WO2023274574A1 - Verfahren und anlage zur bereitstellung eines stickstoffprodukts, eines sauerstoffprodukts und eines wasserstoffprodukts - Google Patents

Verfahren und anlage zur bereitstellung eines stickstoffprodukts, eines sauerstoffprodukts und eines wasserstoffprodukts Download PDF

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air
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stream
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Stefan Lochner
Wolfgang Haag
Daniel OTTE
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    • F25J2250/02—Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger
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    • F25J2250/20—Boiler-condenser with multiple exchanger cores in parallel or with multiple re-boiling or condensing streams
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop

Definitions

  • the invention relates to a method for providing a nitrogen product, an oxygen product and a hydrogen product and a corresponding plant according to the preambles of the independent patent claims.
  • Air separation plants have rectification column systems which can be conventionally designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • rectification columns for obtaining nitrogen and/or oxygen in a liquid and/or gaseous state i.e. the rectification columns for nitrogen-oxygen separation
  • rectification columns for obtaining further air components in particular the noble gases krypton, xenon and/or argon.
  • the terms “rectification” and “distillation” as well as “column” and “column” or terms composed of these are often used synonymously.
  • 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 (also referred to as an upper column).
  • the high-pressure column is typically operated at a pressure level of 4 to 7 bar, in particular about 5.3 bar.
  • the low-pressure column is operated at a pressure level of typically 1 to 2 bar, in particular about 1.4 bar.
  • Both Higher pressure levels can also be used in rectification columns.
  • the pressures specified here and below are absolute pressures at the top of the columns specified in each case.
  • nitrogen In addition to gaseous, high-purity nitrogen, oxygen and hydrogen are also required in particular to supply semiconductor plants (so-called fabs).
  • the nitrogen should typically have only about 1 ppb, at most 1000 ppb, oxygen, be essentially particle-free, and be able to be supplied at a pressure level well above atmospheric. Specifications in ppb or ppm refer here to the molar proportion.
  • the oxygen should have a comparable purity. Specific requirement profiles are explained below.
  • SPECTRA processes are known from the prior art for providing compressed nitrogen as the main product. These are explained in more detail below.
  • a so-called oxygen column can be used to obtain pure or high-purity oxygen, which can be operated at the pressure level of a typical low-pressure column or above.
  • this is present next to the rectification column used to obtain nitrogen and is fed from it.
  • SPECTRA processes are basically suitable for providing nitrogen and oxygen for corresponding applications, the provision of oxygen is typically associated with an extremely high energy consumption. Often no rotating machines may be used for the production of high-purity oxygen in order not to compromise the purity of the oxygen. In conventional SPECTRA methods, however, it may not be possible to dispense with the corresponding pumps. It is also not possible to provide hydrogen directly using such systems.
  • the object of the present invention is to improve the provision of a nitrogen product, an oxygen product and a hydrogen product, in particular with the purities mentioned and for the applications mentioned, compared with the prior art. Disclosure of the invention against this background, the present invention proposes a method for providing a nitrogen product, an oxygen product and a hydrogen product and a corresponding plant with the features of the independent patent claims. Preferred configurations are the subject matter of the dependent claims and the following description.
  • 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 fluid streams that are directed countercurrently to one another, for example a warm compressed air stream and one or more cold fluid streams or a cryogenic liquid air product and one or more warm or warmer, but possibly also cryogenic fluid streams.
  • a heat exchanger can be formed from a single heat exchanger section or from a plurality of heat exchanger sections connected in parallel and/or in series, for example from one or more plate heat exchanger blocks. It is, for example, a plate fin heat exchanger.
  • Such a heat exchanger has "passages” which are designed as separate fluid channels with heat exchange surfaces and are joined together in parallel and separated by other passages to form “passage groups".
  • a heat exchanger is characterized by the fact that heat is exchanged between two mobile media at one point in time, namely at least one fluid flow to be cooled and at least one fluid flow to be heated.
  • a "condenser evaporator” is a heat exchanger in which a condensing fluid stream enters into indirect heat exchange with an evaporating fluid stream. Each condenser evaporator has a condensing space and an evaporating space. Condensation and evaporation chambers have liquefaction and evaporation passages.
  • the condensation (liquefaction) of the condensing fluid flow is carried out in the liquefaction space, and the evaporation of the evaporating fluid flow is carried out in the evaporation space.
  • the evaporating and condensing spaces are formed by groups of passages which are in heat exchange relationship with each other.
  • the present invention can in particular include the low-temperature decomposition of air according to the SPECTRA method mentioned at the outset, as described, for example, in EP 2 789 958 A1 and the other patent literature cited there. In the simplest embodiment, this is a single-column process. However, the present invention can also be used with any other method for the low-temperature decomposition of air. The description of a SPECTRA method is only used here as an example.
  • a rectification column fed from the air-fed rectification column and used for oxygen production can be used. This is also the case in configurations of the present invention, whereas other configurations of the invention do not provide for the use of such a rectification column.
  • a reflux from the air-fed rectification column used for this purpose is provided by condensing top gas of the air-fed rectification column, more precisely part of this top gas, in a heat exchanger.
  • a condenser evaporator, fluid which is also taken from the air-fed rectification column, is used for cooling and is thereby evaporated or partially evaporated.
  • Additional overhead gas can be provided as a nitrogen-rich product.
  • first and second streams with different Formed oxygen levels
  • the first stream can be formed using liquid that is taken from the air-fed rectification column with the first oxygen content
  • the second stream can be formed using liquid that the air-fed rectification column already has with the second, higher oxygen content is removed.
  • the liquid used to form the first stream can be withdrawn from the air-fed rectification column from an intermediate tray or from a liquid retention device.
  • the liquid used to form the second stream can in particular be at least part of the liquid bottom product of the air-fed rectification column.
  • the same liquid can also initially be used to form the first and the second material flow, for example Bottoms liquid of the air-fed rectification column or another liquid withdrawn from the air-fed rectification column.
  • This can be passed through the first condenser evaporator, partially vaporized in the process, and subjected to phase separation to obtain a gas fraction and a liquid fraction.
  • the first stream can be formed with the first oxygen content using the gas fraction or a part thereof.
  • the second stream can be formed with evaporation of the liquid fraction or a part thereof in the first condenser evaporator.
  • the first and second streams are fluids that are used beforehand in the aforementioned condenser evaporator for cooling and for condensing the corresponding portion of top gas of the air-fed rectification column.
  • the first stream can be compressed at least in part by means of a cold compressor after it has been used for cooling in the mentioned condenser evaporator and returned to the air-fed rectification column. This is also the case within the scope of the present invention.
  • the second stream can be mentioned in a SPECTRA process after its use for cooling in the
  • Condenser evaporator relaxed at least in part and run as a so-called residual gas mixture from the air separation plant.
  • This can also be provided within the scope of the present invention.
  • one or more compressors can be used, which is or are coupled to one or more expansion machines, in which the expansion of the second material flow (or a corresponding part) is made.
  • An expansion machine that is not coupled to a corresponding compressor can, if present, be braked in particular mechanically and/or as a generator. Braking is also possible with an expansion machine that is coupled to a compressor. Any Variants of relaxation and recompression can be provided without departing from the scope of the invention.
  • Feed air can be fed into the air-fed rectification column without corresponding liquefaction. Variants can also be used with regard to the feeding of the air-fed rectification column and the operation of the further condenser-evaporator, without departing from the scope of the invention in each case.
  • the present invention proposes allowing the production of hydrogen to take place at the same location as the production of nitrogen by means of cryogenic air separation in order to supply corresponding consumers.
  • the oxygen produced during the production of hydrogen is freed from water and, if necessary, from other components such as hydrogen and then, as explained in detail below, liquefied in the air separation plant available at the same location and, if necessary, supercooled in a supercooling countercurrent device available in the air separation plant. The one obtained in this way
  • Liquid oxygen can be stored in liquid form.
  • An increase in pressure by means of pressure build-up evaporation, a cryogenic pump and the like and subsequent evaporation in the main heat exchanger of the air separation plant (in particular in the manner of a known internal compression) can also be provided.
  • the oxygen stream from the electrolysis is doing before its liquefaction and in the Usually not mixed with an air separation process stream even after its liquefaction.
  • An "air separation process stream” is a stream derived from the feed air, for example, a nitrogen or impure oxygen product.
  • the oxygen stream from the electrolysis does not represent a process stream of the air separation here.
  • the low-temperature separation process of the air separation is not intervened in, rather there is preferably no mixing of the oxygen stream from the electrolysis with any process stream of the air separation.
  • the air separation plant only provides the liquefaction cold, but does not contribute to the purification of the oxygen from the electrolysis.
  • the present invention makes use of the fact that in the production of hydrogen by means of water electrolysis, high-purity oxygen can be obtained, which is mainly only contaminated with water and which, in particular, is not contaminated by mixing with a less pure oxygen product.
  • the proportions of nitrogen, oxygen and hydrogen required for the Fabs mentioned can be provided in a particularly advantageous manner by the range of products that can be provided within the scope of the present invention.
  • the nitrogen amount of high-purity oxygen and 1.50% of hydrogen are required in such fabs, i.e. the oxygen and water requirement is approximately in the ratio of 1 to 2. This corresponds exactly to the proportions as they be obtained in a water electrolysis.
  • High-purity oxygen that may be additionally provided within the scope of the present invention can be sold on the market, for example.
  • the present invention enables an overall reduction in the total energy requirement and the capital outlay for the production of nitrogen, oxygen and hydrogen products of the type explained.
  • the air separation plant can also be operated with flexible loads. For example, if oxygen is not liquefied but is only taken from a tank, liquid nitrogen can also be produced, or it is possible to feed liquid nitrogen into the plant in order to liquefy gaseous oxygen.
  • the present invention proposes, in the language of the claims, a method for providing a nitrogen product, an oxygen product and a hydrogen product, in which a plant equipped for the low-temperature separation of air with a rectification column system is used, which has an air-fed
  • Main heat exchanger and sub-cooling counterflow can be combined in one apparatus as a combined main heat exchanger-sub-cooler.
  • the system can be set up in particular to carry out a SPECTRA method, but this is not a mandatory requirement.
  • main heat exchanger is meant an apparatus in which feed air is cooled to about the dew point.
  • the main heat exchanger can consist of several blocks connected in parallel and/or in series.
  • Providing the nitrogen product includes subjecting feed air to cryogenic rectification using the rectification column system and withdrawing the nitrogen product or a precursor product from the rectification column system.
  • precursor product is intended here in particular to refer to a mixture of substances or a pure substance, using which the actual product is formed, with the formation being able to include, for example, further purification, pressurization, heating, cooling, rectification, mixing or separation of fractions or portions.
  • feed air is subjected to cryogenic rectification using the air-fed rectification column to obtain an overhead gas, and a portion of the overhead gas is used as the nitrogen product or a precursor product of the nitrogen product.
  • the provision of the oxygen product and the hydrogen product comprises, according to the invention, water in an electrolyzer to obtain a water-containing oxygen stream and a hydrogen stream to a water electrolysis, wherein the water-containing oxygen stream or a part thereof is subjected at least in an operating phase to a drying and then to a liquefaction in the main heat exchanger to obtain a liquid oxygen stream, and wherein the liquid oxygen stream or a part thereof to provide the oxygen product is used.
  • the main heat exchanger and subcooling counterflow can be realized as separate devices or alternatively as a combined main heat exchanger-subcooler.
  • the subcooling counterflow also flows a liquid taken from the distillation system, cooled in the subcooling counterflow and fed back into the distillation system, and gas discharged from the Rectification column system is removed and heated in the sub-cooling countercurrent.
  • One or more process streams of air separation for example air, nitrogen or oxygen, are preferably used as the coolant in the separate heat exchanger. They extract heat from the oxygen flow from the electrolysis through indirect heat exchange.
  • the separate heat exchanger can be connected in parallel with the main heat exchanger on the air side, for example
  • the oxygen from the electrolysis is liquefied, preferably in indirect heat exchange, with a liquid cold stream which has a nitrogen content of more than 30 mol %, the cold stream being evaporated.
  • a liquid cold stream which has a nitrogen content of more than 30 mol %, the cold stream being evaporated.
  • no third process stream flows through the separate heat exchanger.
  • the present invention may include forming the liquid oxygen stream formed to provide the oxygen product as a subcooled liquid oxygen stream by subcooling in the subcooling counterflow.
  • the oxygen stream from the electrolysis is cooled in the main heat exchanger and liquefied in whole or in part; in the case of partial liquefaction, the liquefaction is first completed in the subcooling counterflow and then the liquid is subcooled.
  • the water-containing oxygen stream can be provided using low-pressure electrolysis.
  • provision using high-pressure electrolysis is also possible.
  • the water electrolysis can be carried out, for example, in the form of an alkaline electrolysis (AEL) or an electrolysis on a proton exchange membrane (PEM) or anion exchange membrane (AEM). Both procedures are possible.
  • AEL alkaline electrolysis
  • PEM proton exchange membrane
  • AEM anion exchange membrane
  • High-temperature electrolysis which can typically be used with operating temperatures below 60 °C.
  • High-temperature electrolysis methods for example using solid oxide electrolysis cells (SOEC), are also used for electrolysis, for example of water and/or carbon dioxide, and can be used in connection with the present invention.
  • SOEC solid oxide electrolysis cells
  • the water-containing oxygen stream or a part thereof can be subjected to compression after drying and before liquefaction in the main heat exchanger.
  • the provision of the oxygen product can in particular include a (further) purification, in particular a rectification for depletion of argon, to which in particular the vaporized liquid oxygen can be subjected.
  • the present invention can in particular enable load-flexible operation.
  • the liquid oxygen stream can only be formed in a first operating phase, in which case the liquid oxygen stream can be temporarily stored in the first operating phase for later provision of the oxygen product, and in a second operating phase the oxygen product can be produced using the temporarily stored liquid oxygen stream or a Part of this under heating in the main heat exchanger as a gaseous pressurized oxygen product can be obtained.
  • a gaseous nitrogen stream in the second operating phase, can be subjected to a liquefaction in the main heat exchanger to obtain a liquid nitrogen stream, and the liquid nitrogen stream or a part thereof can be used as the or a further nitrogen product or temporarily stored for the later provision of the or a further nitrogen product. It is also possible to subject the liquid nitrogen stream to an internal compression of a known type with or without intermediate storage. This can be done in the first and second operating mode. Any measures mentioned for one of the operating modes can also be carried out in other operating modes.
  • the present invention can also in particular include the use of further cooling media, so that in a method according to an embodiment of the invention the liquefaction is carried out using liquid air.
  • the air-fed rectification column in which a SPECTRA process is used, can be operated using a condenser evaporator in which a first and a second material stream are formed below an operating pressure level of the air-fed rectification column by evaporating liquid from the air-fed rectification column , wherein further overhead gas of the air-fed rectification column is condensed in the condenser-evaporator and returned to the air-fed rectification column as reflux.
  • Oxygen content and the second stream are formed with a second oxygen content above the first oxygen content, with the first stream or a part thereof being subjected to recompression to the first pressure level and being fed into the air-fed rectification column, and the second stream or a part thereof undergoing work-expanding expansion subjected to and discharged from the facility.
  • the invention can be used in a SPECTRA process with or without an additional oxygen column, in the latter case this oxygen column being an additional one from the air-fed rectification column fed rectification column is used and wherein bottoms liquid of the second rectification column is used to provide the oxygen product.
  • the liquid oxygen stream can be fed into the further rectification column, as a result of which further purification is possible.
  • evaporation losses from a tank can also be reduced, with oxygen evaporating in a tank in particular being fed into the main heat exchanger and/or the supercooling counterflow of the system. In particular, it is heated in the subcooling counterflow or main heat exchanger.
  • the invention also extends to a plant for providing a nitrogen product, an oxygen product and a hydrogen product, the plant being set up for the low-temperature separation of air and having a rectification column system which comprises an air-fed rectification column, a main heat exchanger and a subcooling countercurrent flow, the plant for providing of the nitrogen product is arranged to subject feed air to cryogenic rectification using the air-fed rectification column to obtain an overhead gas and to use part of the overhead gas as the nitrogen product.
  • the system comprises an electrolyzer which is set up to subject the oxygen product and the hydrogen product to water electrolysis to obtain a water-containing oxygen stream and a hydrogen stream, the system being set up to subject the water-containing oxygen stream or a part thereof to at least one To subject operating phase to obtain a liquid oxygen stream drying and then liquefaction in the main heat exchanger and to use the liquid oxygen stream or a portion thereof to provide the oxygen product.
  • Figure 1 shows a plant according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a system according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a system according to the invention with the integration of the main heat exchanger and subcooling counterflow.
  • FIG. 1 a plant 100 according to an embodiment of the invention is illustrated in the form of a schematic plant diagram.
  • the plant 100 is set up for the low-temperature separation of air and for this purpose comprises a rectification column system 10 with an air-fed rectification column 11 which is set up for nitrogen production and is operated with a condenser evaporator 13 . There is no further rectification column 12 fed from the air-fed rectification column 11 for obtaining oxygen, but it is nevertheless shown (crossed out) to illustrate the modification of a plant according to the prior art made within the scope of the invention.
  • a main air compressor 1 of the air separation plant 100 By means of a main air compressor 1 of the air separation plant 100, air is sucked in from the atmosphere and compressed via a filter that is not designated separately. After cooling in an aftercooler, also not designated separately, downstream of the main air compressor 1, the feed air stream a formed in this way is further cooled in a water-operated direct contact cooler 2. The feed air stream a is then subjected to purification in an adsorber unit 3.
  • an adsorber unit 3 for further explanations in this context, reference is made to the specialist literature, for example in connection with FIG. 2.3A in Häring (see above).
  • the feed air stream a is fed into the air-fed rectification column 11, in which the correspondingly fed-in air is rectified.
  • Top gas of the air-fed rectification column 11 is partly discharged from the air separation plant 100 in the form of a stream d as a nitrogen product or dense gas.
  • a first stream g and a second stream h are subjected to evaporation in the condenser evaporator 13 below an operating pressure level of the air-fed rectification column 11 (for this purpose, in particular, a corresponding expansion takes place in valves that are not designated separately).
  • the first stream g is formed using liquid withdrawn from the air-fed rectification column 11 having a first oxygen content
  • the second stream h is formed using liquid (especially bottoms liquid) withdrawn from the air-fed rectification column 11 having a second oxygen content above the first Oxygen content is removed formed.
  • Additional top gas from the air-fed rectification column 11 is condensed in the form of a stream i in the first condenser-evaporator 13 and returned to the air-fed rectification column 11 as reflux.
  • a part can also, as illustrated here in the form of a material flow k, be supercooled in a supercooling countercurrent 5 and made available as liquid nitrogen. Also a feed from
  • Liquid nitrogen is accordingly possible.
  • a material flow I that is heated in the process is treated as explained in more detail below.
  • a further discharge in the form of a purge flow m can also be provided.
  • a possible (further) injection of liquid nitrogen (LIN injection) is shown in the form of a material flow x.
  • gas of the first stream g is subjected to recompression to the first pressure level in a compressor 6 and fed into the air-fed rectification column 11 .
  • a part illustrated in dashed lines can also be recycled for compression in the compressor 6 .
  • Part of the stream g can also be released into the atmosphere in the form of a stream n.
  • gas of the second stream h is subjected to expansion in an expansion machine 7 coupled to the compressor 6 in the example illustrated here and, after heating in the main heat exchanger 4, is used as regeneration gas in the adsorber unit 3 or to the atmosphere delivered and thus discharged from the air separation plant 100.
  • an electrolyzer 20 in a first operating phase
  • Water electrolysis formed a hydrogen stream, not shown, and an oxygen stream o.
  • the former is provided as a hydrogen product.
  • the latter contains water due to the type of production and is therefore freed from water and other components in a dryer 21 .
  • the dryer consists, for example, of a standard pair of adsorber vessels, which are operated alternately, as indicated in Figure 3.
  • the dried oxygen flow is conducted through the main heat exchanger 4, where it is liquefied, and then in the subcooling counterflow 5 supercooled and fed into a tank unit 22 in a liquefied, supercooled state. In this way, therefore, an oxygen product is formed.
  • the oxygen stored in the tank unit can be pressurized, for example by means of pressure build-up compression, heated in the main heat exchanger 4 and thereby evaporated and made available as a corresponding (further) oxygen product.
  • FIG. 1 a system 200 according to an embodiment of the invention is illustrated in the form of a schematic system diagram.
  • the further rectification column 12 already mentioned for obtaining oxygen is present in this plant.
  • This further rectification column 12 is fed with a side stream p from the air-fed rectification column 11, which is first passed through a bottom evaporator 14 of the further rectification column 12 and liquefied therein and then fed to the further rectification column 12 in an upper region.
  • a portion of the air stream a which is illustrated here in the form of a stream b, is also conducted through the bottom evaporator 14 and is then fed into the air-fed rectification column 11 in the liquefied state.
  • Bottom liquid from the further rectification column 12 is introduced into the tank unit 23 in the form of a stream q and can be used from this as explained above for the stream o to provide the oxygen product, as illustrated with a stream q further designated by q.
  • the oxygen stream o previously liquefied in the main heat exchanger 4 and then subcooled in the subcooling counterflow 5 is fed into the further rectification column 12 for further purification.
  • the supercooling counterflow 5 could be integrated into the main heat exchanger 4 in a manner known per se.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of configuration 3 with cooling and liquefaction of the oxygen flow o in a separate heat exchanger 300.
  • the liquefied oxygen is fed into the tank unit 22 via the services 201 and 302. All other features of Figure 3 correspond to those of Figure 2.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bereitstellung eines Stickstoffprodukts, eines Sauerstoffprodukts und eines Wasserstoffprodukts vorgeschlagen, bei dem eine zur Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft eingerichtete Luftzerlegungsanlage (100, 200) mit einem Rektifikationskolonnensystem (10) verwendet wird, das eine luftgespeiste Rektifikationskolonne (11) und einen Hauptwärmetauscher umfasst, wobei die Bereitstellung des Stickstoffprodukts insbesondere umfasst, Einsatzluft unter Verwendung der luftgespeisten Rektifikationskolonne (11) unter Erhalt eines Kopfgases einer Tieftemperaturrektifikation zu unterwerfen und einen Teil des Kopfgases als das Stickstoffprodukt zu verwenden. Die Bereitstellung des Sauerstoffprodukts und des Wasserstoffprodukts umfasst, Wasser in einem Elektrolyseur (20) unter Erhalt eines wasserhaltigen Sauerstoffstroms und eines Wasserstoffstroms einer Wasserelektrolyse zu unterwerfen, wobei der wasserhaltige Sauerstoffstrom oder ein Teil hiervon zumindest in einer Betriebsphase unter Erhalt eines Flüssigsauerstoffstroms einer Trocknung (21) und danach in unvermischtem Zustand einer Verflüssigung in der Luftzerlegungsanlage unterworfen wird, und wobei der Flüssigsauerstoffstrom oder ein Teil hiervon zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts verwendet wird. Eine entsprechende Anlage ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anlage zur Bereitstellung eines Stickstoffprodukts, eines
Sauerstoffprodukts und eines Wasserstoffprodukts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Stickstoffprodukts, eines Sauerstoffprodukts und eines Wasserstoffprodukts und eine entsprechende Anlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH,
2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben. Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die herkömmlicherweise beispielsweise 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 Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Häufig werden dabei die Begriffe "Rektifikation" und "Destillation" sowie "Säule" und "Kolonne" bzw. hieraus zusammengesetzte Begriffe synonym verwendet.
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 (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 auch höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen. Insbesondere zur Versorgung von Halbleiterwerken (sogenannten Fabs) werden neben gasförmigem, hochreinem Stickstoff auch Sauerstoff und Wasserstoff benötigt. Der Stickstoff sollte typischerweise nur ca. 1 ppb, maximal 1000 ppb, Sauerstoff aufweisen, im Wesentlichen partikelfrei sein, und auf einem deutlich überatmosphärischen Druckniveau geliefert werden können. Angaben in ppb bzw. ppm beziehen sich hier auf den molaren Anteil. Der Sauerstoff sollte eine vergleichbare Reinheit aufweisen. Spezifische Anforderungsprofile sind unten erläutert.
Zur Bereitstellung von Druckstickstoff als Hauptprodukt sind aus dem Stand der Technik sogenannte SPECTRA-Verfahren bekannt. Diese werden weiter unten noch ausführlich erläutert. In einem SPECTRA-Verfahren kann zur Gewinnung von reinem oder hochreinem Sauerstoff neben einem Stickstoffprodukt insbesondere eine sogenannte Sauerstoffkolonne verwendet werden, die auf dem Druckniveau einer typischen Niederdruckkolonne oder darüber betrieben werden kann. Diese ist in einem entsprechend modifiziertem SPECTRA-Verfahren neben der zur Stickstoffgewinnung verwendeten Rektifikationskolonne vorhanden und wird aus dieser gespeist.
Während SPECTRA-Verfahren also grundsätzlich zur Bereitstellung von Stickstoff und Sauerstoff für entsprechende Anwendungen geeignet sind, ist die Bereitstellung von Sauerstoff hierbei typischerweise mit einem ausgesprochen hohen Energieaufwand verbunden. Oftmals dürfen für die Produktion von hochreinem Sauerstoff keine drehenden Maschinen eingesetzt werden, um die Reinheit des Sauerstoffs hierdurch nicht zu kompromittieren. Ein Verzicht auf entsprechende Pumpen ist in herkömmlichen SPECTRA-Verfahren aber ggf. nicht möglich. Die Bereitstellung von Wasserstoff ist mittels derartiger Anlagen ebenfalls nicht direkt möglich.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Bereitstellung eines Stickstoffprodukts, eines Sauerstoffprodukts und eines Wasserstoffprodukts, insbesondere mit den erwähnten Reinheiten und für die erwähnten Anwendungen, gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern. Offenbarung der Erfindung diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines Stickstoffprodukts, eines Sauerstoffprodukts und eines Wasserstoffprodukts und eine entsprechende Anlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung näher erläutert und nachfolgend verwendete Begriffe definiert.
Die in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring (s.o.) 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 kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem 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 kondensierenden Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des verdampfenden Fluidstroms. Der Verdampfungs- und der Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
Die vorliegende Erfindung kann insbesondere die Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem eingangs erwähnten SPECTRA-Verfahren umfassen, wie es z.B. in der EP 2 789 958 A1 und der weiteren dort zitierten Patentliteratur beschrieben ist. Es handelt sich hierbei in der einfachsten Ausgestaltung um ein Einkolonnenverfahren. Die vorliegende Erfindung kann aber auch mit beliebigen anderen Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft eingesetzt werden. Die Beschreibung eines SPECTRA-Verfahrens dient hier nur als Beispiel.
Wie erwähnt, kann in einem SPECTRA-Verfahren zusätzlich zu einer luftgespeisten Rektifikationskolonne eine ihrerseits aus der luftgespeisten Rektifikationskolonne gespeiste und zur Sauerstoffgewinnung verwendete Rektifikationskolonne eingesetzt werden. Dies ist in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ebenfalls der Fall, wohingegen andere Ausgestaltungen der Erfindung die Verwendung einer solchen Rektifikationskolonne nicht vorgesehen.
Während das SPECTRA-Verfahren also ursprünglich, und auch in entsprechenden Ausgestaltungen der Erfindung, lediglich zur Bereitstellung von gasförmigem Stickstoff auf dem Druckniveau der luftgespeisten Rektifikationskolonne vorgesehen war, ermöglicht die Verwendung einer weiteren Rektifikationskolonne der erläuterten Art, wie in entsprechenden anderen Ausgestaltungen der Erfindung der Fall, auch die zusätzliche Gewinnung von Reinsauerstoff.
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. Sie kann hierdurch in herkömmlichen Verfahren teilweise verflüssigt werden. Die Luft wird unter dem typischen Druck einer Hochdruckkolonne wie eingangs erläutert unter Erhalt des gegenüber atmosphärischer Luft an Stickstoff angereicherten Kopfgases und einer flüssigen, gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereicherten Sumpfflüssigkeit rektifiziert.
Ein Rücklauf die hierzu verwendete luftgespeiste Rektifikationskolonne wird durch Kondensieren von Kopfgas der luftgespeisten Rektifikationskolonne, genauer eines Teils dieses Kopfgases, in einem Wärmetauscher bereitgestellt. In diesem Wärmetauscher, einem Kondensatorverdampfer, wird Fluid, welches ebenfalls der luftgespeisten Rektifikationskolonne entnommen wird, zur Kühlung eingesetzt und dabei verdampft oder teilverdampft. Weiteres Kopfgas kann als stickstoffreiches Produkt bereitgestellt werden.
In einem SPECTRA-Verfahren, wie es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, werden dabei unter Verdampfung von Flüssigkeit aus der luftgespeisten Rektifikationskolonne in dem erwähnten Kondensatorverdampfer zwei Stoffströme (nachfolgend als "erster" und "zweiter" Stoffstrom bezeichnet) mit unterschiedlichen Sauerstoffgehalten gebildet, wobei der erste Stoffstrom mit einem ersten, geringeren Sauerstoffgehalt und der zweite Stoffstrom mit einem zweiten, höheren Sauerstoffgehalt gebildet werden. in einer Ausgestaltung der Erfindung kann der erste Stoffstrom dabei unter Verwendung von Flüssigkeit gebildet werden, die der luftgespeisten Rektifikationskolonne mit dem ersten Sauerstoffgehalt entnommen wird, und der zweite Stoffstrom kann unter Verwendung von Flüssigkeit gebildet wird, die der luftgespeisten Rektifikationskolonne bereits mit dem zweiten, höheren Sauerstoffgehalt entnommen wird. Die zur Bildung des ersten Stoffstroms verwendete Flüssigkeit kann in dieser Ausgestaltung aus der luftgespeisten Rektifikationskolonne von einem Zwischenboden oder aus einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung abgezogen werden. Die zur Bildung des zweiten Stoffstroms verwendete Flüssigkeit kann in dieser Ausgestaltung insbesondere zumindest ein Teil des flüssigen Sumpfprodukts der luftgespeisten Rektifikationskolonne sein.
In einer anderen Ausgestaltung kann zur Bildung des ersten und des zweiten Stoffstroms aber auch zunächst dieselbe Flüssigkeit verwendet werden, beispielsweise Sumpfflüssigkeit der luftgespeisten Rektifikationskolonne oder eine andere, aus der luftgespeisten Rektifikationskolonne entnommene Flüssigkeit. Diese kann durch den ersten Kondensatorverdampfer geführt, dabei teilverdampft, und unter Erhalt einer Gasfraktion und einer Flüssigfraktion einer Phasentrennung unterworfen werden. Der erste Stoffstrom kann in dieser Ausgestaltung mit dem ersten Sauerstoffgehalt unter Verwendung der Gasfraktion oder eines Teils hiervon gebildet werden. Der zweite Stoffstrom kann in dieser Ausgestaltung unter Verdampfung der Flüssigfraktion oder eines Teils hiervon in dem ersten Kondensatorverdampfer gebildet werden. Bei dem ersten und dem zweiten Stoffstrom handelt es sich aber in beiden Ausgestaltungen jeweils um Fluid, das zuvor in dem erwähnten Kondensatorverdampfer zur Kühlung und zur Kondensation des entsprechenden Anteils von Kopfgas der luftgespeisten Rektifikationskolonne eingesetzt wird. Allgemein kann in einem SPECTRA-Verfahren der erste Stoffstrom nach seiner Verwendung zur Kühlung in dem erwähnten Kondensatorverdampfer mittels eines Kaltverdichters zumindest zu einem Teil verdichtet und in die luftgespeiste Rektifikationskolonne zurückgeführt werden. Dies ist auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Fall. Der zweite Stoffstrom kann in einem SPECTRA- Verfahren nach seiner Verwendung zur Kühlung in dem erwähnten
Kondensatorverdampfer zumindest zu einem Teil entspannt und als ein sogenanntes Restgasgemisch aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt werden. Auch dies kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein. Für die Verdichtung des ersten Stoffstroms (oder eines entsprechenden Teils) kann bzw. können ein oder mehrere Verdichter eingesetzt werden, der oder die mit einer oder mit mehreren Entspannungsmaschinen gekoppelt ist oder sind, in der oder denen die Entspannung des zweiten Stoffstroms (oder eines entsprechenden Teils) vorgenommen wird. Es versteht sich, dass jeweils auch nur Teile des ersten bzw. zweiten Stoffstroms in den entsprechend gekoppelten Einheiten verdichtet bzw. entspannt werden können. Eine nicht mit einem entsprechenden Verdichter gekoppelte Entspannungsmaschine kann, falls vorhanden, insbesondere mechanisch und/oder generatorisch gebremst werden. Eine Bremsung ist auch bei einer Entspannungsmaschine möglich, die mit einem Verdichter gekoppelt ist. Beliebige Varianten der Entspannung und Rückverdichtung können vorgesehen sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
In den gemäß einer Variante der Erfindung verwendeten SPECTRA- Verfahren mit Sauerstoffgewinnung in einer aus der luftgespeisten Rektifikationskolonne gespeisten weiteren Rektifikationskolonne ist im unteren Bereich der zweiten Rektifikationskolonne typischerweise ein weiterer Kondensatorverdampfer vorhanden, der zum Aufkochen von Sumpfflüssigkeit der weiteren Rektifikationskolonne verwendet wird. Dieser wird herkömmlicherweise mit (zumindest) im Hauptluftverdichter verdichteter und im Hauptwärmetauscher abgekühlter Luft (Einsatzluft) betrieben, welche der ersten Rektifikationskolonne zugeführt wird. Insbesondere kann es sich hierbei auch um zunächst gasförmig vorliegende Luft handeln, welche in dem weiteren Kondensatorverdampfer verflüssigt wird, bevor sie in die luftgespeiste Rektifikationskolonne eingespeist wird. Es handelt sich um einen Teil der der ersten Rektifikationskolonne insgesamt zugeführten Einsatzluft. Weitere (gasförmige)
Einsatzluft kann in die luftgespeiste Rektifikationskolonne ohne eine entsprechende Verflüssigung eingespeist werden. Auch bezüglich der Speisung der luftgespeisten Rektifikationskolonne und des Betriebs des weiteren Kondensatorverdampfers sind Varianten einsetzbar, ohne jeweils den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, zur Versorgung entsprechender Verbraucher die Produktion von Wasserstoff am gleichen Standort wie die Produktion von Stickstoff durch eine kryogene Luftzerlegung stattfinden zu lassen. Der bei der Herstellung von Wasserstoff anfallende Sauerstoff wird dabei von Wasser und ggf. von anderen Komponenten wie Wasserstoff befreit und anschließend, wie nachfolgend noch im Detail erläutert, in der am gleichen Standort vorhandenen Luftzerlegungsanlage verflüssigt und gegebenenfalls in einem in der Luftzerlegungsanlage vorhandenen Unterkühlungsgegenströmer unterkühlt. Der auf diese Weise erhaltene
Flüssigsauerstoff kann flüssig gespeichert werden. Auch eine Druckerhöhung mittels Druckaufbauverdampfung, einer kryogenen Pumpe und dergleichen sowie eine anschließende Verdampfung im Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage (insbesondere nach Art einer bekannten Innenverdichtung) kann vorgesehen sein. Der Sauerstoffstrom aus der Elektrolyse wird dabei vor seiner Verflüssigung und in der Regel auch nach seiner Verflüssigung nicht mit einem Prozessstrom der Luftzerlegung vermischt. Ein "Prozessstrom der Luftzerlegung" ist ein aus der Einsatzluft abgeleiteter Strom, zum Beispiel ein Stickstoff- oder Unreinsauerstoffprodukt. Der Sauerstoffstrom aus der Elektrolyse stellt also hier keinen Prozessstrom der Luftzerlegung dar. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Verflüssigung des Elektrolyse-Sauerstoffs wird nicht in den Tieftemperaturtrennprozess der Luftzerlegung eingegriffen, vielmehr findet vorzugweise keinerlei Vermischung des Sauerstoffstroms aus der Elektrolyse mit irgendeinem Prozessstrom der Luftzerlegung. Die Luftzerlegungsanlage liefert lediglich die Verflüssigungskälte, trägt aber nicht zur Reinigung des Sauerstoffs aus der Elektrolyse bei.
Die vorliegende Erfindung macht sich dabei zunutze, dass bei der Herstellung von Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse hochreiner Sauerstoff gewonnen werden kann, welcher hauptsächlich nur noch mit Wasser verunreinigt ist und der insbesondere nicht durch Vermischen mit einem unreineren Sauerstoffprodukt kontaminiert wird.
Durch das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitstellbare Produktspektrum können die für die erwähnten Fabs geforderten Mengenanteile an Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff in besonders vorteilhafter Weise bereitgestellt werden.
Typischerweise werden in derartigen Fabs ca. 0,75% der Stickstoffmenge an hochreinem Sauerstoff und 1 ,50% an Wasserstoff benötigt, d.h. der Bedarf an Sauerstoff und Wasser liegt ca. im Verhältnis von 1 zu 2. Dies entspricht genau den Mengenanteilen, wie sie in einer Wasserelektrolyse erhalten werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ggf. zusätzlich bereitgestellter hochreiner Sauerstoff kann beispielsweise auf dem Markt verkauft werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht insgesamt eine Reduzierung des Gesamtenergiebedarfs und des Kapitalaufwandes zur Produktion von Stickstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffprodukten der erläuterten Art. Insbesondere kann die Luftzerlegungsanlage dabei auch lastflexibel betrieben werden. Beispielsweise kann dann, wenn kein Sauerstoff verflüssigt, sondern nur aus einem Tank entnommen wird, auch flüssiger Stickstoff produziert werden, oder es ist möglich, flüssigen Stickstoff in die Anlage einzuspeisen, um gasförmigen Sauerstoff zu verflüssigen. Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung dabei, im Sprachgebrauch der Patentansprüche, ein Verfahren zur Bereitstellung eines Stickstoffprodukts, eines Sauerstoffprodukts und eines Wasserstoffprodukts vor, bei dem eine zur Tieftemperaturzerlegung von Luft eingerichtete Anlage mit einem Rektifikationskolonnensystem verwendet wird, das eine luftgespeiste
Rektifikationskolonne, einen Hauptwärmetauscher und gegebenenfalls einen Unterkühlungsgegenströmer umfasst. Hauptwärmetauscher und Unterkühlungsgegenströmer können in einem Apparat als kombinierter Hauptwärmetauscher-Unterkühler zusammengefasst sein. Wie erwähnt, kann die Anlage insbesondere zur Durchführung eines SPECTRA-Verfahrens eingerichtet sein, dies ist jedoch keine zwingende Voraussetzung.
Unter "Hauptwärmetauscher" wird hier ein Apparat verstanden, in dem Einsatzluft auf etwa Taupunkt abgekühlt wird. Der Hauptwärmetauscher kann aus mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Blöcken bestehen.
Die Bereitstellung des Stickstoffprodukts umfasst, Einsatzluft unter Verwendung des Rektifikationskolonnensystems einer Tieftemperaturrektifikation zu unterwerfen und dem Rektifikationskolonnensystem das Stickstoffprodukt oder ein Vorläuferprodukt zu entnehmen.
Der Begriff "Vorläuferprodukt" soll hier insbesondere ein Stoffgemisch oder einen Reinstoff bezeichnen, unter Verwendung dessen das eigentliche Produkt gebildet wird, wobei die Bildung beispielsweise eine weitere Aufreinigung, Druckbeaufschlagung, Erwärmung, Abkühlung, Rektifikation, Vermischung oder Abtrennung von Fraktionen oder Anteilen umfassen kann.
Kommt im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein SPECTRA-Verfahren zum Einsatz, was optional der Fall sein kann, wird Einsatzluft unter Verwendung der luftgespeisten Rektifikationskolonne unter Erhalt eines Kopfgases der Tieftemperaturrektifikation unterworfen und ein Teil des Kopfgases wird als das Stickstoffprodukt oder ein Vorläuferprodukt des Stickstoffprodukts verwendet.
Die Bereitstellung des Sauerstoffprodukts und des Wasserstoffprodukts umfasst dagegen erfindungsgemäß, Wasser in einem Elektrolyseur unter Erhalt eines wasserhaltigen Sauerstoffstroms und eines Wasserstoffstroms einer Wasserelektrolyse zu unterwerfen, wobei der wasserhaltige Sauerstoffstrom oder ein Teil hiervon zumindest in einer Betriebsphase unter Erhalt eines Flüssigsauerstoffstroms einer Trocknung und danach einer Verflüssigung in dem Hauptwärmetauscher unterworfen wird, und wobei der Flüssigsauerstoffstrom oder ein Teil hiervon zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts verwendet wird. Details und erfindungsgemäße Ausgestaltungen werden nachfolgend erläutert. Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen wurden bereits oben erläutert. Im Rahmen der Erfindung sind folgende Konfigurationen der Sauerstoffverflüssigung möglich:
Konfiguration 1 (nur Hauptwärmetauscher)
- Abkühlung im warmen Teil des Hauptwärmetauschers Vollständige Verflüssigung im kalten Teil des Hauptwärmetauschers
Konfiguration 2 (nur Unterkühlungsgegenströmer)
- Abkühlung und vollständige Verflüssigung Unterkühlungsgegenströmer Konfiguration 3 (Hauptwärmetauscher und Unterkühlungsgegenströmer)
- 3a: Abkühlung und vollständige Verflüssigung im Hauptwärmetauscher - anschließend Unterkühlung im Unterkühlungsgegenströmer
- 3b: Abkühlung und teilweise Verflüssigung im Hauptwärmetauscher - anschließend weitere Verflüssigung und dann Unterkühlung im Unterkühlungsgegenströmer 3c: Nur Abkühlung im Hauptwärmtauscher - anschließend Verflüssigung und dann
Unterkühlung im Unterkühlungsgegenströmer
In den Konfigurationen 1 bis 3c können Hauptwärmetauscher und Unterkühlungsgegenströmer als separate Apparate realisiert sein oder alternativ als kombinierter Hauptwärmetauscher-Unterkühler.
Durch den Unterkühlungsgegenströmer fließen zum Beispiel außer dem Sauerstoffstrom aus der Elektrolyse außerdem eine Flüssigkeit, die aus dem Destilliersystem entnommen, in dem Unterkühlungsgegenströmer abgekühlt und wieder in das Destilliersystem eingeleitet wird, und Gas, das aus dem Rektifikationskolonnensystem entnommen und in dem Unterkühlungsgegenströmer angewärmt wird.
Konfiguration 4 (nur separater Wärmetauscher) - Abkühlung im warmen Teil des separaten Wärmetauschers
- Vollständige Verflüssigung im kalten Teil des Hauptwärmetauschers
Konfiguration 5 (separater Wärmetauscher und Unterkühlungsgegenströmer)
- 3a: Abkühlung und vollständige Verflüssigung im separaten Wärmetauscher - anschließend Unterkühlung im Unterkühlungsgegenströmer
- 3b: Abkühlung und teilweise Verflüssigung im separaten Wärmetauscher - anschließend weitere Verflüssigung und dann Unterkühlung im Unterkühlungsgegenströmer
- 3c: Nur Abkühlung im separaten Wärmetauscher - anschließend Verflüssigung und dann Unterkühlung im Unterkühlungsgegenströmer
Als Kältemittel in dem separaten Wärmetauscher werden vorzugsweise ein oder mehrere Prozessströme der Luftzerlegung eingesetzt, beispielsweise Luft, Stickstoff oder Sauerstoff. Sie entziehen durch indirekten Wärmeaustausch Wärme dem Sauerstoffstrom aus der Elektrolyse. Der separate Wärmetauscher kann beispielsweise luftseitig dem Hauptwärmetauscher parallel geschaltet sein
In den separaten Wärmetauscher wird der Sauerstoff aus der Elektrolyse vorzugsweise in indirektem Wärmeaustausch mit einem flüssigen Kältestrom verflüssigt, der einen Stickstoffgehalt von mehr als 30 mol-% aufweist, wobei der Kältestrom verdampft wird. Durch den separaten Wärmetauscher strömt vorzugsweise kein dritter Prozessstrom.
Die vorliegende Erfindung kann umfassen, den zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts gebildeten Flüssigsauerstoffstrom durch ein Unterkühlen in dem Unterkühlungsgegenströmer als unterkühlten Flüssigsauerstoffstrom zu bilden. In diesem Fall wird der Sauerstoffstrom aus der Elektrolyse im Hauptwärmetauscher abgekühlt und vollständig oder teilweise verflüssigt; im Falle der teilweisen Verflüssigung wird die Verflüssigung im Unterkühlungsgegenströmer zunächst vervollständigt und anschließend wird die Flüssigkeit unterkühlt. Alternativ ist auch möglich, den Flüssigsauerstoffstrom lediglich durch Führen durch den Hauptwärmetauscher entsprechend abzukühlen bzw. zu unterkühlen, insbesondere, wenn dieser auf einem überatmosphärischen Druckniveau vorliegt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der wasserhaltige Sauerstoffstrom unter Verwendung einer Niederdruckelektrolyse bereitgestellt werden. Alternativ dazu ist auch die Bereitstellung unter Verwendung einer Hochdruckelektrolyse möglich. Die Wasserelektrolyse kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung dabei beispielsweise in Form einer alkalischen Elektrolyse (AEL) oder einer Elektrolyse an einer Protonenaustauschmembran (PEM) oder Anionenaustauschmembran (AEM) durchgeführt werden. Bei beiden Verfahren handelt es sich um
Niedertemperaturelektrolysen, die typischerweise mit Betriebstemperaturen von unter 60 °C eingesetzt werden können. Auch Hochtemperaturelektrolyseverfahren, beispielsweise unter Verwendung von Festoxid-Elektrolysezellen (engl solid oxide electrolysis cell; SOEC), werden zur Elektrolyse, beispielsweise von Wasser und/oder Kohlenstoffdioxid, verwendet und können im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Zu sämtlichen Verfahren sei auf einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Je nach dem Druckniveau, auf dem die Verflüssigung in dem Hauptwärmetauscher erfolgen soll, und dem Druckniveau der Wasserelektrolyse kann der wasserhaltige Sauerstoffstrom oder ein Teil hiervon nach der Trocknung und vor der der Verflüssigung in dem Hauptwärmetauscher einer Verdichtung unterworfen werden.
Die Bereitstellung des Sauerstoffprodukts kann insbesondere eine (weitere) Aufreinigung, insbesondere eine Rektifikation zur Abreicherung an Argon, umfassen, welcher insbesondere der verdampfte Flüssigsauerstoff unterworfen werden kann.
Wie erwähnt, kann die vorliegende Erfindung insbesondere einen lastflexiblen Betrieb ermöglichen. Mit anderen Worten kann der Flüssigsauerstoffstrom in einer Ausgestaltung der Erfindung nur in einer ersten Betriebsphase gebildet werden, wobei der Flüssigsauerstoffstrom in der ersten Betriebsphase zur späteren Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zwischengespeichert werden kann, und wobei in einer zweiten Betriebsphase das Sauerstoffprodukt unter Verwendung des zwischengespeicherten Flüssigsauerstoffstroms oder eines Teils hiervon unter Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher als ein gasförmiges, druckbeaufschlagtes Sauerstoffprodukt erhalten werden kann. Insbesondere kann hierbei in der zweiten Betriebsphase ein gasförmiger Stickstoffstrom unter Erhalt eines Flüssigstickstoffstroms einer Verflüssigung in dem Hauptwärmetauscher unterworfen werden, und der Flüssigstickstoffstrom oder ein Teil hiervon kann als das oder ein weiteres Stickstoffprodukt verwendet oder zur späteren Bereitstellung des oder eines weiteren Stickstoffprodukts zwischengespeichert werden. Es ist auch möglich, den Flüssigstickstoffstrom ohne oder mit Zwischenspeicherung einer Innenverdichtung bekannter Art zu unterwerfen. Dies kann in dem ersten und zweiten Betriebsmodus erfolgen. Beliebige, für einen der Betriebsmodi genannte Maßnahmen können auch in anderen Betriebsmodi erfolgen.
Die vorliegende Erfindung kann auch insbesondere die Verwendung weiterer Kühlmedien umfassen, so dass in einem Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Verflüssigung unter Verwendung von Flüssigluft durchgeführt wird.
Die luftgespeiste Rektifikationskolonne kann in einer Ausgestaltung der Erfindung, bei der ein SPECTRA-Verfahren eingesetzt wird, unter Verwendung eines Kondensatorverdampfers betrieben werden, in dem unter Verdampfung von Flüssigkeit aus der luftgespeisten Rektifikationskolonne ein erster und ein zweiter Stoffstrom unterhalb eines Betriebsdruckniveaus der luftgespeisten Rektifikationskolonne gebildet werden, wobei weiteres Kopfgas der luftgespeisten Rektifikationskolonne in dem Kondensatorverdampfer kondensiert und als Rücklauf auf die luftgespeiste Rektifikationskolonne zurückgeführt wird. Ferner kann in dieser Ausgestaltung der erste Stoffstrom mit einem ersten
Sauerstoffgehalt und der zweite Stoffstrom mit einem zweiten Sauerstoffgehalt oberhalb des ersten Sauerstoffgehalts gebildet werden, wobei der erste Stoffstrom oder ein Teil hiervon einer Rückverdichtung auf das erste Druckniveau unterworfen und in die luftgespeiste Rektifikationskolonne eingespeist wird, und der zweite Stoffstrom oder ein Teil hiervon einer arbeitsleistenden Entspannung unterworfen und aus der Anlage ausgeleitet wird.
Die Erfindung kann, wie erwähnt, in einem SPECTRA-Verfahren ohne oder mit einer zusätzlichen Sauerstoffkolonne eingesetzt werden, wobei im letzterem Fall diese Sauerstoffkolonne als eine weitere, aus der luftgespeisten Rektifikationskolonne gespeiste Rektifikationskolonne verwendet wird, und wobei Sumpfflüssigkeit der zweiten Rektifikationskolonne zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts verwendet wird. Der Flüssigsauerstoffstrom kann in die weitere Rektifikationskolonne eingespeist werden, wodurch eine weitere Aufreinigung möglich ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch Verdampfungsverluste aus einem Tank reduziert werden, wobei insbesondere in einem Tank verdampfender Sauerstoff in den Hauptwärmetasucher und/oder den Unterkühlungsgegenströmer der Anlage eingespeist wird. Er wird insbesondere in dem Unterkühlungsgegenströmer oder Hauptwärmetauscher angewärmt.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anlage zur Bereitstellung eines Stickstoffprodukts, eines Sauerstoffprodukts und eines Wasserstoffprodukts, wobei die Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft eingerichtet ist und ein Rektifikationskolonnensystem aufweist, das eine luftgespeiste Rektifikationskolonne, einen Hauptwärmetauscher und einen Unterkühlungsgegenströmer umfasst, wobei die Anlage zur Bereitstellung des Stickstoffprodukts dafür eingerichtet ist, Einsatzluft unter Verwendung der luftgespeisten Rektifikationskolonne unter Erhalt eines Kopfgases einer Tieftemperaturrektifikation zu unterwerfen und einen Teil des Kopfgases als das Stickstoffprodukt zu verwenden.
Erfindungsgemäß umfasst die Anlage einen Elektrolyseur, der dafür eingerichtet ist, für die Bereitstellung des Sauerstoffprodukts und des Wasserstoffprodukts unter Erhalt eines wasserhaltigen Sauerstoffstroms und eines Wasserstoffstroms einer Wasserelektrolyse zu unterwerfen, wobei die Anlage dafür eingerichtet ist, den wasserhaltigen Sauerstoffstrom oder ein Teil hiervon zumindest in einer Betriebsphase unter Erhalt eines Flüssigsauerstoffstroms einer Trocknung und danach einer Verflüssigung in dem Hauptwärmetauscher zu unterwerfen und den Flüssigsauerstoffstrom oder einen Teil hiervon zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zu verwenden.
Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage, die insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, wie es zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde, und entsprechende vorrichtungsmäßig realisierte Mittel aufweist, sei auf die obigen Erläuterungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 zeigt eine Anlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes System mit Integration von Hauptwärmetauscher und Unterkühlungsgegenströmer.
In den Figuren sind einander baulich und/oder funktional entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden lediglich der Übersichtlichkeit halber nachfolgend nicht wiederholt erläutert.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist eine Anlage 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht.
Die Anlage 100 ist zur Tieftemperaturzerlegung von Luft eingerichtet und umfasst dazu ein Rektifikationskolonnensystem 10 mit einer luftgespeisten Rektifikationskolonne 11 , die zur Stickstoffgewinnung eingerichtet ist und mit einem Kondensatorverdampfer 13 betrieben wird. Eine weitere, aus der luftgespeisten Rektifikationskolonne 11 gespeiste Rektifikationskolonne 12 zur Gewinnung von Sauerstoff ist nicht vorhanden, aber zur Veranschaulichung der im Rahmen der Erfindung vorgenommenen Modifikation einer Anlage gemäß dem Stand der Technik dennoch (durchkreuzt) dargestellt.
Mittels eines Hauptluftverdichters 1 der Luftzerlegungsanlage 100 wird über ein nicht gesondert bezeichnetes Filter Luft aus der Atmosphäre angesaugt und verdichtet. Nach Kühlung in einem ebenfalls nicht gesondert bezeichneten Nachkühler stromab des Hauptluftverdichters 1 erfolgt eine weitere Kühlung des auf diese Weise gebildeten Einsatzluftstroms a in einem mit Wasser betriebenen Direktkontaktkühler 2. Der Einsatzluftstrom a wird sodann einer Reinigung in einer Adsorbereinheit 3 unterworfen. Zu weiteren Erläuterungen in diesem Zusammenhang sei auf die Fachliteratur, beispielsweise im Zusammenhang mit Figur 2.3A bei Häring (s.o.) verwiesen.
Nach einer Abkühlung im Hauptwärmetauscher 4 erfolgt eine Einspeisung des Einsatzluftstroms a in die luftgespeiste Rektifikationskolonne 11 , in der die entsprechend eingespeiste Luft rektifiziert wird. Kopfgas der luftgespeisten Rektifikationskolonne 11 wird zum Teil in Form eines Stoffstroms d als Stickstoffprodukt bzw. Dichtgas aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet.
In dem Kondensatorverdampfer 13 werden in der hier veranschaulichten spezifischen Ausgestaltung ein erster Stoffstrom g und ein zweiter Stoffstrom h unterhalb eines Betriebsdruckniveaus der luftgespeisten Rektifikationskolonne 11 (hierzu erfolgt insbesondere eine entsprechende Entspannung in nicht gesondert bezeichneten Ventilen) einer Verdampfung unterworfen. Der erste Stoffstrom g wird unter Verwendung von Flüssigkeit, die der luftgespeisten Rektifikationskolonne 11 mit einem ersten Sauerstoffgehalt entnommen wird, gebildet und der zweite Stoffstrom h wird unter Verwendung von Flüssigkeit (insbesondere Sumpfflüssigkeit), die der luftgespeisten Rektifikationskolonne 11 mit einem zweiten Sauerstoffgehalt oberhalb des ersten Sauerstoffgehalts entnommen wird, gebildet.
Weiteres Kopfgas der luftgespeisten Rektifikationskolonne 11 wird in Form eines Stoffstroms i in dem ersten Kondensatorverdampfer 13 kondensiert und als Rücklauf auf die luftgespeiste Rektifikationskolonne 11 zurückgeführt. Ein Teil kann auch, wie hier in Form eines Stoffstroms k veranschaulicht, in einem Unterkühlungsgegenströmer 5 unterkühlt und als Flüssigstickstoff bereitgestellt werden. Auch eine Einspeisung von
Flüssigstickstoff ist entsprechend möglich. Ein dabei erwärmter Stoffstrom I wird wie unten näher erläutert behandelt. Auch eine weitere Ausleitung in Form eines Purgestroms m kann vorgesehen sein. Eine mögliche (weitere) Einspeisung von Flüssigstickstoff (LIN-Injection) ist in Form eines Stoffstroms x dargestellt. Gas des ersten Stoffstroms g wird nach dessen Verdampfung oder Teilverdampfung in dem ersten Kondensatorverdampfer 13 einer Rückverdichtung auf das erste Druckniveau in einem Verdichter 6 unterworfen und in die luftgespeiste Rektifikationskolonne 11 eingespeist. Ein gestrichelt veranschaulichter Teil kann auch zur Verdichtung in dem Verdichter 6 zurückgeführt werden. Ein Teil des Stoffstroms g kann auch in Form eines Stoffstroms n an die Atmosphäre abgegeben werden.
Gas des zweiten Stoffstroms h wird nach dessen Verdampfung oder Teilverdampfung in dem ersten Kondensatorverdampfer 13 im hier veranschaulichten Beispiel einer Entspannung in einer mit dem Verdichter 6 gekoppelten Entspannungsmaschine 7 unterworfen und nach Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher 4 als Regeneriergas in der Adsorbereinheit 3 verwendet oder an die Atmosphäre abgegeben und damit aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet. In einem Elektrolyseur 20 werden in einer ersten Betriebsphase durch
Wasserelektrolyse ein nicht dargestellter Wasserstoffstrom und ein Sauerstoffstrom o gebildet. Ersterer wird als Wasserstoffprodukt bereitgestellt. Letzterer ist durch die Herstellungsart wasserhaltig und wird daher in einem Trockner 21 von Wasser und anderen Komponenten befreit. (Der Trockner besteht zum Beispiel aus einem üblichen Paar von Adsorberbehältern, die im Wechsel betrieben werden, wie es in Figur 3 angedeutet ist.) Der weiter mit o bezeichnete, getrocknete Sauerstoffstrom wird durch den Hauptwärmetauscher 4 geführt, dort verflüssigt, anschließend in dem Unterkühlungsgegenströmer 5 unterkühlt und in verflüssigtem, unterkühlten Zustand in eine Tankeinheit 22 eingespeist. Auf diese Weise wird also ein Sauerstoffprodukt gebildet.
Bei Bedarf, insbesondere in einer zweiten Betriebsphase, kann der in der Tankeinheit gespeicherte Sauerstoff, wie hier weiter mit einem Sauerstoffstrom o veranschaulicht, beispielsweise mittels einer Druckaufbauverdichtung druckbeaufschlagt, im Hauptwärmetauscher 4 erwärmt und dabei verdampft und als entsprechendes (weiteres) Sauerstoffprodukt bereitgestellt werden.
Alternativ könnte in Figur 1 der Unterkühlungsgegenströmer 5 in an sich bekannter Weise in den Hauptwärmetauscher 4 integriert sein. In Figur 2 ist eine Anlage 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht.
In dieser Anlage ist die bereits erwähnte weitere Rektifikationskolonne 12 zur Sauerstoffgewinnung vorhanden. Diese weitere Rektifikationskolonne 12 wird mit einem Seitenstrom p der luftgespeisten Rektifikationskolonne 11 gespeist, der zunächst durch einen Sumpfverdampfer 14 der weiteren Rektifikationskolonne 12 geführt und darin verflüssigt und danach in einem oberen Bereich auf die weitere Rektifikationskolonne 12 aufgegeben wird.
Durch den Sumpfverdampfer 14 wird ferner ein Anteil des Luftstroms a geführt, der hier in Form eines Stoffstroms b veranschaulicht ist, und der anschließend in verflüssigtem Zustand in die luftgespeiste Rektifikationskolonne 11 eingespeist wird. Sumpfflüssigkeit der weiteren Rektifikationskolonne 12 wird in Form eines Stoffstroms q in die Tankeinheit 23 eingeleitet und kann aus dieser wie zuvor für den Stoffstrom o erläutert zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts verwendet werden, wie mit einem weiter mit q bezeichneten Stoffstrom q veranschaulicht. Der zuvor im Hauptwärmetauscher 4 verflüssigte und danach im Unterkühlungsgegenströmer 5 unterkühlte Sauerstoffstrom o wird zur weiteren Reinigung in die weitere Rektifikationskolonne 12 eingespeist.
Alternativ könnte in Figur 2 der Unterkühlungsgegenströmer 5 in an sich bekannter Weise in den Hauptwärmetauscher 4 integriert sein.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Konfiguration 3 mit Abkühlung und Verflüssigung des Sauerstoffstroms o in einem separaten Wärmetauscher 300. der verflüssigte Sauerstoff wird über die Leistungen 201 und 302 in die Tankeinheit 22 eingespeist. Alle übrigen Merkmale der Figur 3 entsprechen denen der Figur 2.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bereitstellung eines Stickstoffprodukts, eines Sauerstoffprodukts und eines Wasserstoffprodukts, bei dem eine zur Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft eingerichtete Luftzerlegungsanlage (100, 200) mit einem Rektifikationskolonnensystem (10) verwendet wird, das eine luftgespeiste Rektifikationskolonne (11), und einen Hauptwärmetauscher (4) zur Abkühlung der Einsatzluft umfasst, wobei die Bereitstellung des Stickstoffprodukts umfasst, Einsatzluft unter Verwendung des Rektifikationskolonnensystems (10) einer Tieftemperaturrektifikation zu unterwerfen und dem Rektifikationskolonnensystem (10) das Stickstoffprodukt oder ein Vorläuferprodukt hiervon zu entnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des Sauerstoffprodukts und des Wasserstoffprodukts umfasst, Wasser in einem Elektrolyseur (20) unter Erhalt eines wasserhaltigen Sauerstoffstroms und eines Wasserstoffstroms einer Wasserelektrolyse zu unterwerfen, wobei der wasserhaltige Sauerstoffstrom oder ein Teil hiervon zumindest in einer Betriebsphase unter Erhalt eines Flüssigsauerstoffstroms einer Trocknung (21) und ggf. weiteren Aufreinigungsschritten unterworfen wird und der getrocknete Sauerstoffstrom danach in die Luftzerlegungsanlage eingeleitet wird, ohne mit einem Prozessstrom der Luftzerlegungsanlage vermischt zu werden, und in der Luftzerlegungsanlage in unvermischtem Zustand einer Verflüssigung (4) unterworfen wird, und wobei der hierbei erzeugte Flüssigsauerstoffstrom oder ein Teil hiervon zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Verflüssigung des getrockneten Sauerstoffstroms in dem Hauptwärmetauscher (4), einem Unterkühlungsgegenströmer (5) der Luftzerlegung, in dem Unterkühlungsteil eines kombinierten Hauptwärmetauscher-Unterkühlers oder in einem von Hauptwärmtauscher und gegebenenfalls Unterkühlungsgegenströmer unabhängigen separaten Wärmetauscher der Luftzerlegungsanlage durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Einsatzluft unter Verwendung der luftgespeisten Rektifikationskolonne (11) unter Erhalt eines Kopfgases der Tieftemperaturrektifikation unterworfen wird, wobei ein Teil des Kopfgases als das Stickstoffprodukt oder ein Vorläuferprodukt des Stickstoffprodukts verwendet wird, wobei unter Verdampfung von Flüssigkeit aus der luftgespeisten Rektifikationskolonne (11) in einem Kondensatorverdampfer (13) zwei Stoffströme mit unterschiedlichen Sauerstoffgehalten gebildet werden, und wobei ein weiterer Teil des Kopfgases in dem Kondensatorverdampfer (13) kondensiert und auf die luftgespeiste Rektifikationskolonne (11) zurückgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der wasserhaltige Sauerstoffstrom unter Verwendung einer Elektrolyse, insbesondere einer Hochdruckelektrolyse, bereitgestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der wasserhaltige Sauerstoffstrom oder ein Teil hiervon nach der Trocknung (21) und vor der Verflüssigung in dem Hauptwärmetauscher (4) einer Verdichtung unterworfen wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Bereitstellung des Sauerstoffprodukts eine Aufreinigung, insbesondere eine Rektifikation zur Abreicherung an Argon, umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der
Flüssigsauerstoffstrom nur in einer ersten Betriebsphase gebildet wird, wobei der Flüssigsauerstoffstrom in der ersten Betriebsphase zur späteren Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zwischengespeichert wird, und wobei in einer zweiten Betriebsphase das Sauerstoffprodukt unter Verwendung des zwischengespeicherten Flüssigsauerstoffstroms oder eines Teils hiervon unter
Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher (4) als ein gasförmiges, druckbeaufschlagtes Sauerstoffprodukt erhalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem in der zweiten Betriebsphase ein gasförmiger Stickstoffstrom unter Erhalt eines Flüssigstickstoffstroms einer Verflüssigung in dem Hauptwärmetauscher (4) unterworfen wird, und wobei der Flüssigstickstoffstrom oder ein Teil hiervon als das oder ein weiteres Stickstoffprodukt verwendet oder zur späteren Bereitstellung des oder eines weiteren Stickstoffprodukts zwischengespeichert wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüchen, bei dem die Verflüssigung unter Verwendung von Flüssigluft durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die luftgespeiste Rektifikationskolonne (11) unter Verwendung eines Kondensatorverdampfers (13) betrieben wird, in dem unter Verdampfung von Flüssigkeit aus der luftgespeisten Rektifikationskolonne (11) ein erster und ein zweiter Stoffstrom unterhalb eines Betriebsdruckniveaus der luftgespeisten Rektifikationskolonne (11) gebildet werden, wobei weiteres Kopfgas der luftgespeisten Rektifikationskolonne (11) in dem Kondensatorverdampfer (13) kondensiert und als Rücklauf auf die luftgespeiste Rektifikationskolonne (11) zurückgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der erste Stoffstrom mit einem ersten Sauerstoffgehalt und der zweite Stoffstrom mit einem zweiten Sauerstoffgehalt oberhalb des ersten Sauerstoffgehalts gebildet werden, wobei der erste Stoffstrom oder ein Teil hiervon einer Rückverdichtung auf das erste Druckniveau unterworfen und in die luftgespeiste Rektifikationskolonne (11) eingespeist wird, und der zweite Stoffstrom oder ein Teil hiervon einer arbeitsleistenden Entspannung unterworfen und aus der Anlage (100, 200) ausgeleitet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem eine weitere, aus der luftgespeisten Rektifikationskolonne (11) gespeiste Rektifikationskolonne (12) verwendet wird, wobei Sumpfflüssigkeit der zweiten Rektifikationskolonne (12) zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Flüssigsauerstoffstrom in die weitere Rektifikationskolonne (12) eingespeist wird.
14. Anlage (100, 200) zur Bereitstellung eines Stickstoffprodukts, eines Sauerstoffprodukts und eines Wasserstoffprodukts, wobei die Anlage (100, 200) eine Luftzerlegungsanlage zur Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft umfasst, die wiederum ein Rektifikationskolonnensystem (10) aufweist, das eine luftgespeiste Rektifikationskolonne (11), einen Hauptwärmetauscher (4) zur Abkühlung der Einsatzluft umfasst, wobei die Anlage zur Bereitstellung des Stickstoffprodukts dafür eingerichtet ist, Einsatzluft unter Verwendung des Rektifikationskolonnensystems (10) einer Tieftemperaturrektifikation zu unterwerfen und das Stickstoffprodukt oder ein Vorläuferprodukt hiervon dem Rektifikationskolonnensystem (10) zu entnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (100, 200) einen Elektrolyseur (20) umfasst, der dafür eingerichtet ist, für die Bereitstellung des Sauerstoffprodukts und des Wasserstoffprodukts unter Erhalt eines wasserhaltigen Sauerstoffstroms und eines Wasserstoffstroms einer Wasserelektrolyse zu unterwerfen, und wobei die Anlage (100, 200) dafür eingerichtet ist, den wasserhaltigen Sauerstoffstrom oder ein Teil hiervon zumindest in einer Betriebsphase unter Erhalt eines Flüssigsauerstoffstroms und ohne Vermischung mit einem Prozessstrom der Luftzerlegungsanlage einer
Trocknung (21) und danach in unvermischtem Zustand einer Verflüssigung in der Luftzerlegungsanlage zu unterwerfen und den hierbei erzeugten Flüssigsauerstoffstrom oder einen Teil hiervon zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zu verwenden.
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