolonne (12) eingespeist wird, im Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne (12) sauerstoffreiches Fluid gebildet und zumindest teilweise in Form eines dritten Stoffstroms aus der zweiten Rektifikationskolonne (12) entnommen wird, und am Kopf der zweiten Rektifikationskolonne (12) weiteres Fluid gebildet und zumindest teilweise in Form eines vierten Stoffstroms aus der zweiten Rektifikationskolonne (12) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stoffstrom vor seiner Einspeisung in die zweite
Rektifikationskolonne (12) in dem Kondensatorverdampfer (5) abgekühlt und anschließend in einem Unterkühler (10) im Gegenstrom zu dem vierten Stoffstrom unterkühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen dem vierten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom vor der Einspeisung in den Unterkühler bei 1 bis 5 K liegt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem in dem
Kondensatorverdampfer (5) ferner verdichtete und abgekühlte Luft, die anschließend der ersten Rektifikationskolonne zugeführt wird, abgekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der zweite
Stoffstrom dem Unterkühler (10) auf einem Temperaturniveau
von 80 bis 95 K entnommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der zweite
Stoffstrom dem Unterkühler (10) auf dem ersten Druckniveau zugeführt wird und bei dem der zweite Stoffstrom nach der Abkühlung in dem Unterkühler (10) auf das zweite Druckniveau entspannt wird.
6. Luftzerlegungsanlage (100, 200) mit einem Wärmetauscher (6), einer
Entspannungsmaschine (8), einem mit der Entspannungsmaschine (8) gekoppelten Verdichter (9), einer ersten Rektifikationskolonne (1 1 ), einer zweiten Rektifikationskolonne (12) und einem Kondensatorverdampfer (5), der in einem unteren Bereich der zweiten Rektifikationskolonne (12) angeordnet ist, wobei die Luftzerlegungsanlage (100, 200) dafür eingerichtet ist, die erste Rektifikationskolonne (1 1 ) auf einem ersten Druckniveau und die zweite Rektifikationskolonne (12) auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus zu betreiben, aus der ersten Rektifikationskolonne (1 1 ) Fluid, das gegenüber
atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereichert ist, in Form eines oder mehrerer erster Stoffströme zu entnehmen, das Fluid, das der ersten Rektifikationskolonne (1 1 ) in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen wurde, teilweise oder vollständig in dem Wärmetauscher (6) zu erwärmen und zu verdampfen, wobei der Wärmetauscher (6) zur Abkühlung von Kopfgas der ersten
Rektifikationskolonne (1 1 ) eingerichtet ist, das Fluid, das der ersten Rektifikationskolonne (1 1 ) in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen wurde, zu einem ersten Anteil durch die Entspannungsmaschine (8) zu führen und aus der
Luftzerlegungsanlage (100, 200) auszuleiten, das Fluid, das der ersten Rektifikationskolonne (1 1 ) in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen wurde, zu einem zweiten Anteil durch den Verdichter (9) zu führen und in die erste Rektifikationskolonne (1 1 ) zurückzuleiten, aus der ersten Rektifikationskolonne (1 1 ) weiteres Fluid, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, in Form eines zweiten Stoffstroms flüssig zu entnehmen und in die zweite Rektifikationskolonne (12) einzuspeisen, im Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne (12) sauerstoffreiches Fluid zu bilden und zumindest teilweise in Form eines dritten Stoffstroms aus der zweiten Rektifikationskolonne (12) zu entnehmen, und am Kopf der zweiten Rektifikationskolonne (12) weiteres Fluid zu bilden und zumindest teilweise in Form eines vierten Stoffstroms aus der zweiten Rektifikationskolonne (12) zu entnehmen, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Luftzerlegungsanlage (100, 200) einen Unterkühler (10) und Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind, den zweiten Stoffstrom vor seiner Einspeisung in die zweite Rektifikationskolonne (12) in dem
Kondensatorverdampfer (5) abzukühlen und anschließend in dem Unterkühler
(10) im Gegenstrom zum vierten Stoffstrom zu unterkühlen.
7. Luftzerlegungsanlage (100, 200) nach Anspruch 6, die Mittel aufweist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 5 eingerichtet sind.
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