WO2021204418A1 - Method for producing a gaseous and a liquid nitrogen product by means of a low-temperature separation of air, and air separation system - Google Patents

Method for producing a gaseous and a liquid nitrogen product by means of a low-temperature separation of air, and air separation system Download PDF

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Definitions

  • liquids and gases can be rich or poor in one or more components, with “rich” for a content of at least 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99, 9% or 99.99% and “poor” for may have a content of at most 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mol, weight or volume basis.
  • the term “predominantly” can match the definition of "rich”.
  • Liquids and gases can also be enriched or depleted in one or more components, these terms referring to a content in a starting liquid or a starting gas from which the liquid or the gas was obtained.
  • the second and third parts can be compressed together in the compression device driven together with the main air compressor and then in two booster turbines, one of which is achieved by the expansion of the residual gas and the other by the expansion of the third part of the head gas can be driven.
  • the third part of the head gas is advantageously (also) compressed using the one booster turbine or using at least one of the plurality of booster turbines, in particular together with the second part.

Abstract

The invention relates to a method for producing a gaseous and a liquid nitrogen product by means of a low-temperature separation of air using an air separation system (100, 200) in which cooled compressed air is provided. A head gas and a sump liquid are formed in a rectification column (4) using the cooled compressed air, wherein a first condensate is formed using a first part of the head gas in a head condenser (6) of the rectification column (4), said first condensate being at least partly returned to the rectification column (4) and/or being used to provide the liquid nitrogen product; a second condensate is formed using a second part of the head gas outside of the head condenser (6) of the rectification column (4), said second condensate being at least partly returned to the rectification column (4) and/or being used to provide the liquid nitrogen product;and a residual gas is formed using at least one part of the sump liquid in the head condenser (6) of the rectification column (4), said residual gas being at least partly expanded and not being subjected to the low-temperature separation process again, and at least the second part of the head gas is heated, compressed, and recooled one after the other. The invention likewise relates to an air separation system (100, 200).

Description

Beschreibung description
Verfahren zur Herstellung eines gasförmigem und eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlequnq von Luft und Luftzerlequnqsanlaqe Process for the production of a gaseous and a liquid nitrogen product by low temperature decomposition of air and Luftzerlequnqsanlaqe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gasförmigem und eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine entsprechende Luftzerlegungsanlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. The invention relates to a method for producing a gaseous and a liquid nitrogen product by the low-temperature decomposition of air and a corresponding air separation plant according to the respective preambles of the independent claims.
Stand der Technik State of the art
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,The production of air products in the liquid or gaseous state by the low-temperature decomposition of air in air separation plants is known and, for example, from H.-W. Häring (Ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH,
2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben. 2006, especially Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification".
Luftzerlegungsanlagen klassischer Art weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die beispielsweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als Doppelkolonnensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen, vorgesehen sein. Air separation plants of the classic type have rectification column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as double-column systems, but also as three- or multi-column systems. In addition to rectification columns for obtaining nitrogen and / or oxygen in the liquid and / or gaseous state, ie rectification columns for nitrogen-oxygen separation, rectification columns can be provided for obtaining further air components, in particular noble gases.
Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Hochdruckkolonne (auch als Druckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (obere Kolonne) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druckniveau von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben, die Niederdruckkolonne dagegen auf einem Druckniveau von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1 ,4 bar. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen. Je nach den geforderten Produktspektren (d.h. der absolut und relativ zueinander herzustellenden Mengen an flüssigen und gasförmigen Luftprodukten) eignen sich unterschiedliche Anlagenkonfigurationen von Luftzerlegungsanlagen unterschiedlich gut. So können zur Erzeugung von Stickstoff anstelle der erwähnten Zwei- und Mehrkolonnenverfahren auch Einkolonnenverfahren eingesetzt werden. Bei diesen wird nur eine Rektifikationskolonne verwendet, die auf einem vergleichbaren Druckniveau wie eine bekannte Hochdruckkolonne, aber auch auf einem höheren Druckniveau betrieben werden kann. Eine Rektifikationskolonne, die entsprechend einer herkömmlichen Niederdruckkolonne zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingesetzt und unter niedrigerem Druck betrieben wird, fehlt dagegen. Dies schließt jedoch nicht aus, dass das Rektifikationskolonnensystem über die genannte Rektifikationskolonne hinaus noch weitere Rektifikationskolonnen aufweisen kann, beispielsweise zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff. The rectification columns of the rectification column systems mentioned are operated at different pressure levels. 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 (upper column). The high pressure column is typically operated at a pressure level of 4 to 7 bar, in particular approx. 5.3 bar, whereas the low pressure column is operated at a pressure level of typically 1 to 2 bar, in particular approx. 1.4 bar. In certain cases, higher pressure levels can also be used in both rectification columns. The pressures given here and below are absolute pressures at the top of the respective columns given. Depending on the required product spectrum (ie the absolute and relative quantities of liquid and gaseous air products to be produced), different system configurations of air separation systems are differently suitable. For example, instead of the two-column and multi-column processes mentioned, single-column processes can also be used to generate nitrogen. In these, only one rectification column is used, which can be operated at a pressure level comparable to that of a known high-pressure column, but also at a higher pressure level. On the other hand, there is no rectification column, which is used for nitrogen-oxygen separation in accordance with a conventional low-pressure column and which is operated under lower pressure. However, this does not rule out the possibility that the rectification column system can have further rectification columns in addition to the rectification column mentioned, for example for obtaining high-purity oxygen.
Entsprechende Einkolonnenverfahren können insbesondere als sogenannte Single- Column-Single-Condenser-Verfahren (SCSC) unter Verwendung von sogenannten Restgasturbinen durchgeführt werden. Hierbei wird die Rektifikationskolonne mit einem Kopfkondensator betrieben, in welchem Sumpfflüssigkeit aus der Rektifikationskolonne verdampft und Kopfgas aus der Rektifikationskolonne zur Bildung eines Rücklaufs kondensiert wird. Ein Sumpfaufkocher fehlt dagegen typischerweise. In der Restgasturbine wird zumindest ein Teil der in dem des Kopfkondensator verdampften Sumpfflüssigkeit, das Restgas, zur Kältegewinnung entspannt. Corresponding single-column processes can in particular be carried out as so-called single-column single-condenser processes (SCSC) using so-called residual gas turbines. In this case, the rectification column is operated with a top condenser in which bottom liquid from the rectification column evaporates and top gas from the rectification column is condensed to form a reflux. A sump reboiler, on the other hand, is typically missing. In the residual gas turbine, at least part of the bottom liquid evaporated in the top condenser, the residual gas, is expanded to generate cold.
Zur Versorgung von Verbrauchern mit gasförmigem Stickstoff bei Reinheiten im Bereich von 10 ppm bis 0,1 ppm Sauerstoff ist das SCSC-Verfahren besonders vorteilhaft, weil es eine einfache Prozessführung erlaubt. Allerdings werden für gewisse Einsatzgebiete, beispielsweise die Halbleiterindustrie, neben gasförmigem Stickstoff oftmals große Mengen an flüssigem Stickstoff gefordert. The SCSC process is particularly advantageous for supplying consumers with gaseous nitrogen at purities in the range from 10 ppm to 0.1 ppm oxygen, because it allows the process to be carried out easily. However, for certain areas of application, for example the semiconductor industry, large amounts of liquid nitrogen are often required in addition to gaseous nitrogen.
Klassische SCSC-Verfahren mit Restgasturbine erlauben jedoch nur die Produktion von vergleichsweise geringen Mengen von flüssigem Stickstoff im Bereich von 5 bis 20% des gasförmigen Stickstoffs. Wird keine Restgasturbine eingesetzt, ist sogar eine Einspeisung von flüssigem Stickstoff erforderlich. Sind signifikante Mengen von flüssigem Stickstoff in der Größenordnung von 30% bis 150% des gasförmigen Stickstoffs gefordert, muss der flüssige Stickstoff herkömmlicherweise per Tankwagen importiert oder eine zusätzliche Stickstoff- Verflüssigungseinheit installiert werden. Ein Import per Tankwagen ist durch die reinen Transportkosten sowie durch entstehende Tankverluste kostenaufwendig oder ggf. auch gar nicht möglich, insbesondere bei Angebotsknappheit oder zu hohen Transportdistanzen. Die Installation einer Stickstoff-Verflüssigungseinheit bietet hohe Flexibilität, erfordert jedoch erhebliche Zusatzinvestitionen (durch Verdichter, Turbinen, Wärmetauscher und Instrumentierung). Sie ist daher typischerweise erst ab einer bestimmten Produktionsmenge wirtschaftlich sinnvoll. Classic SCSC processes with residual gas turbines only allow the production of comparatively small amounts of liquid nitrogen in the range of 5 to 20% of the gaseous nitrogen. If no residual gas turbine is used, it is even necessary to feed in liquid nitrogen. If significant amounts of liquid nitrogen in the order of 30% to 150% of the gaseous nitrogen are required, the liquid nitrogen must traditionally be imported by tanker or an additional nitrogen liquefaction unit installed. An import by tanker is expensive due to the pure transport costs as well as the resulting tank losses or even not possible at all, especially if there is a shortage of supplies or too long transport distances. The installation of a nitrogen liquefaction unit offers great flexibility, but requires considerable additional investments (in terms of compressors, turbines, heat exchangers and instrumentation). It is therefore typically only economically viable when a certain production volume is reached.
Es besteht daher der Bedarf nach verbesserten Einkolonnenverfahren, mittels derer im Vergleich zu herkömmlichen Einkolonnenverfahren eine erhöhte Menge an Flüssigstickstoff bereitstellbar ist. There is therefore a need for improved single-column processes by means of which an increased amount of liquid nitrogen can be made available compared to conventional single-column processes.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Fierstellung eines gasförmigem und eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine entsprechende Luftzerlegungsanlage mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. This object is achieved by a method for the production of a gaseous and a liquid nitrogen product by the low-temperature decomposition of air and a corresponding air separation plant with the respective features of the independent claims. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.
Nachfolgend werden zunächst einige bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile verwendete Begriffe sowie der zugrunde liegende technische Hintergrund näher erläutert. In the following, some terms used in the description of the present invention and its advantages, as well as the underlying technical background, are explained in more detail.
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. The devices used in an air separation plant are described in the cited specialist literature, for example in Häring in Section 2.2.5.6, "Apparatus". Insofar as the following definitions do not deviate therefrom, express reference is therefore made to the cited specialist literature for the language used in the context of the present application.
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. Kondensatorverdampfer werden ihrer Funktion nach auch als "Kopfkondensator" und als "Sumpfverdampfer" bezeichnet, wobei ein Kopfkondensator ein Kondensatorverdampfer ist, in dem Kopfgas einer Rektifikationskolonne kondensiert wird und ein Sumpfverdampfer ein Kondensatorverdampfer, in dem Sumpfflüssigkeit einer Rektifikationskolonne verdampft wird. Allerdings kann auch in einem Kopfkondensator, beispielsweise wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, Sumpfflüssigkeit verdampft werden. A "condenser evaporator" is a heat exchanger in which a first, condensing fluid flow is in indirect heat exchange with a second, evaporating fluid flow occurs. Each condenser-evaporator has a liquefaction space and an evaporation space. The liquefaction and evaporation space have liquefaction and 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 vaporization space. The evaporation and liquefaction spaces are formed by groups of passages which are in a heat exchange relationship with one another. Condenser evaporators are also referred to as "top condenser" and "bottom evaporator" according to their function, whereby a top condenser is a condenser evaporator in which the top gas of a rectification column is condensed and a bottom evaporator is a condenser evaporator in which the bottom liquid of a rectification column is evaporated. However, bottom liquid can also be evaporated in a top condenser, for example as used in the context of the present invention.
In einem "Forced-Flow"-Kondensatorverdampfer wird ein Flüssigkeitsstrom mittels seines eigenen Drucks durch den Verdampfungsraum gedrückt und dort partiell verdampft. Dieser Druck wird beispielsweise durch eine Flüssigkeitssäule in der Zuleitung zum Verdampfungsraum erzeugt. Die Flöhe dieser Flüssigkeitssäule entspricht dabei dem Druckverlust im Verdampfungsraum. Das aus dem Verdampfungsraum austretende Gas-Flüssigkeitsgemisch wird in einem "Once Through"-Kondensatorverdampfer dieser Art nach Phasen getrennt direkt zum nächsten Verfahrensschritt bzw. zu einer stromabwärtigen Vorrichtung weitergeleitet und insbesondere nicht in ein Flüssigkeitsbad des Kondensatorverdampfers eingeleitet, von dem der flüssig verbliebene Anteil erneut angesaugt würde. In a "forced flow" condenser evaporator, a liquid flow is forced through the evaporation space by means of its own pressure and is partially evaporated there. This pressure is generated, for example, by a column of liquid in the feed line to the evaporation chamber. The fleas in this column of liquid correspond to the pressure loss in the evaporation chamber. The gas-liquid mixture emerging from the evaporation chamber is passed on in a "once through" condenser evaporator of this type, separated by phases, directly to the next process step or to a downstream device and in particular not introduced into a liquid bath of the condenser evaporator, of which the remaining liquid portion is again would be sucked in.
Eine "Entspannungsturbine" bzw. "Entspannungsmaschine", die über eine gemeinsame Welle mit weiteren Entspannungsturbinen oder Energiewandlern wie Ölbremsen, Generatoren oder Verdichtern gekoppelt sein kann, ist zur Entspannung eines gasförmigen oder zumindest teilweise flüssigen Stroms eingerichtet. Insbesondere können Entspannungsturbinen zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung als Turboexpander ausgebildet sein. Wird ein Verdichter mit einer oder mehreren Entspannungsturbinen angetrieben, jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors, zugeführte Energie, wird der Begriff "turbinengetriebener" Verdichter oder alternativ "Booster" verwendet. Anordnungen aus turbinengetriebenen Verdichtern und Entspannungsturbinen werden auch als "Boosterturbinen" oder alternativ als "Turbinenbooster" bezeichnet. Ist nachfolgend davon die Rede, dass eine Entspannung in einer Boosterturbine oder einem Turbinenbooster erfolgt, soll damit der Turbinenteil gemeint sein. Entsprechendes gilt für die Verdichtung, die dann in dem Verdichterteil der Boosterturbine oder des Turbinenboosters erfolgt. An "expansion turbine" or "expansion machine", which can be coupled to further expansion turbines or energy converters such as oil brakes, generators or compressors via a common shaft, is set up to expand a gaseous or at least partially liquid stream. In particular, expansion turbines for use in the present invention can be designed as turbo expanders. If a compressor is driven with one or more expansion turbines, but without energy supplied externally, for example by means of an electric motor, the term “turbine-driven” compressor or, alternatively, “booster” is used. Arrangements from turbine-powered Compressors and expansion turbines are also referred to as "booster turbines" or alternatively as "turbine boosters". If it is mentioned below that relaxation takes place in a booster turbine or a turbine booster, the turbine part is intended to be meant. The same applies to the compression, which then takes place in the compressor part of the booster turbine or the turbine booster.
In Luftzerlegungsanlagen kommen zur Verdichtung der zu zerlegenden Einsatzluft 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 bzw. Impeller 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 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. In air separation plants, multi-stage turbo compressors are used to compress the feed air to be separated, which are referred to here as "main air compressors". The mechanical structure of turbo compressors is fundamentally known to the person skilled in the art. In a turbo compressor, the medium to be compressed is compressed by means of turbine blades which are arranged on a turbine wheel or impeller or directly on a shaft. A turbo compressor forms a structural unit, which, however, can have several compressor stages in a multi-stage turbo compressor. A compressor stage usually comprises a corresponding arrangement of turbine blades. All of these compressor stages can be driven by a common shaft. However, provision can also be made for the compressor stages to be driven in groups with different shafts, it also being possible for the shafts to be connected to one another via gears.
Der Hauptluftverdichter zeichnet sich ferner dadurch aus, dass durch diesen die gesamte in das Rektifikationskolonnensystem 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 als Turboverdichter ausgebildet sein. Auch die Verwendung eines gemeinsamen Verdichters bzw. von Verdichterstufen eines derartigen Verdichters als Hauptluftverdichter und Nachverdichter kann vorgesehen sein. Zur Verdichtung von Teilluftmengen sind in Luftzerlegungsanlagen typischerweise weitere Turboverdichter in Form der erwähnten Booster vorgesehen, die i.d.R. im Vergleich zu dem Hauptluftverdichter oder dem Nachverdichter jedoch nur eine Verdichtung in relativ geringem Umfang vornehmen. The main air compressor is also distinguished by the fact that it compresses the entire amount of air fed into the rectification column system and used for the production of air products, that is to say the entire feed air. Correspondingly, a “post-compressor” can also be provided, in which, however, only part of the amount of air compressed in the main air compressor is brought to an even higher pressure. This can also be designed as a turbo compressor. The use of a common compressor or compressor stages of such a compressor as the main air compressor and booster can also be provided. For the compression of partial amounts of air, additional turbo compressors in the form of the booster mentioned are typically provided in air separation plants, which, however, usually only perform a compression to a relatively small extent compared to the main air compressor or the booster.
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. In the parlance used here, liquids and gases can be rich or poor in one or more components, with "rich" for a content of at least 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99, 9% or 99.99% and "poor" for may have a content of at most 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mol, weight or volume basis. The term "predominantly" can match the definition of "rich". Liquids and gases can also be enriched or depleted in one or more components, these terms referring to a content in a starting liquid or a starting gas from which the liquid or the gas was obtained. The liquid or gas is "enriched" if this or this 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 this or this 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 the starting gas. If, for example, “oxygen” or “nitrogen” is used here, this should also be understood to mean a liquid or a gas that is rich in oxygen or nitrogen, but does not necessarily have to consist exclusively of these.
Merkmale und Vorteile der Erfindung Features and advantages of the invention
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine spezielle Ausgestaltung eines Einkolonnenverfahrens bzw. SCSC-Verfahrens unter Verwendung einer Restgasturbine wie oben erläutert in Kombination mit einem Stickstoffkreislauf die zuvor erwähnte Aufgabe löst. In einem Stickstoffkreislauf wird Kopfgas aus der einzigen Rektifikationskolonne des Einkolonnenverfahrens bzw. aus jener von mehreren Kolonnen, die einer Flochdruckkolonne einer herkömmlichen Luftzerlegungsanlage entspricht, erwärmt, verdichtet, abgekühlt und kondensiert, entspannt und beispielsweise auf die Rektifikationskolonne als Rücklauf zurückgeführt. Es wird also weiteres Kopfgas kondensiert, allerdings nicht unter Verwendung des Kopfkondensators sondern in der erläuterten Weise, d.h. insbesondere unter zusätzlicher Bereitstellung von Entspannungskälte. Der zur Verdichtung im Stickstoffkreislauf verwendete Verdichter ist insbesondere warmseitig des Flauptwärmetauschers angeordnet, d.h. das im Stickstoffkreislauf geführte Kopfgas wird im Flauptwärmetauscher erwärmt und erst dann verdichtet. Die Kondensation erfolgt typischerweise wieder im Flauptwärmetauscher, wobei die zusätzliche Kälteleistung durch die Entspannung zur Verfügung gestellt wird. Die Erfindung schlägt damit ein Verfahren zur Herstellung eines gasförmigen und eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage vor, bei dem abgekühlte Druckluft in an sich bekannter Weise, d.h. durch Verdichten im Hauptluftverdichter und Abkühlen im Hauptwärmetauscher, bereitgestellt wird, wobei in einer Rektifikationskolonne, insbesondere der einzigen Rektifikationskolonne, unter Verwendung der abgekühlten Druckluft ein Kopfgas und eine Sumpfflüssigkeit gebildet werden. Wie erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung dabei insbesondere ein SCSC-Verfahren, so dass die obigen Erläuterungen dazu uneingeschränkt für die Erfindung gelten. The present invention is based on the knowledge that a special embodiment of a single-column process or SCSC process using a residual gas turbine as explained above in combination with a nitrogen cycle achieves the aforementioned object. In a nitrogen cycle, top gas from the single rectification column of the single-column process or from that of several columns, which corresponds to a pressure column of a conventional air separation plant, is heated, compressed, cooled and condensed, expanded and, for example, returned to the rectification column as reflux. Further overhead gas is therefore condensed, but not using the overhead condenser but in the manner explained, that is to say in particular with the additional provision of expansion cooling. The compressor used for compression in the nitrogen circuit is arranged, in particular, on the warm side of the main heat exchanger, ie the top gas carried in the nitrogen circuit is heated in the main heat exchanger and only then is compressed. The condensation typically takes place again in the main heat exchanger, with the additional cooling capacity being made available by the expansion. The invention thus proposes a method for the production of a gaseous and a liquid nitrogen product by the low-temperature decomposition of air using an air separation plant, in which cooled compressed air is provided in a manner known per se, that is, by compression in the main air compressor and cooling in the main heat exchanger Rectification column, in particular the only rectification column, a top gas and a bottom liquid are formed using the cooled compressed air. As mentioned, the present invention relates in particular to an SCSC method, so that the above explanations apply to the invention without restriction.
Die Stickstoffprodukte werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere in einer Reinheit von wenigstens 95%, insbesondere von wenigstens 99%, auf molarer Basis gebildet, bzw. in der oben im Zusammenhang mit dem Ziel der Erfindung angegebenen Reinheit. Ein "Produkt" bezeichnet hier ein Fluid, das nicht mehr an anlageninternen Kreisläufen teilnimmt, sondern endgültig aus der Anlage ausgeführt wird. Fluide, die der Rektifikationskolonne entnommen, aber danach dieser wieder zugeführt werden, sind keine Produkte in diesem Sinne. In the context of the present invention, the nitrogen products are formed in a purity of at least 95%, in particular at least 99%, on a molar basis, or in the purity specified above in connection with the aim of the invention. A "product" here denotes a fluid that no longer participates in internal system cycles, but is finally discharged from the system. Fluids that are removed from the rectification column but then fed back into it are not products in this sense.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung eines ersten Teils des Kopfgases in einem Kopfkondensator der Rektifikationskolonne ein erstes Kondensat gebildet, wie insoweit üblich, wobei das erste Kondensat zumindest zu einem Teil auf die Rektifikationskolonne zurückgeführt und/oder zur Bereitstellung des flüssigen Stickstoffprodukts verwendet wird. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgeschlagenen, zuvor bereits erwähnten und nachfolgend noch weiter erläuterten Maßnahmen kann hier eine größere Menge eines flüssigen Stickstoffprodukts bereitgestellt werden. In the context of the present invention, a first condensate is formed using a first part of the top gas in a top condenser of the rectification column, as is customary, the first condensate being at least partially returned to the rectification column and / or used to provide the liquid nitrogen product. Due to the measures proposed according to the invention, already mentioned above and explained in more detail below, a larger amount of a liquid nitrogen product can be provided here.
Unter Verwendung eines zweiten Teils des Kopfgases wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung außerhalb des Kopfkondensators der Rektifikationskolonne, d.h. insbesondere im Hauptwärmetauscher, ein zweites Kondensat gebildet, wobei das zweite Kondensat ebenfalls zumindest zu einem Teil auf die Rektifikationskolonne zurückgeführt und/oder zur Bereitstellung des flüssigen Stickstoffprodukts verwendet wird. Da das erste und zweite Kondensat typischerweise eine identische Zusammensetzung aufweisen, da beide aus demselben Kopfgas gebildet werden, können diese in beliebigen Anteilen als Rücklauf oder Stickstoffprodukt verwendet werden. Eine Verwendung "zur Bereitstellung" des Rücklaufs oder des flüssigen Stickstoffprodukts soll dabei insbesondere eine Verwendung einer Teilmenge oder der Gesamtmenge in stofflich unveränderter Zusammensetzung bezeichnen. Using a second part of the top gas, within the scope of the present invention, a second condensate is formed outside the top condenser of the rectification column, ie in particular in the main heat exchanger, the second condensate also at least in part being returned to the rectification column and / or to provide the liquid nitrogen product is used. Since the first and second condensate typically have an identical composition, since both are formed from the same overhead gas, these can be used in any proportions as reflux or nitrogen product. A use "to provide" the reflux or the liquid Nitrogen product is intended to denote in particular a use of a partial amount or the total amount in a materially unchanged composition.
Ein gasförmiges Stickstoffprodukt kann, wie auch nachfolgend erläutert, aus unkondensiertem Kopfgas gebildet werden. Generell kann die Menge des im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitgestellten flüssigen Stickstoffprodukts bei 30 bis 150%, insbesondere 50 bis 120%, der Menge des gasförmigen Stickstoffprodukts liegen, insbesondere bezogen auf die molare Menge. As also explained below, a gaseous nitrogen product can be formed from uncondensed overhead gas. In general, the amount of the liquid nitrogen product provided within the scope of the present invention can be 30 to 150%, in particular 50 to 120%, of the amount of the gaseous nitrogen product, in particular based on the molar amount.
Die Sumpfflüssigkeit stellt insbesondere eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit mit mehr als 25%, insbesondere 30 bis 45% oder 50 bis 80% Sauerstoff auf molarer Basis dar. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung zumindest eines Teils dieser Sumpfflüssigkeit in dem Kopfkondensator der Rektifikationskolonne ein Restgas gebildet, wobei das Restgas zumindest zu einem Teil entspannt und nicht erneut der Tieftemperaturzerlegung unterworfen wird. Die Entspannung erfolgt dabei in Form einer Turbinenentspannung in einer sogenannten Restgasturbine. Diese kann, wie nachfolgend erläutert, grundsätzlich Teil eines Turbinenboosters sein, aber auch öl- oder generatorgebremst ausgebildet sein. The bottom liquid is in particular an oxygen-enriched liquid with more than 25%, in particular 30 to 45% or 50 to 80% oxygen on a molar basis. In the context of the present invention, a residual gas is formed using at least part of this bottom liquid in the top condenser of the rectification column , the residual gas being at least partially expanded and not subjected to the low-temperature decomposition again. The expansion takes place in the form of a turbine expansion in a so-called residual gas turbine. As explained below, this can in principle be part of a turbine booster, but it can also be designed to be oil-braked or generator-braked.
Zumindest der zweite Teil des Kopfgases wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Bereitstellung des zweiten Kondensats nacheinander erwärmt, verdichtet und wiederabgekühlt. Die Erwärmung und Wiederabkühlung erfolgt dabei insbesondere im Flauptwärmetauscher, wobei der zweite Teil des Kopfgases (ggf. zusammen mit weiterem Kopfgas) typischerweise vom kalten Ende zum warmen Ende durch den Flauptwärmetauscher geführt und nach der Verdichtung typischerweise vom warmen Ende zum kalten Ende durch den Flauptwärmetauscher geführt wird. In the context of the present invention, at least the second part of the top gas is successively heated, compressed and cooled again to provide the second condensate. The heating and re-cooling takes place in particular in the main heat exchanger, the second part of the top gas (possibly together with further top gas) typically being passed from the cold end to the warm end through the main heat exchanger and, after compression, typically from the warm end to the cold end through the main heat exchanger will.
In dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird vorteilhafterweise zumindest der zweite Teil des Kopfgases, aber ggf. auch noch weiteres Kopfgas, unter Verwendung einer Verdichtereinrichtung verdichtet, die gemeinsam mit einem Flauptluftverdichter angetrieben wird, unter Verwendung dessen die abgekühlte Druckluft bereitgestellt wird. Hierbei können insbesondere sogenannte Kombi- Maschinen verwendet werden, die kommerziell erhältlich sind und die Funktionen von Flauptluftverdichter und Nachverdichter bzw. Stickstoffverdichter vereinigen. Insbesondere kann die Verdichtereinrichtung, mittels derer vorteilhafterweise zumindest der zweite Teil des Kopfgases verdichtet wird, lediglich einstufig ausgebildet sein. Ist hier davon die Rede, dass die Verdichtereinrichtung "gemeinsam mit einem Hauptluftverdichter angetrieben wird", sei hierunter beispielsweise verstanden, dass eine gemeinsame Welle verwendet wird oder zwei über ein Getriebe gekoppelte Wellen verwendet werden. In jedem Fall kann ein gemeinsamer Antrieb insbesondere mittels einer gemeinsamen Antriebseinheit in Form eines Elektromotors oder einer Gas- oder Dampfturbine erfolgen. In the method proposed according to the invention, at least the second part of the top gas, but possibly also further top gas, is advantageously compressed using a compressor device which is driven together with a main air compressor, using which the cooled compressed air is provided. So-called combination machines, which are commercially available and combine the functions of main air compressor and post-compressor or nitrogen compressor, can be used in particular. In particular, the compressor device, by means of which advantageously at least the second part of the head gas is compressed, only be designed in one stage. If it is said here that the compressor device is “driven together with a main air compressor”, this should be understood to mean, for example, that a common shaft is used or two shafts coupled via a gear are used. In any case, a common drive can take place in particular by means of a common drive unit in the form of an electric motor or a gas or steam turbine.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können eine hohe Anlagenzuverlässigkeit und zugleich hohe Flexibilität in der Herstellung von Flüssigstickstoff erzielt werden. Die Rektifikation wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere mit einer einzigen Rektifikationskolonne und nur einem Kondensatorverdampfer (der als Bad-, Kaskaden- oder Forced-Flow-Kondensatorverdampfer ausgebildet sein kann) durchgeführt und ist damit hinsichtlich der Investitionskosten optimiert. Die im Kopfgas des Kondensatorverdampfers, d.h. dem Restgas, enthaltene Druckenergie wird in einer Restgasturbine genutzt. Durch die Rückführung des gasförmigen Stickstoffs als Flüssigstickstoff in Form zumindest eines Teils des ersten und/oder zweiten Kondensats lässt sich die Rektifikation in der Rektifikationskolonne sehr nahe an der Gleichgewichtslinie betreiben, wie beispielsweise aus dem entsprechenden McCabe- Thiele-Diagramm ersichtlich. In the context of the present invention, a high level of system reliability and, at the same time, high flexibility in the production of liquid nitrogen can be achieved. In the context of the present invention, the rectification is carried out in particular with a single rectification column and only one condenser evaporator (which can be designed as a bath, cascade or forced flow condenser evaporator) and is thus optimized with regard to investment costs. The pressure energy contained in the top gas of the condenser evaporator, i.e. the residual gas, is used in a residual gas turbine. By recycling the gaseous nitrogen as liquid nitrogen in the form of at least part of the first and / or second condensate, the rectification in the rectification column can be carried out very close to the equilibrium line, as can be seen, for example, from the corresponding McCabe-Thiele diagram.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise zumindest der zweite Teil des Kopfgases unter Verwendung einer oder mehrerer Boosterturbinen verdichtet. Beispielsweise kann hierbei dabei die Restgasturbine eingesetzt werden, die in diesem Fall als eine Boosterturbine ausgebildet ist. In the context of the present invention, at least the second part of the head gas is advantageously compressed using one or more booster turbines. For example, the residual gas turbine can be used here, which in this case is designed as a booster turbine.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ein dritter Teil des Kopfgases erwärmt, verdichtet, abgekühlt und entspannt werden. Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus dem Kopfgas ein Druckstickstoffstrom gebildet werden, welcher insgesamt erwärmt wird, und von welchem nach der Erwärmung ein Teil abgezweigt und verdichtet wird, wobei dieser verdichtete Teil den zweiten und dritten Teil umfasst. Der verbleibende Rest, also ein weiterer Teil des Kopfgases, kann ebenfalls Teil dieses Druckstickstoffstroms sein und zur Bereitstellung des gasförmigen Stickstoffprodukts verwendet werden. Der entspannte dritte Teil kann mit dem der Erwärmung zugeführten Druckstickstoffstrom wieder zugegeben werden. Die Entspannung des dritten Teils kann insbesondere nach einer Teilabkühlung im Hauptwärmetauscher erfolgen. Die Zugabe des dritten Teils zu dem Druckstickstoffstrom kann insbesondere kaltseitig des Hauptwärmetauschers erfolgen, da der teilabgekühlte dritte Teil durch die Entspannung eine entsprechende Temperaturverringerung erfahren hat. In the context of the present invention, a third part of the top gas can be heated, compressed, cooled and expanded. In particular, within the scope of the present invention, a pressurized nitrogen stream can be formed from the top gas, which is heated as a whole, and of which a part is branched off and compressed after the heating, this compressed part comprising the second and third part. The remainder, that is to say a further part of the top gas, can also be part of this pressurized nitrogen flow and can be used to provide the gaseous nitrogen product. The relaxed third part can be added again with the pressurized nitrogen stream supplied to the heating. the The third part can be relaxed in particular after partial cooling in the main heat exchanger. The addition of the third part to the pressurized nitrogen stream can take place in particular on the cold side of the main heat exchanger, since the partially cooled third part has experienced a corresponding temperature reduction as a result of the expansion.
Mit anderen Worten kann der dritte Teil des Kopfgases insbesondere unter Verwendung der einen Boosterturbine oder unter Verwendung zumindest einer der mehreren Boosterturbinen entspannt werden, die zur Verdichtung des zweiten (und des dritten) Teils des Kopfgases dienen. In other words, the third part of the head gas can be expanded in particular using the one booster turbine or using at least one of the plurality of booster turbines which serve to compress the second (and the third) part of the head gas.
Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der zweite und dritte Teil gemeinsam der Verdichtung in der gemeinsam mit dem Hauptluftverdichter angetriebenen Verdichtungseinrichtung und anschließend in zwei Boosterturbinen erfolgen, von denen die eine durch die Entspannung des Restgases und die andere durch die Entspannung des dritten Teils des Kopfgases angetrieben werden kann. Auch eine beliebige andere Anordnung und die Zwischenschaltung von Öl- oder Generatorbremsen kann je nach Bedarf vorgesehen sein. Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise (auch) der dritte Teil des Kopfgases unter Verwendung der einen Boosterturbine oder unter Verwendung zumindest einer der mehreren Boosterturbinen verdichtet, und zwar insbesondere gemeinsam mit dem zweiten Teil. In particular, within the scope of the present invention, the second and third parts can be compressed together in the compression device driven together with the main air compressor and then in two booster turbines, one of which is achieved by the expansion of the residual gas and the other by the expansion of the third part of the head gas can be driven. Any other arrangement and the interposition of oil or generator brakes can also be provided as required. In other words, the third part of the head gas is advantageously (also) compressed using the one booster turbine or using at least one of the plurality of booster turbines, in particular together with the second part.
Unter Verwendung des entspannten dritten Teils des Kopfgases kann zumindest ein weiteres Kondensat gebildet und dem ersten und/oder zweiten Kondensat zugegeben werden. Insbesondere kann die Entspannung ins Zweiphasengebiet durchgeführt werden und nach dieser eine Trennung in eine Gasphase und eine Flüssigphase, das weitere Kondensat, vorgenommen werden. Die Flüssigphase kann auch weiter, beispielsweise an einem Drosselventil, entspannt werden, wobei anschließend an diese weitere Entspannung eine erneute Trennung in eine Gasphase und eine Flüssigphase erfolgen kann. Die Gasphase bzw. die Gasphasen kann bzw. können dann beispielsweise wieder stromauf des Hauptluftverdichters der Einsatzluft zugeführt werden, um Verluste zu vermeiden. Die Flüssigphase(n) kann bzw. können wie erläutert dem ersten und/oder zweiten Kondensat zugegeben und damit als Teil des flüssigen Stickstoffprodukts oder Kolonnenrücklaufs verwendet werden. Wie mehrfach erwähnt, und hier nur nochmals zur Klarstellung mit anderen Worten angegeben, wird das Restgas im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise zumindest zu einem Teil unter Verwendung der einen Boosterturbine oder zumindest einer der mehreren Boosterturbinen entspannt und/oder zumindest der zweite Teil des Kopfgases wird im Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage vor der Verdichtung erwärmt und nach der Verdichtung abgekühlt. Using the expanded third part of the top gas, at least one further condensate can be formed and added to the first and / or second condensate. In particular, the expansion can be carried out in the two-phase region and after this a separation into a gas phase and a liquid phase, the further condensate, can be carried out. The liquid phase can also be expanded further, for example at a throttle valve, and this further expansion can be followed by a renewed separation into a gas phase and a liquid phase. The gas phase or the gas phases can then, for example, be fed back to the feed air upstream of the main air compressor in order to avoid losses. The liquid phase (s) can, as explained, be added to the first and / or second condensate and thus used as part of the liquid nitrogen product or column reflux. As mentioned several times, and only given here again for clarification in other words, the residual gas is advantageously at least partially expanded within the scope of the present invention using the one booster turbine or at least one of the multiple booster turbines and / or at least the second part of the head gas is expanded heated in the main heat exchanger of the air separation plant before compression and cooled after compression.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Rektifikationskolonne insbesondere auf einem Druckniveau von 8 bis 12 bar, beispielsweise von ca. 10 bar, betrieben werden. Der zweite Teil des erwärmten Druckstickstoffstroms kann, insbesondere stufenweise unter Verwendung der gemeinsam mit dem Hauptluftverdichter angetriebenen Verdichtungseinrichtung und der Boosterturbine oder den Boosterturbinen, auf 15 bis 30 bar verdichtet werden. In the context of the present invention, the rectification column can in particular be operated at a pressure level of 8 to 12 bar, for example about 10 bar. The second part of the heated pressurized nitrogen flow can be compressed to 15 to 30 bar, in particular in stages using the compression device driven jointly with the main air compressor and the booster turbine or turbines.
Wie ebenfalls mehrfach erwähnt, kann ein weiterer Teil des Kopfgases der Rektifikationskolonne unkondensiert zur Bereitstellung des gasförmigen Stickstoffprodukts verwendet werden. Neben der Rektifikationskolonne wird insbesondere keine weitere Rektifikationskolonne verwendet und/oder die Rektifikationskolonne wird insbesondere ohne Sumpfaufkocher betrieben. As also mentioned several times, a further part of the top gas of the rectification column can be used uncondensed to provide the gaseous nitrogen product. In addition to the rectification column, in particular no further rectification column is used and / or the rectification column is operated in particular without a bottom reboiler.
Zu den Merkmalen der erfindungsgemäß ebenfalls vorgeschlagenen Anlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch ausdrücklich verwiesen. Diese Anlage ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor in Ausgestaltungen erläutert wurde. Auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner vorteilhaften Ausgestaltungen sei daher ausdrücklich verwiesen. Regarding the features of the system also proposed according to the invention, express reference is made to the corresponding independent patent claim. This system is set up, in particular, to carry out a method as was explained in the previous embodiments. Reference is therefore expressly made to the above explanations with regard to the method according to the invention and its advantageous embodiments.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die die bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, which illustrate the preferred embodiments of the present invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Figur 1 zeigt eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung. Figur 2 zeigt eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung. Figure 1 shows a system according to an embodiment of the invention in a simplified, schematic representation. Figure 2 shows a system according to an embodiment of the invention in a simplified, schematic representation.
In den Figuren sind einander baulich und/oder funktional entsprechende Komponenten sowie identische oder vergleichbare Stoffströme mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. In the figures, structurally and / or functionally corresponding components as well as identical or comparable material flows are indicated with identical reference symbols and are not explained repeatedly for the sake of clarity.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
In Figur 1 ist eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet. In FIG. 1, a system according to an embodiment of the invention is illustrated in the form of a schematic process flow diagram and denoted as a whole by 100.
In der Anlage 100 wird Einsatz- bzw. Prozessluft P insbesondere über einen nicht dargestellten Filter mittels eines Hauptluftverdichters 1 angesaugt und beispielsweise auf ein Druckniveau von ca. 10 bar verdichtet. Nach einer weiteren Behandlung in einem warmen Teil 2, der beispielsweise zur Vorkühlung und Direktkontaktkühlung mit Wasser eingerichtet sein kann, und der typischerweise eine Adsorberstation zur Entfernung von unerwünschten Komponenten wie Wasser und Kohlendioxid aufweist, wird die verdichtete Luft in Form eines Druckluftstroms A einem Hauptwärmetauscher 3 am warmen Ende zugeführt und diesem am kalten Ende wieder entnommen. Der weiterhin mit A bezeichnete, nun abgekühlte Druckluftstrom A wird in eine Rektifikationskolonne 4 eines Destillationskolonnennsystems 10 eingespeist, das im dargestellten Beispiel neben der Rektifikationskolonne 4 keine weiteren Rektifikationskolonnen aufweist. In the system 100, feed or process air P is sucked in in particular via a filter (not shown) by means of a main air compressor 1 and compressed to a pressure level of approximately 10 bar, for example. After a further treatment in a warm part 2, which can be set up, for example, for pre-cooling and direct contact cooling with water, and which typically has an adsorber station for removing undesirable components such as water and carbon dioxide, the compressed air in the form of a compressed air flow A is sent to a main heat exchanger 3 fed in at the warm end and removed again at the cold end. The now cooled compressed air stream A, further designated by A, is fed into a rectification column 4 of a distillation column system 10, which in the example shown has no further rectification columns apart from the rectification column 4.
In der Rektifikationskolonne 4 werden ein Kopfgas und eine Sumpfflüssigkeit gebildet, wobei die Sumpfflüssigkeit aus der Rektifikationskolonne 4, die eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit im oben erläuterten Sinn darstellt, hier in Form eines Stoffstroms B zunächst durch einen Unterkühlungsgegenströmer 5 geführt und dann in einen Kopfkondensator 6 der Rektifikationskolonne 4 eingespeist wird. Das Kopfgas der Rektifikationskolonne 4 wird zu einem Teil in Form eines Stoffstroms C abgezogen, mit einem nachfolgend erläuterten Stoffstrom D zu einem Stoffstrom E vereinigt und vom kalten Ende zum warmen Ende durch den Hauptwärmetauscher 3 geführt. Nach Abzweigen eines Stoffstroms F wird der verbleibende Rest in Form eines gasförmigen Stickstoffprodukts G bereitgestellt. In the rectification column 4, a top gas and a bottom liquid are formed, the bottom liquid from the rectification column 4, which is an oxygen-enriched liquid in the sense explained above, here in the form of a stream B first passed through a subcooling countercurrent 5 and then into a top condenser 6 of the rectification column 4 is fed in. The top gas of the rectification column 4 is drawn off in part in the form of a stream C, combined with a stream D explained below to form a stream E and from the cold end to the warm end through the main heat exchanger 3 guided. After branching off a material flow F, the remainder is provided in the form of a gaseous nitrogen product G.
In dem Kopfkondensator 6 der Rektifikationskolonne 4 verdampfte Sumpfflüssigkeit aus der Rektifikationskolonne 4, sogenanntes Restgas, wird in Form eines Stoffstroms Fl beispielsweise auf einem Druckniveau von ca. 5,4 bar durch den Unterkühlungsgegenströmer 5 und anschließend vom kalten Ende bis zu einer Zwischenentnahmestelle durch den Flauptwärmetauscher 3 geführt. Der Stoffstrom Fl wird sodann in einer Entspannungsturbine, der sogenannten Restgasturbine, die im dargestellten Beispiel zusammen mit einem Booster einen Turbinenbooster 7 bildet, auf ein leicht überatmosphärisches Druckniveau entspannt, anschließend vom kalten zum warmen Ende durch den Flauptwärmetauscher 3 geführt und beispielsweise im warmen Teil 2 zur Adsorberregeneration genutzt oder an die Atmosphäre abgegeben. Bottom liquid evaporated in the top condenser 6 of the rectification column 4 from the rectification column 4, so-called residual gas, is in the form of a stream Fl, for example at a pressure level of approx 3 led. The material flow Fl is then expanded to a slightly superatmospheric pressure level in an expansion turbine, the so-called residual gas turbine, which in the example shown forms a turbine booster 7 together with a booster, then passed from the cold to the warm end through the main heat exchanger 3 and, for example, in the warm part 2 used for adsorber regeneration or released into the atmosphere.
Der Stoffstrom F wird zunächst unter Verwendung einer oder mehrerer Verdichtereinrichtungen 11 , die insbesondere gemeinsam mit dem Flauptluftverdichter 1 angetrieben werden können, beispielsweise auf ein Druckniveau von ca. 17 bar verdichtet. Die Verdichtereinrichtung(en) 11 und der Flauptluftverdichter 1 können auch Teil einer sogenannten Kombimaschine sein. Mittels des Boosters des Turbinenboosters 7 wird der Stoffstrom F weiter druckerhöht, und zwar beispielsweise auf ein Druckniveau von ca. 23 bar. Der Stoffstrom F wird anschließend daran einer weiteren Druckerhöhung in einem Booster eines Turbinenboosters 8, beispielsweise auf ein Druckniveau von ca. 27 bar, unterworfen und in den bereits erwähnten Teilstrom D und einen Teilstrom I aufgeteilt. Beide Teilströme D und I werden dem Flauptwärmetauscher 3 am warmen Ende zugeführt. The material flow F is first compressed using one or more compressor devices 11, which can in particular be driven together with the main air compressor 1, for example to a pressure level of approx. 17 bar. The compressor device (s) 11 and the main air compressor 1 can also be part of a so-called combination machine. By means of the booster of the turbine booster 7, the material flow F is further increased in pressure, specifically to a pressure level of approx. 23 bar, for example. The material flow F is then subjected to a further pressure increase in a booster of a turbine booster 8, for example to a pressure level of approx. 27 bar, and divided into the partial flow D and a partial flow I already mentioned. Both substreams D and I are fed to the main heat exchanger 3 at the warm end.
Während der Teilstrom D dem Flauptwärmetauscher 3 an einer Zwischenentnahmestelle entnommen, in der Turbine des Turbinenboosters 8 entspannt, und danach mit dem Stoffstrom C vereinigt wird, wird der Teilstrom I bis zum kalten Ende durch den Flauptwärmetauscher 3 geführt, dabei kondensiert, und zur Bereitstellung von Flüssigstickstoff K einerseits und zusammen mit dem in dem Kopfkondensator 6 verflüssigten Kopfgas als Rücklaufstrom L auf die Rektifikationskolonne 4 andererseits verwendet. Ein Purgestrom M wird zur Entfernung von sich anderenfalls in der Flüssigkeit des Kopfkondensators 6 anreichernder Komponenten eingesetzt. While the partial stream D is taken from the main heat exchanger 3 at an intermediate extraction point, expanded in the turbine of the turbine booster 8, and then combined with the material stream C, the partial stream I is passed through the main heat exchanger 3 to the cold end, condensed in the process, and to provide Liquid nitrogen K on the one hand and used together with the overhead gas liquefied in the top condenser 6 as reflux stream L to the rectification column 4 on the other hand. A purge flow M is used to remove components that otherwise accumulate in the liquid of the top condenser 6.
In Figur 2 ist eine Anlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 200 bezeichnet. In FIG. 2, a system according to a further embodiment of the invention is illustrated in the form of a schematic process flow diagram and designated as a whole by 200.
Die Anlage 200 unterscheidet sich von der in Figur 1 gezeigten Anlage 100 durch zwei Flüssigkeitsabscheider 21 , 22. In der Flüssigkeitsabscheider 21 wird dabei der Teilstrom D eingespeist. Lediglich eine Gasphase aus dem Flüssigkeitsabscheider 21 wird in Form eines Stoffstroms N mit dem Stoffstrom C zu dem auch hier mit E bezeichneten Stoffstrom vereinigt, wohingegen eine Flüssigphase in Form eines Stoffstroms O nach einer Entspannung an einem nicht gesondert bezeichneten Entspannungsventil in den Flüssigkeitsabscheider 22 eingespeist wird. The system 200 differs from the system 100 shown in FIG. 1 in that it has two liquid separators 21, 22. In the liquid separator 21, the partial flow D is fed in. Only a gas phase from the liquid separator 21 is combined in the form of a material flow N with the material flow C to form the material flow also designated here with E, whereas a liquid phase in the form of a material flow O is fed into the liquid separator 22 after an expansion at an expansion valve not specifically designated .
In den Flüssigkeitsabscheider 22 wird auch der zur Bildung des auch hier mit K bezeichneten Stoffstroms vorgesehene Anteil des Stoffstroms I eingespeist, der zuvor durch einen Unterkühlungsgegenströmer 23 geführt wird. Der Stoffstrom K wird aus einer in dem Flüssigkeitsabscheider 22 abgeschiedenen Flüssigkeit gebildet. Eine dem Flüssigkeitsabscheider 22 entnommene Gasphase wird in Form eines Stoffstroms R durch den Unterkühlungsgegenströmer 23 geführt, anschließend vom kalten Ende zum warmen Ende durch den Hauptwärmetauscher 3 geführt und stromauf des Hauptluftverdichters 1 mit dem Einsatzluftstrom P vereinigt. The portion of the material flow I which is provided for the formation of the material flow, also denoted here by K, is also fed into the liquid separator 22 and is previously passed through a subcooling countercurrent 23. The material flow K is formed from a liquid separated in the liquid separator 22. A gas phase removed from the liquid separator 22 is passed in the form of a material flow R through the subcooling countercurrent 23, then passed from the cold end to the warm end through the main heat exchanger 3 and combined with the feed air flow P upstream of the main air compressor 1.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Herstellung eines gasförmigen und eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100, 200), bei dem A method for producing a gaseous and a liquid nitrogen product by the cryogenic separation of air using an air separation plant (100, 200), in which
- abgekühlte Druckluft bereitgestellt wird, wobei in einer Rektifikationskolonne (4) unter Verwendung der abgekühlten Druckluft ein Kopfgas und eine Sumpfflüssigkeit gebildet werden, - cooled compressed air is provided, a top gas and a bottom liquid being formed in a rectification column (4) using the cooled compressed air,
- unter Verwendung eines ersten Teils des Kopfgases in einem Kopfkondensator (6) der Rektifikationskolonne (4) ein erstes Kondensat gebildet wird, wobei das erste Kondensat zumindest zu einem Teil auf die Rektifikationskolonne (4) zurückgeführt und/oder zur Bereitstellung des flüssigen Stickstoffprodukts verwendet wird, unter Verwendung eines zweiten Teils des Kopfgases außerhalb des Kopfkondensators (6) der Rektifikationskolonne (4) ein zweites Kondensat gebildet wird, wobei das zweite Kondensat zumindest zu einem Teil auf die Rektifikationskolonne (4) zurückgeführt und/oder zur Bereitstellung des flüssigen Stickstoffprodukts verwendet wird, - Using a first part of the top gas in a top condenser (6) of the rectification column (4), a first condensate is formed, at least part of the first condensate being returned to the rectification column (4) and / or used to provide the liquid nitrogen product , using a second part of the top gas outside the top condenser (6) of the rectification column (4), a second condensate is formed, at least part of the second condensate being returned to the rectification column (4) and / or used to provide the liquid nitrogen product ,
- unter Verwendung zumindest eines Teils der Sumpfflüssigkeit in dem Kopfkondensator (6) der Rektifikationskolonne (4) ein Restgas gebildet wird, wobei das Restgas zumindest zu einem Teil entspannt und nicht erneut der Tieftemperaturzerlegung unterworfen wird, und - A residual gas is formed using at least part of the bottom liquid in the top condenser (6) of the rectification column (4), the residual gas being at least partially expanded and not subjected to the low-temperature decomposition again, and
- zumindest der zweite Teil des Kopfgases nacheinander erwärmt, verdichtet und wiederabgekühlt wird. - At least the second part of the head gas is heated, compressed and cooled again one after the other.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der zumindest der zweite Teil des Kopfgases unter Verwendung einer Verdichtereinrichtung (11 ) verdichtet wird, die gemeinsam mit einem Hauptluftverdichter (1) angetrieben wird, unter Verwendung dessen die abgekühlte Druckluft bereitgestellt wird. 2. The method according to claim 1, wherein the at least the second part of the head gas is compressed using a compression device (11) which is driven jointly with a main air compressor (1), using which the cooled compressed air is provided.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zumindest der zweite Teil des Kopfgases unter Verwendung einer oder mehrerer Boosterturbinen (7, 8) verdichtet wird. 3. The method according to claim 2, wherein at least the second part of the head gas is compressed using one or more booster turbines (7, 8).
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein dritter Teil des Kopfgases erwärmt, verdichtet, abgekühlt und entspannt wird. 4. The method according to claim 3, wherein a third part of the head gas is heated, compressed, cooled and expanded.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der dritte Teil des Kopfgases unter Verwendung der einen Boosterturbine (7, 8) oder unter Verwendung zumindest einer der mehreren Boosterturbinen (7, 8) entspannt wird. 5. The method according to claim 4, wherein the third part of the head gas is expanded using the one booster turbine (7, 8) or using at least one of the plurality of booster turbines (7, 8).
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der dritte Teil des Kopfgases unter Verwendung der einen Boosterturbine (7, 8) oder unter Verwendung zumindest einer der mehreren Boosterturbinen (7, 8) verdichtet wird. 6. The method according to claim 4 or 5, wherein the third part of the head gas is compressed using the one booster turbine (7, 8) or using at least one of the plurality of booster turbines (7, 8).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem unter Verwendung des entspannten dritten Teils des Kopfgases zumindest ein weiteres Kondensat gebildet und dem ersten und/oder zweiten Kondensat zugegeben wird. 7. The method according to any one of claims 4 to 6, in which at least one further condensate is formed using the expanded third part of the overhead gas and is added to the first and / or second condensate.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das Restgas zumindest zu einem Teil unter Verwendung der einen Boosterturbine (7, 8) oder zumindest einer der mehreren Boosterturbinen (7, 8) entspannt wird. 8. The method according to any one of claims 2 to 7, in which the residual gas is at least partially expanded using the one booster turbine (7, 8) or at least one of the plurality of booster turbines (7, 8).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem zumindest der zweite Teil des Kopfgases im Hauptwärmetauscher (3) der Luftzerlegungsanlage (100, 200) vor der Verdichtung erwärmt und nach der Verdichtung abgekühlt wird. 9. The method according to any one of claims 2 to 8, in which at least the second part of the head gas in the main heat exchanger (3) of the air separation plant (100, 200) is heated before compression and cooled after compression.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem die Rektifikationskolonne auf einem Druckniveau von 8 bis 12 bar betrieben wird. 10. The method according to any one of claims 2 to 9, in which the rectification column is operated at a pressure level of 8 to 12 bar.
11 . Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem der zweite Teil des erwärmten Druckstickstoffstroms stufenweise auf 15 bis 30 bar verdichtet wird. 11. Process according to one of Claims 2 to 8, in which the second part of the heated pressurized nitrogen flow is compressed in stages to 15 to 30 bar.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein weiterer Teil des Kopfgases der Rektifikationskolonne (4) unkondensiert zur Bereitstellung des gasförmigen Stickstoffprodukts verwendet wird. 12. The method according to any one of the preceding claims, in which a further part of the top gas of the rectification column (4) is used uncondensed to provide the gaseous nitrogen product.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem neben der Rektifikationskolonne (4) keine weitere Rektifikationskolonne verwendet und/oder die Rektifikationskolonne (4) ohne Sumpfaufkocher betrieben wird. 13. The method according to any one of the preceding claims, in which, in addition to the rectification column (4), no further rectification column is used and / or the rectification column (4) is operated without a bottom reboiler.
14. Luftzerlegungsanlage (100, 200) zur Herstellung eines gasförmigen und eines flüssigen Stickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft wobei die Luftzerlegungsanlage (100, 200) aufweist: 14. Air separation plant (100, 200) for the production of a gaseous and a liquid nitrogen product by the low-temperature separation of air, the air separation plant (100, 200) having:
Mittel, die dafür eingerichtet sind, abgekühlte Druckluft bereitzustellen und eine Rektifikationskolonne (4), die dafür eingerichtet ist, unter Verwendung der abgekühlten Druckluft ein Kopfgas und eine Sumpfflüssigkeit zu bilden, Means which are set up to provide cooled compressed air and a rectification column (4) which is set up to form an overhead gas and a bottom liquid using the cooled compressed air,
- Mittel, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung eines ersten Teils des Kopfgases in einem Kopfkondensator (6) der Rektifikationskolonne (4) ein erstes Kondensat zu bilden und das erste Kondensat zumindest zu einem Teil auf die Rektifikationskolonne (4) zurückzuführen und/oder zur Bereitstellung des flüssigen Stickstoffprodukts zu verwenden, - Means which are set up to form a first condensate using a first part of the top gas in a top condenser (6) of the rectification column (4) and at least part of the first condensate to be returned to the rectification column (4) and / or to Providing the liquid nitrogen product to use,
- Mittel, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung eines zweiten Teils des Kopfgases außerhalb des Kopfkondensators (6) der Rektifikationskolonne (4) ein zweites Kondensat zu bilden und das zweite Kondensat zumindest zu einem Teil auf die Rektifikationskolonne (4) zurückzuführen und/oder zur Bereitstellung des flüssigen Stickstoffprodukts zu verwenden, - Means which are set up to form a second condensate using a second part of the top gas outside the top condenser (6) of the rectification column (4) and at least part of the second condensate to be returned to the rectification column (4) and / or to Providing the liquid nitrogen product to use,
- Mittel, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung zumindest eines Teils der Sumpfflüssigkeit in dem Kopfkondensator (6) der Rektifikationskolonne (4) ein Restgas zu bilden und das Restgas zumindest zu einem Teil zu entspannen und nicht erneut der Tieftemperaturzerlegung zu unterwerfen, und - Means which are set up to use at least part of the bottom liquid in the top condenser (6) of the rectification column (4) to form a residual gas and to expand the residual gas at least in part and not to subject it again to the low-temperature decomposition, and
Mittel, die dafür eingerichtet sind, zumindest den zweiten Teil des Kopfgases nacheinander zu erwärmen, zu verdichten und wiederabzukühlen. Means which are set up to heat, compress and cool again at least the second part of the head gas in succession.
15. Luftzerlegungsanlage (100, 200) nach Anspruch 14, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist. 15. Air separation plant (100, 200) according to claim 14, which is set up to carry out a method according to one of claims 1 to 13.
PCT/EP2021/025101 2020-04-09 2021-03-11 Method for producing a gaseous and a liquid nitrogen product by means of a low-temperature separation of air, and air separation system WO2021204418A1 (en)

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