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EP2906889A2 - Verfahren und anlage zur erzeugung flüssiger und gasförmiger sauerstoffprodukte durch tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

Verfahren und anlage zur erzeugung flüssiger und gasförmiger sauerstoffprodukte durch tieftemperaturzerlegung von luft

Info

Publication number
EP2906889A2
EP2906889A2 EP13755972.0A EP13755972A EP2906889A2 EP 2906889 A2 EP2906889 A2 EP 2906889A2 EP 13755972 A EP13755972 A EP 13755972A EP 2906889 A2 EP2906889 A2 EP 2906889A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
column
air
separation
pressure
expansion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP13755972.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2906889B1 (de
Inventor
Tobias Lautenschlager
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP13755972.0A priority Critical patent/EP2906889B1/de
Priority to PL13755972T priority patent/PL2906889T3/pl
Publication of EP2906889A2 publication Critical patent/EP2906889A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2906889B1 publication Critical patent/EP2906889B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F25J3/04078—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
    • F25J3/0409—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression of oxygen
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    • F25J3/04175—Hot end purification of the feed air by adsorption of the impurities at a pressure of substantially more than the highest pressure column
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    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
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    • F25J3/04296—Claude expansion, i.e. expanded into the main or high pressure column
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    • F25J3/0446—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using the heat generated by mixing two different phases
    • F25J3/04466—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using the heat generated by mixing two different phases for producing oxygen as a mixing column overhead gas by mixing gaseous air feed and liquid oxygen

Definitions

  • the invention relates to a process for producing liquid and gaseous
  • oxygen products are usually carried out by cryogenic separation of air in air separation plants with distillation column systems known per se. These can be used as two-pillar systems, especially as classical
  • Double column systems but also be designed as a three or more pillar systems. Furthermore, devices for obtaining further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon, may be provided.
  • the noble gases krypton, xenon and / or argon may be provided.
  • the oxygen-rich stream is vaporized in the mixing column and at its upper end as gaseous, "impure” oxygen deducted.
  • the impure oxygen can be taken from the air separation plant as a gaseous oxygen product.
  • the air stream in turn is liquefied, enriched to some extent with oxygen, and withdrawn at the bottom of the mixing column.
  • the liquefied air stream can then be fed into the distillation column system used at an energetically and / or separation-appropriate location.
  • Oxygen product can be considerably reduced.
  • Liquid nitrogen and liquid oxygen in systems with mixing columns usually limited to at most 0.5% of the total amount of air used.
  • a method according to the invention serves to generate at least one liquid oxygen product and one gaseous oxygen product
  • a distillation column system of an air separation plant is used.
  • a liquid fraction having a first, higher oxygen content of a Separation column of the distillation column system removed and liquid from the
  • Air separation plant brought out. To recover the gaseous
  • Oxygen product becomes a liquid fraction with a second, lower
  • the gaseous oxygen product is also, but in the gaseous state, led out of the air separation plant.
  • the liquid oxygen product is hereinafter also referred to as "purer”
  • the gaseous oxygen product also as “impure” oxygen, the possible contents of oxygen are given below.
  • Oxygen product depends on the type of air separation unit used and the requirements of the respective consumer.
  • the production of "impure” gaseous oxygen products can, as explained, be realized with mixed columns in an energy-efficient manner.
  • the terms “higher” and “lower” oxygen content refer to each other.
  • a “product” leaves the described plant and is stored or consumed, for example, in a tank. So it no longer only participates exclusively in the plant-internal circuits, but can be used accordingly before leaving the plant, for example as a refrigerant in a heat exchanger.
  • the term “product” thus does not include those fractions or streams which remain in the plant itself and exclusively there,
  • product further includes a quantity.
  • a “product” corresponds to at least 1%, in particular at least 2%, for example at least 5% or at least 10% of the amount of air used in a corresponding plant.
  • Air separation plant however, liquid products, such as liquid oxygen and / or nitrogen, to be removed, the system thus this amount of cold is withdrawn.
  • the "missing" in liquid systems cold must therefore be generated in addition, and ultimately in the form of compressor performance.
  • the invention has particular advantages in plants used to produce a gaseous oxygen product having, for example, less than 98 mole percent (mole percent) purity and, at the same time, larger amounts of a "pure" liquid oxygen product as used herein.
  • the method proves to be highly efficient and allows the recovery of 1% to 5% or 1% to 10% of the total of the air separation plant in a compressed form
  • total air supplied air
  • total air supplied air
  • total air supplied air
  • total air supplied air
  • total air supplied air
  • total air supplied air
  • total air liquid nitrogen
  • the method presented here may, for example, be based on an air separation plant with a double column system.
  • dual column systems include a high pressure separation column and a low pressure separation column for separation of oxygen and nitrogen.
  • the high pressure separation column works at one
  • Low pressure separation column can also be at least partially structurally separated. In this case, these are the two-post systems mentioned at the beginning.
  • the invention can also be realized with three or more column systems for the separation of oxygen and nitrogen and / or with distillation column systems, which are set up to obtain further components.
  • the separation column with the highest operating pressure is referred to as "high pressure separation column” in the context of this application.
  • the separation column which is usually taken from oxygen, for example an oxygen-rich stream having more than 99 mol%, is then referred to in the language usage of this application as a "low-pressure separation column".
  • the mixing column may also be operated at a higher pressure than the high pressure separation column.
  • the liquid fraction with the first is advantageously taken at different heights from the low pressure separation column.
  • the liquid fraction with the first is advantageously taken at different heights from the low pressure separation column.
  • Oxygen content which can be taken from the side of the low-pressure separation column, however, for example, 97 mol% of oxygen and 3 mol% of argon.
  • the work required for the separation of oxygen and argon can thus be saved.
  • the liquid oxygen-rich stream which is fed into the mixing column advantageously has an oxygen content of 70 to 99 mol%, in particular 90 to 98 mol%. on.
  • the first oxygen content found in the liquid oxygen product advantageously corresponds to at least 99 mol%, in particular at least 99.5 mol%.
  • the first is advantageously always above the second oxygen content.
  • the liquid fraction with the second oxygen content is in turn after the
  • Distillation column system is used before or after evaporation in the mixing column, however, the liquid fraction having the second oxygen content can also be passed through a main heat exchanger of the air separation plant and further heated there.
  • the liquid fraction with the second oxygen content is fed to the top of the mixing column after removal from the separation column of the distillation column system by means of at least one pump and at least one expansion valve. The pressure is thereby increased to the mixing column pressure, which is above the pressure of the low-pressure separation column, from which the liquid fraction with the second oxygen content is advantageously taken.
  • the described method is advantageously implemented as a so-called HAP method (High Air Pressure).
  • the total air supplied to the air separation plant is advantageously compressed in a main compressor to a feed pressure of 6 to 30 bar, in particular from 7 to 20 bar, for example from 10 to 14 bar.
  • the main compressor is the only external energy driven machine for compressing air.
  • a single machine is meant here, for example, a single-stage or multi-stage compressor whose stages are all connected to the same drive, all stages in the same housing housed or connected to the same gear.
  • the total air is preferably compressed to a pressure, for example, well above the operating pressure of the column with the highest
  • Pressure level is. In addition to this compression, however, it is possible to use partial flows, for example in boosters, which are coupled with expansion turbines.
  • the feed pressure may alternatively or additionally also be stated in relation to the operating pressure of the high-pressure separation column. This means here that the pressure difference between the feed pressure and the operating pressure of the high pressure separation column not only the natural pressure drop through lines,
  • Heat exchanger and other apparatus corresponds, but at least 1 bar, in particular at least 3 bar, preferably at least 5 bar, is.
  • High-pressure separating column is for example 5 to 25 bar, in particular 7 to 15 bar.
  • At least a first partial flow of the total air is at least in a first expansion machine to the operating pressure of the high-pressure separation column relaxed and fed into the high pressure separation column.
  • the first partial flow may be compressed prior to expansion in the first expansion machine in a booster coupled to the first expansion machine and / or cooled before and / or after the expansion in the first expansion machine.
  • cooling after compaction e.g. by water cooling and / or by cooling to an intermediate temperature in one
  • a second partial flow of the total air is advantageously used, at least in a second expansion machine on the
  • the two expansion machines have different inlet temperatures, that is, the inlet temperature of the second expansion machine is in particular at least 5 K higher or lower than that of the first expansion machine.
  • the first and / or the second partial flow can be cooled in different ways, so that the method can be optimized, for example, in terms of smaller volumes for the main heat exchanger on the one hand or in terms of maximum energy savings.
  • the second partial flow can be cooled before and / or after the relaxation in the second expansion machine, so that the respective desired temperatures can be achieved.
  • One of the two relaxation machines is preferably coupled with a booster. Through this coupling, the expansion work can be used meaningfully.
  • the other of the two expansion machines is advantageously coupled mechanically to a generator and / or an oil brake, in which or the released expansion work can be implemented accordingly.
  • a pressure of 2 to 6 bar is advantageously used as the mixing column pressure.
  • the mixing column pressure depends, for example, on the externally required supply pressure for the gaseous oxygen product or can also be optimized according to energy considerations. In the latter case, a pressure of or close to 2 bar is an advantage.
  • An air separation plant is set up to carry out a method according to one of the preceding claims. It comprises means adapted to extract a liquid fraction having a first, higher oxygen content for obtaining a liquid oxygen product from a separation column of a distillation column system of the air separation plant, and means adapted to the same separation column of the distillation column system
  • FIG. 1 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 an air separation plant according to an embodiment of the invention is shown schematically.
  • the air separation plant has one, among others
  • Main heat exchanger E1 a distillation column system S with a High-pressure separation column S1 and a low-pressure separation column S2, a mixing column S3, a subcooler E3 and two designed as expansion turbines
  • total air a prepurified and compressed to a pressure of for example 10 to 14 bar
  • air AIR can be fed into the system 100.
  • total air the total supplied air is referred to as "total air”.
  • a portion of the total air from line a can be supplied via a line b a booster C1.
  • the booster C1 may be coupled to a first expansion turbine X1.
  • the further compressed in the booster C1 air can then be cooled in an aftercooler E2 and fed to the main heat exchanger E1 at its warm end.
  • this first partial stream can be taken from the main heat exchanger E1 at an intermediate temperature, cooled down in the first expansion turbine X1 and expanded by work, and then again passed through the main heat exchanger E1 at the cold end.
  • Further air from line a can be supplied via a line d to the main heat exchanger E1 at its warm end. A part of this can, if appropriate even only if necessary, be expanded by way of an expansion valve V1.
  • a second part of the air from line d, and thus part of the total air, referred to in the context of this application as "second partial flow" can be taken from the main heat exchanger E1 at an intermediate temperature via a line s.
  • the air in line s is, as explained below, fed into the mixing column S3.
  • the amount of air fed into the mixing column S3 can also be adjusted via the expansion valve V1.
  • Main heat exchanger E1 at its cold end in each case at a temperature near the condensation temperature of the air before. A corresponding airflow can over a line e are fed to the high pressure separation column S1.
  • the operating pressure of the high-pressure separation column S1, and thus the pressure in line e, is at the values explained.
  • the expansion turbine X1 and the valve V1 are set accordingly.
  • High-pressure separation column S1 can be removed in a lower region or from the sump via a line f an oxygen-enriched liquid bottoms fraction, cooled in a subcooler E3 and fed to the operating pressure of the low pressure separation column S2 via a pressure relief valve V2 via a line g in the low pressure separation column S2 ,
  • the head of the high-pressure separation column S1 can be a gaseous, nitrogen-rich
  • Crop fraction are taken. At least a partial stream thereof can be condensed via a line h in a condenser E4, which in operation is covered by an oxygen-rich bottom fraction of the low-pressure separation column S2.
  • At least part of the condensate can be fed in as liquid reflux via a line i at the top of the high-pressure separation column S1. Another part of the
  • Condensate can be supplied via a line k to the subcooler E3 (not shown) and fed via a line m as a liquid nitrogen product LIN, for example, in a tank.
  • Another partial stream of the top side of the high-pressure separation column S1 removed gaseous, nitrogen-rich overhead fraction can via a line I the
  • Nitrogen-rich gaseous fraction can be used, for example, as a sealing gas in the compressors used.
  • the high-pressure separation column S1 can be taken at a defined height via a line n a nitrogen-enriched fraction, cooled in the subcooler E3, and fed after relaxation via a pressure relief valve V4 via a line o as a liquid nitrogen-rich stream on the head side in the low pressure separation column S2. From the sump, the low pressure separation column S2 at least a part of
  • This liquid fraction has a high oxygen content, which in the context of this application is referred to as "first"
  • Oxygen content is called. After cooling, this fraction via a line q and a valve V5, an oxygen-rich liquid fraction as
  • Air separation plant are led out.
  • the low-pressure separation column S2 can be taken off via a line r a gaseous top fraction, heated in the main heat exchanger E1 and discharged via a valve V6.
  • This fraction can e.g. for the regeneration of
  • Adsorption be used to purify the air to be fed AIR.
  • the air separation plant is designed as a mixed column system. For this purpose, at least a portion of the air from line d (the "second partial flow") the
  • Main heat exchanger E1 taken at an intermediate temperature and fed via line s a second expansion turbine X2.
  • the air can be expanded to a pressure of, for example, 2 to 4 bar, in particular 3 bar.
  • the air is then fed in gaseous form to the lower part of a mixing column S3, which is operated at a corresponding pressure.
  • the head of the mixing column S3 is in this via a line t a
  • oxygen-enriched fraction fed which is liquid at a defined height of the low-pressure separating column S2 via a line u and with the referred to in the context of this application as a "second oxygen content" content of oxygen.
  • the taken over the line u fraction is pumped via a pump P1 to a pressure above the pressure of the mixing column S3, heated via lines v and w in the subcooler E3 and then in the main heat exchanger E1 each to an intermediate temperature, and via a valve V7 and the line t is fed into the mixing column S3.
  • the gas fed into the lower part of the mixing column S3 is liquefied.
  • the liquefied air can be withdrawn in a lower region of the mixing column S3 via a line x, cooled in the subcooler E3 to an intermediate temperature, and via a line y and a
  • Expansion valve V8 be fed ("blown") in the low pressure separation column S2.
  • FIG. 2 schematically shows an air separation plant according to a further embodiment of the invention. This has the essential components of the previously explained with reference to Figure 1 air separation plant and is operated accordingly. A repeated explanation is omitted.
  • FIGS. 1 and 2 are optimized for different purposes.
  • the arrangement of Figure 1 allows a smaller volume for the
  • Main heat exchanger but is not fully optimized for energy.
  • the arrangement shown in Figure 2 is energetically better optimized or optimized, but requires a larger main heat exchanger.

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Abstract

Verfahren zur Erzeugung zumindest eines flüssigen Sauerstoffprodukts (LOX) und eines gasförmigen Sauerstoffprodukts (GOX) durch Tieftemperaturzerlegung von Luft (AIR) in einem Destillationssäulensystem (S) einer Luftzerlegungsanlage, bei dem zur Gewinnung des flüssigen Sauerstoffprodukts (LOX) eine Flüssigfraktion mit einem ersten, höheren Sauerstoffgehalt aus einer Trennsäule (S2) des Destillationssäulensystems (S) entnommen und flüssig aus der Luftzerlegungsanlage herausgeführt wird, und bei dem zur Gewinnung des gasförmigen Sauerstoffprodukts (GOX) eine Flüssigfraktion mit einem zweiten, geringeren Sauerstoffgehalt aus derselben Trennsäule (S2) des Destillationssäulensystems (S) entnommen, zumindest in einer Mischsäule (S3) bei einem Mischsäulendruck gegen Mischsäulenluft verdampft, und gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage herausgeführt wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anlage zur Erzeugung flüssiger und gasförmiger Sauerstoffprodukte durch Tieftemperaturzerlegung von Luft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung flüssiger und gasförmiger
Sauerstoffprodukte durch Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer Mischsäule und eine entsprechende Luftzerlegungsanlage.
Stand der Technik Die Herstellung von Sauerstoff oder sauerstoffreichen Gemischen, nachfolgend als Sauerstoffprodukte bezeichnet, erfolgt üblicherweise durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen mit an sich bekannten Destillationssäulensystemen. Diese können als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische
Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein. Ferner können Vorrichtungen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Für eine Reihe von industriellen Anwendungen wird zumindest nicht ausschließlich reiner Sauerstoff benötigt. Dies eröffnet die Möglichkeit, Luftzerlegungsanlagen hinsichtlich ihrer Erstellungs- und Betriebskosten, insbesondere ihres
Energieverbrauchs, zu optimieren (siehe beispielsweise Kapitel 3.8 in Kerry, F.G.: Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification. Boca Raton: CRC Press, 2006). Beispielsweise können hierzu Luftzerlegungsanlagen mit so genannten Mischsäulen eingesetzt werden, wie sie in EP 0 531 182 A1 , EP 0 697 576 A1 , EP 0 698 772 A1 , EP 1 139 046 A1 , DE 101 39 727 A1 , DE 102 28 1 11 A1 , DE 199 51 521 A1 sowie US 5 490 391 A dargestellt sind. In eine Mischsäule werden am oberen Ende ein flüssiger, sauerstoffreicher Strom und am unteren Ende ein gasförmiger Luftstrom eingespeist und einander entgegengeschickt. Durch intensiven Kontakt geht ein gewisser Anteil des leichter flüchtigen Stickstoffs aus dem Luftstrom in den
sauerstoffreichen Strom über. Der sauerstoffreiche Strom wird in der Mischsäule verdampft und an deren oberem Ende als gasförmiger, "unreiner" Sauerstoff abgezogen. Der unreine Sauerstoff kann der Luftzerlegungsanlage als gasförmiges Sauerstoffprodukt entnommen werden. Der Luftstrom seinerseits wird verflüssigt, in gewissem Umfang mit Sauerstoff angereichert, und am unteren Ende der Mischsäule abgezogen. Der verflüssigte Luftstrom kann anschließend an energetisch und/oder trenntechnisch geeigneter Stelle in das verwendete Destillationssäulensystem eingespeist werden. Durch die Verwendung einer Mischsäule kann die für die
Stofftrennung erforderliche Energie auf Kosten der Reinheit des gasförmigen
Sauerstoffprodukts beträchtlich reduziert werden. Nachteilig an bekannten Anlagen, die mit Mischsäulen arbeiten, ist die eingeschränkte Entnahmemöglichkeit von flüssigen Produkten, weil diese, wie unten erläutert, als reine Gasanlagen ausgebildet sind. So ist die maximale Entnahmemenge von
Flüssigstickstoff und Flüssigsauerstoff in Anlagen mit Mischsäulen üblicherweise auf höchstens 0,5% der insgesamt eingesetzten Luftmenge begrenzt.
Es besteht daher der Bedarf nach verbesserten Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung flüssiger und gasförmiger Sauerstoffprodukte durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei denen größere Anteile flüssiger Produkte gewonnen werden können.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung flüssiger und gasförmiger Sauerstoff produkte durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Erzeugung zumindest eines flüssigen Sauerstoffprodukts und eines gasförmigen Sauerstoffprodukts durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft. Hierzu wird ein Destillationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage verwendet. Zur Gewinnung des flüssigen Sauerstoffprodukts wird eine Flüssigfraktion mit einem ersten, höheren Sauerstoffgehalt aus einer Trennsäule des Destillationssäulensystems entnommen und flüssig aus der
Luftzerlegungsanlage herausgeführt. Zur Gewinnung des gasförmigen
Sauerstoffprodukts wird eine Flüssigfraktion mit einem zweiten, geringeren
Sauerstoffgehalt aus derselben Trennsäule des Destillationssäulensystems entnommen und zumindest in einer Mischsäule bei einem Mischsäulendruck gegen Mischsäulenluft verdampft, wie eingangs erläutert. Das gasförmige Sauerstoffprodukt wird ebenfalls, jedoch im gasförmigen Zustand, aus der Luftzerlegungsanlage herausgeführt. Das flüssige Sauerstoffprodukt wird nachfolgend auch als "reiner", das gasförmige Sauerstoffprodukt auch als "unreiner" Sauerstoff bezeichnet, wobei die möglichen Gehalte an Sauerstoff unten angegeben sind. Die Reinheit des "reinen"
Sauerstoffprodukts richtet sich nach dem Typ der verwendeten Luftzerlegungsanlage und den Anforderungen der jeweiligen Verbraucher. Die Herstellung "unreiner" gasförmiger Sauerstoffprodukte lässt sich, wie erläutert, mit Mischsäulen energetisch günstig realisieren. Die Begriffe "höherer" und "geringerer" Sauerstoffgehalt beziehen sich aufeinander.
Im Rahmen dieser Anmeldung ist von der Gewinnung von Sauerstoff- und
Stickstoffprodukten die Rede. Ein "Produkt" verlässt die erläuterte Anlage und wird beispielsweise in einem Tank eingelagert oder verbraucht. Es nimmt also nicht mehr nur ausschließlich an den anlageninternen Kreisläufen teil, kann jedoch vor dem Verlassen der Anlage entsprechend verwendet werden, beispielsweise als Kälteträger in einem Wärmetauscher. Der Begriff "Produkt" umfasst also nicht solche Fraktionen oder Ströme, die in der Anlage selbst verbleiben und ausschließlich dort,
beispielsweise als Rücklauf, Kühlmittel oder Spülgas, verwendet werden.
Der Begriff "Produkt" beinhaltet ferner eine Mengenangabe. Ein "Produkt" entspricht mindestens 1%, insbesondere mindestens 2%, beispielsweise mindestens 5% oder mindestens 10% der in einer entsprechenden Anlage eingesetzten Luftmenge.
Geringere Mengen auch herkömmlicherweise in ausgesprochenen Gasanlagen anfallender und einer solchen Anlage gegebenenfalls entnehmbarer Flüssigfraktionen stellen damit keine "Produkte" im Sinne dieser Anmeldung dar. Wie nachfolgend erläutert, wird durch die Entnahme von Flüssigprodukten einer Luftzerlegungsanlage eine beträchtliche Kältemenge "entzogen", die sonst durch Verdampfung dieser Flüssigprodukte zum Teil zurückgewonnen werden könnte. Eine derartige Entnahme wirkt sich jedoch erst ab einer bestimmten Entnahmemenge, also erst dann, wenn tatsächlich ein "Produkt" im Sinne der oben getroffenen Definition entnommen wird, aus.
Die Anforderungen industrieller Verbraucher an die Produkte von
Luftzerlegungsanlagen und deren hierdurch bedingte Konstruktionsprinzipien unterscheiden sich mitunter beträchtlich. So sind für bestimmte Einsatzszenarien ausgesprochene Gasanlagen bekannt, in denen bevorzugt oder ausschließlich gasförmige Produkte, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff, gewonnen werden können. Andere Anwendungen erfordern hingegen Flüssigprodukte und damit ausgesprochene Flüssiganlagen.
Die Entnahme von Flüssigprodukten aus Gasanlagen ist in der Regel nicht möglich, auch wenn solche Flüssigprodukte dort als Zwischenprodukte, beispielsweise in einer Trennsäule, anfallen. Die dort verwendeten Konstruktionsprinzipien können daher auch nicht ohne weiteres auf Flüssiganlagen übertragen werden. In Gasanlagen können die als Zwischenprodukte gewonnenen kryogenen Flüssigkeiten verdampft und zur Kühlung insbesondere der eingesetzten Luft verwendet werden. Wenn einer
Luftzerlegungsanlage jedoch Flüssigprodukte, beispielsweise flüssiger Sauerstoff und/oder Stickstoff, entnommen werden sollen, wird dem System hierdurch diese Kältemenge entzogen. Die in Flüssiganlagen "fehlende" Kälte muss daher zusätzlich erzeugt werden, und zwar letztlich in Form von Verdichterleistung. Die Erfindung entfaltet ihre besonderen Vorteile in Anlagen, die dafür verwendet werden, ein gasförmiges Sauerstoffprodukt mit beispielsweise weniger als 98 mol-% (Molprozent) Reinheit und gleichzeitig hierzu größere Mengen eines im hier verwendeten Sinn "reinen" flüssigen Sauerstoffprodukts herzustellen. Das Verfahren erweist sich hierbei als hocheffizient und erlaubt die Gewinnung von 1 % bis 5% oder 1 % bis 10% der insgesamt der Luftzerlegungsanlage in komprimierter Form
zugeführten Luft (im Rahmen dieser Anmeldung als "Gesamtluft" bezeichnet) in Form flüssiger Produkte. Wenngleich diese Anmeldung vornehmlich die Entnahme flüssigen Sauerstoffs beschreibt, kann in entsprechender Weise auch flüssiger Stickstoff gewonnen werden. Dem hier vorgestellten Verfahren kann beispielsweise eine Luftzerlegungsanlage mit einem Doppelsäulensystem zugrunde liegen. Derartige Doppelsäulensysteme umfassen eine Hochdrucktrennsäule und eine Niederdrucktrennsäule zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff. Die Hochdrucktrennsäule arbeitet bei einem
Betriebsdruck von beispielsweise 5 bis 7,5 bar, insbesondere von 5,5 bis 6 bar, und die Niederdrucktrennsäule bei einem Betriebsdruck von beispielsweise 1 ,3 bis 1 ,8 bar, insbesondere von 1 ,3 bis 1 ,6 bar. Hierbei, und bei den nachfolgend angegebenen Drücken, handelt es sich um Absolutdrücke. Die Hochdrucktrennsäule und die
Niederdrucktrennsäule können auch zumindest teilweise baulich voneinander getrennt sein. Es handelt sich in diesem Fall um die eingangs erwähnten Zweisäulensysteme.
Die Erfindung kann jedoch auch mit Drei- oder Mehrsäulensystemen zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff und/oder mit Destillationssäulensystemen, die zur Gewinnung weiterer Komponenten eingerichtet sind, realisiert werden. In diesem Fall wird im Rahmen dieser Anmeldung die Trennsäule mit dem höchsten Betriebsdruck als "Hochdrucktrennsäule" bezeichnet. Die Trennsäule, der üblicherweise Sauerstoff, beispielsweise ein sauerstoffreicher Strom mit mehr als 99 mol-%, entnommen wird, wird im Sprachgebrauch dieser Anmeldung dann als "Niederdrucktrennsäule" bezeichnet. In bestimmten Fällen kann die Mischsäule auch unter einem höheren Druck als die Hochdrucktrennsäule betrieben werden.
In einem entsprechenden Verfahren werden die Flüssigfraktion mit dem ersten
Sauerstoffgehalt und die Flüssigfraktion mit dem zweiten Sauerstoffgehalt
vorteilhafterweise in unterschiedlichen Höhen aus der Niederdrucktrennsäule entnommen. Beispielsweise werden die Flüssigfraktion mit dem ersten
Sauerstoffgehalt aus dem Sumpf der Niederdrucktrennsäule und die Flüssigfraktion mit dem zweiten Sauerstoffgehalt in einer dem zweiten Sauerstoffgehalt entsprechenden Höhe seitlich aus der Niederdrucktrennsäule entnommen. Die Entnahmehöhe aus der Niederdrucktrennsäule korreliert bekanntermaßen unmittelbar mit dem
Sauerstoffgehalt bei den jeweils verwendeten Betriebsbedingungen, so dass der
Fachmann eine entsprechende Beziehung unschwer herstellen kann. Die Entnahme seitlich aus der Niederdrucktrennsäule erweist sich energetisch als besonders günstig. Auf diese Weise kann insbesondere vermieden werden, wertvollen "reinen" Sauerstoff unnötigerweise für die Herstellung des unreinen, gasförmigen Sauerstoffprodukts zu verbrauchen. Der beispielsweise aus dem Sumpf der Niederdrucktrennsäule entnommene "reine" Sauerstoff weist beispielsweise 99,6 mol-% Sauerstoffgehalt auf und wurde damit bereits fast vollständig von Argon getrennt. Hierzu wurde eine entsprechende Trennarbeit aufgewandt. Die Flüssigfraktion mit dem zweiten
Sauerstoffgehalt, die der Niederdrucktrennsäule seitlich entnommen werden kann, weist hingegen beispielsweise 97 mol-% Sauerstoff und 3 mol-% Argon auf. Die zur Trennung von Sauerstoff und Argon erforderliche Arbeit kann damit eingespart werden. Mit anderen Worten ist es energetisch günstiger, für ein in "unreiner" Form benötigtes gasförmiges Sauerstoffprodukt eine unreine Ausgangsfraktion zu verwenden als eine "reine" Fraktion in einer Mischsäule zu verunreinigen.
Der flüssige sauerstoffreiche Strom, der in die Mischsäule eingespeist wird, also jener sauerstoffreiche Strom, der der erfindungsgemäß entnommenen Flüssigfraktion mit dem zweiten, geringeren Sauerstoffgehalt entspricht, weist vorteilhafterweise einen Sauerstoffgehalt von 70 bis 99 mol-%, insbesondere 90 bis 98 mol-%, auf. Der erste Sauerstoffgehalt, der sich in dem flüssigen Sauerstoffprodukt wiederfindet, entspricht vorteilhafterweise wenigstens 99 mol-%, insbesondere wenigstens 99,5 mol-%. Der erste liegt vorteilhafterweise immer über dem zweiten Sauerstoffgehalt.
Vorteilhafterweise wird in einem entsprechenden Verfahren die Flüssigfraktion mit dem ersten Sauerstoffgehalt nach der Entnahme aus der Trennsäule des
Destillationssäulensystems in zumindest einem Wärmetauscher unterkühlt. Dies ermöglicht es, die Flüssigfraktion anschließend sicher in einen Tank zu überführen, ohne dass hierbei zwangsläufig auftretende Wärmeverluste zu einer übermäßigen Verdampfung führen würden.
Die Flüssigfraktion mit dem zweiten Sauerstoffgehalt wird ihrerseits nach der
Entnahme aus der Trennsäule des Destillationssäulensystems und/oder nach dem Verdampfen in der Mischsäule in zumindest einem Wärmetauscher erwärmt. Zur Erwärmung der Flüssigfraktion nach der Entnahme aus dem Destillationssäulensystem kann derselbe Wärmetauscher verwendet werden, der auch zur Unterkühlung der Flüssigfraktion mit dem ersten Sauerstoffgehalt nach der Entnahme aus dem
Destillationssäulensystem dient. Vor oder nach dem Verdampfen in der Mischsäule kann die Flüssigfraktion mit dem zweiten Sauerstoffgehalt jedoch auch durch einen Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage geführt und dort weiter erwärmt werden. Vorteilhafterweise wird die Flüssigfraktion mit dem zweiten Sauerstoffgehalt nach der Entnahme aus der Trennsäule des Destillationssäulensystems mittels wenigstens einer Pumpe und wenigstens eines Entspannungsventils kopfseitig in die Mischsäule eingespeist. Der Druck wird dabei auf den Mischsäulendruck erhöht, der oberhalb des Drucks der Niederdrucktrennsäule liegt, der die Flüssigfraktion mit dem zweiten Sauerstoffgehalt vorteilhafterweise entnommen wird.
Das erläuterte Verfahren ist vorteilhafterweise als so genanntes HAP-Verfahren (High Air Pressure) realisiert. Die der Luftzerlegungsanlage insgesamt zugeführte Gesamtluft wird dabei vorteilhafterweise in einem Hauptverdichter auf einen Einspeisedruck von 6 bis 30 bar, insbesondere von 7 bis 20 bar, beispielsweise von 10 bis 14 bar, verdichtet. Vorzugsweise stellt dabei der Hauptverdichter die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft dar. Unter einer "einzigen Maschine" wird hier beispielsweise ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter verstanden, dessen Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind, wobei alle Stufen in demselben Gehäuse untergebracht oder mit demselben Getriebe verbunden sind. In diesem Luftverdichter wird vorzugsweise die Gesamtluft auf einen Druck verdichtet, der beispielsweise deutlich über dem Betriebsdruck der Säule mit dem höchsten
Druckniveau liegt. Neben dieser Verdichtung können gleichwohl Teilströme, beispielsweise in Boostern, die mit Expansionsturbinen gekoppelt sind,
"nachverdichtet" werden, wozu aber keine externe Energie zugeführt wird.
In dem Verfahren kann der Einspeisedruck alternativ oder zusätzlich auch im Verhältnis zum Betriebsdruck der Hochdrucktrennsäule angegeben werden. Dies bedeutet hier, dass die Druckdifferenz zwischen dem Einspeisedruck und dem Betriebsdruck der Hochdrucktrennsäule nicht nur dem natürlichen Druckabfall durch Leitungen,
Wärmetauscher und andere Apparate entspricht, sondern mindestens 1 bar, insbesondere mindestens 3 bar, vorzugsweise mindestens 5 bar, beträgt. Die
Druckdifferenz zwischen dem Einspeisedruck und dem Betriebsdruck der
Hochdrucktrennsäule beträgt beispielsweise 5 bis 25 bar, insbesondere 7 bis 15 bar.
Vorteilhafterweise wird zumindest ein erster Teilstrom der Gesamtluft zumindest in einer ersten Entspannungsmaschine auf den Betriebsdruck der Hochdrucktrennsäule entspannt und in die Hochdrucktrennsäule eingespeist. Hierdurch kann zusätzliche Kälte gewonnen werden.
Der erste Teilstrom kann vor der Entspannung in der ersten Entspannungsmaschine in einem mit der ersten Entspannungsmaschine gekoppelten Booster verdichtet und/oder vor und/oder nach der Entspannung in der ersten Entspannungsmaschine abgekühlt werden. Durch eine Abkühlung nach der Verdichtung, z.B. durch Wasserkühlung und/oder durch eine Abkühlung auf eine Zwischentemperatur in einem
Hauptwärmetauscher, kann die entstehende Verdichtungswärme abgeführt werden. Wird nach der Entspannung das dann kalte Gas durch das kalte Ende des
Hauptwärmetauschers geführt, kann eine weitere Abkühlung bewirkt werden.
Als Mischsäulenluft wird vorteilhafterweise ein zweiter Teilstrom der Gesamtluft verwendet, der zumindest in einer zweiten Entspannungsmaschine auf den
Mischsäulendruck entspannt und in einem unteren Bereich in die Mischsäule eingespeist wird. Auch dies trägt dazu bei, den Kältebedarf der Anlage zu decken. Die beiden Entspannungsmaschinen weisen unterschiedliche Eintrittstemperaturen auf, das heißt die Eintrittstemperatur der zweiten Entspannungsmaschine ist insbesondere mindestens 5 K höher oder niedriger als diejenige der ersten Entspannungsmaschine.
Je nach baulichen oder energetischen Erwägungen kann der erste und/oder der zweite Teilstrom auf unterschiedliche Weise gekühlt werden, so dass sich das Verfahren beispielsweise hinsichtlich kleinerer Volumina für den Hauptwärmetauscher einerseits oder hinsichtlich einer maximalen Energieeinsparung optimieren lässt.
Auch der zweite Teilstrom kann vor und/oder nach der Entspannung in der zweiten Entspannungsmaschine abgekühlt werden, so dass sich die jeweils gewünschten Temperaturen erzielen lassen. Eine der beiden Entspannungsmaschinen ist vorzugsweise mit einem Booster gekoppelt. Durch diese Kopplung kann die Expansionsarbeit sinnvoll genutzt werden. Vorteilhafterweise wird dabei genau die Luftmenge, die in die mit dem Booster gekoppelte Entspannungsmaschine eingeleitet wird, vorher durch den Booster geführt, der vorteilhafterweise als Warmverdichter ausgebildet ist. Die andere der beiden Entspannungsmaschinen wird vorteilhafterweise eine mechanisch mit einem Generator und/oder einer Ölbremse gekoppelt, in dem bzw. der die frei werdende Expansionsarbeit entsprechend umgesetzt werden kann. In dem erläuterten Verfahren wird als Mischsäulendruck vorteilhafterweise ein Druck von 2 bis 6 bar verwendet. Der Mischsäulendruck richtet sich beispielsweise nach dem extern erforderlichen Bereitstellungsdruck für das gasförmige Sauerstoffprodukt oder kann ebenfalls entsprechend energetischer Erwägungen optimiert werden. Im letzteren Fall ist ein Druck von oder nahe bei 2 bar von Vorteil.
Eine erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet. Sie weist Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, zur Gewinnung eines flüssigen Sauerstoffprodukts einer Trennsäule eines Destillationssäulensystems der Luftzerlegungsanlage eine Flüssigfraktion mit einem ersten, höheren Sauerstoffgehalt zu entnehmen, und Mittel, die dafür eingerichtet sind, derselben Trennsäule des Destillationssäulensystems eine
Flüssigfraktion mit einem zweiten, geringeren Sauerstoffgehalt zu entnehmen und zumindest in einer Mischsäule bei einem Mischsäulendruck gegen Mischsäulenluft zu verdampfen. Die Luftzerlegungsanlage profitiert von den zuvor erläuterten Vorteilen in gleicher Weise, so dass auf diese ausdrücklich verwiesen werden kann.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Die Luftzerlegungsanlage weist unter anderem einen
Hauptwärmetauscher E1 , ein Destillationssäulensystem S mit einer Hochdrucktrennsäule S1 und einer Niederdrucktrennsäule S2, eine Mischsäule S3, einen Unterkühler E3 und zwei als Expansionsturbinen ausgebildete
Entspannungsmaschinen X1 und X2 auf. Die nachfolgend angegebenen
Betriebsparameter wie beispielsweise die jeweiligen Betriebsdrücke stellen Beispiele 'für die oben genannten Bereiche dar.
Über eine Leitung a kann vorgereinigte und auf einen Druck von beispielsweise 10 bis 14 bar verdichtete Luft AIR in die Anlage 100 eingespeist werden. Zur Verdichtung der Luft AIR wird ein nicht dargestellter Hauptverdichter verwendet, die insgesamt eingespeiste Luft wird als "Gesamtluft" bezeichnet.
Ein Teil der Gesamtluft aus Leitung a, im Rahmen dieser Anmeldung als "erster Teilstrom" bezeichnet, kann über eine Leitung b einem Booster C1 zugeführt werden. Der Booster C1 kann mit einer ersten Entspannungsturbine X1 gekoppelt sein. Die in dem Booster C1 weiter verdichtete Luft kann anschließend in einem Nachkühler E2 abgekühlt und dem Hauptwärmetauscher E1 an dessen warmem Ende zugeführt werden. Über eine Leitung c kann dieser erste Teilstrom dem Hauptwärmetauscher E1 bei einer Zwischentemperatur entnommen, in der ersten Entspannungsturbine X1 kälte- und arbeitsleistend entspannt, und anschließend am kalten Ende erneut durch den Hauptwärmetauscher E1 geführt werden.
Weitere Luft aus Leitung a kann über eine Leitung d dem Hauptwärmetauscher E1 an dessen warmem Ende zugeführt werden. Ein Teil hiervon kann, gegebenenfalls auch nur bei Bedarf, über ein Entspannungsventil V1 entspannt werden. Ein zweiter Teil der Luft aus Leitung d, und damit ein Teil der Gesamtluft, im Rahmen dieser Anmeldung als "zweiter Teilstrom" bezeichnet, kann dem Hauptwärmetauscher E1 bei einer Zwischentemperatur über eine Leitung s entnommen werden. Die Luft in Leitung s wird, wie unten erläutert, in die Mischsäule S3 eingespeist. Die Menge der in die Mischsäule S3 eingespeisten Luft kann auch über das Entspannungsventil V1 eingestellt werden.
Der erste Teilstrom der Luft aus Leitung a und gegebenenfalls die über das
Entspannungsventil V1 entspannte Luft liegen nach dem Verlassen des
Hauptwärmetauschers E1 an dessen kaltem Ende jeweils bei einer Temperatur nahe der Kondensationstemperatur der Luft vor. Ein entsprechender Luftstrom kann über eine Leitung e in die Hochdrucktrennsäule S1 eingespeist werden. Der Betriebsdruck der Hochdrucktrennsäule S1 , und damit der Druck in Leitung e, liegt bei den erläuterten Werten. Die Entspannungsturbine X1 bzw. das Ventil V1 sind entsprechend eingestellt.
In der Hochdrucktrennsäule S1 erfolgt eine Vortrennung der Luft. Der
Hochdrucktrennsäule S1 kann in einem unteren Bereich bzw. aus dem Sumpf über eine Leitung f eine sauerstoffangereicherte flüssige Sumpffraktion entnommen, in einem Unterkühler E3 abgekühlt und nach Entspannung auf den Betriebsdruck der Niederdrucktrennsäule S2 über ein Entspannungsventil V2 über eine Leitung g in die Niederdrucktrennsäule S2 eingespeist werden.
Kopfseitig kann der Hochdrucktrennsäule S1 eine gasförmige, stickstoffreiche
Kopffraktion entnommen werden. Zumindest ein Teilstrom hiervon kann über eine Leitung h in einem Kondensator E4, der im Betrieb von einer sauerstoffreichen Sumpffraktion der Niederdrucktrennsäule S2 bedeckt ist, kondensiert werden.
Zumindest ein Teil des Kondensats kann als flüssiger Rücklauf über eine Leitung i am Kopf der Hochdrucktrennsäule S1 eingespeist werden. Ein weiterer Teil des
Kondensats kann über eine Leitung k dem Unterkühler E3 zugeführt (nicht dargestellt) und über eine Leitung m als flüssiges Stickstoffprodukt LIN beispielsweise in einen Tank eingespeist werden.
Ein weiterer Teilstrom der kopfseitig der Hochdrucktrennsäule S1 entnommenen gasförmigen, stickstoffreichen Kopffraktion kann über eine Leitung I dem
Hauptwärmetauscher E1 zugeführt, in diesem erwärmt und über ein
Entspannungsventil V3 entspannt werden. Eine entsprechend erhaltene
stickstoffreiche gasförmige Fraktion kann beispielsweise als Dichtgas in den verwendeten Verdichtern verwendet werden. Der Hochdrucktrennsäule S1 kann in einer definierten Höhe über eine Leitung n eine stickstoffangereicherte Fraktion entnommen, in dem Unterkühler E3 abgekühlt, und nach Entspannung über ein Entspannungsventil V4 über eine Leitung o als flüssiger stickstoffreicher Strom kopfseitig in die Niederdrucktrennsäule S2 eingespeist werden. Aus dem Sumpf kann der Niederdrucktrennsäule S2 zumindest ein Teil der
sauerstoffreichen Sumpffraktion über eine Leitung p entnommen und über einen Anschluss p' dem Unterkühler E3 zugeführt werden. Diese Flüssigfraktion weist einen hohen Sauerstoffgehalt auf, der im Rahmen dieser Anmeldung als "erster"
Sauerstoffgehalt bezeichnet wird. Nach der Abkühlung kann diese Fraktion über eine Leitung q und ein Ventil V5 eine sauerstoffreiche flüssige Fraktion als
Flüssigsauerstoffprodukt LOX abgegeben, also in flüssiger Form aus der
Luftzerlegungsanlage herausgeführt werden. Kopfseitig kann der Niederdrucktrennsäule S2 über eine Leitung r eine gasförmige Kopffraktion entnommen, im Hauptwärmetauscher E1 angewärmt und über ein Ventil V6 abgegeben werden. Diese Fraktion kann z.B. zur Regeneration von
Adsorptionseinrichtungen zur Aufreinigung der einzuspeisenden Luft AIR verwendet werden.
Die Luftzerlegungsanlage ist als Mischsäulenanlage ausgebildet. Hierzu kann zumindest ein Teil der Luft aus Leitung d (der "zweite Teilstrom") dem
Hauptwärmetauscher E1 bei einer Zwischentemperatur entnommen und über die Leitung s einer zweiten Expansionsturbine X2 zugeführt werden. In der zweiten Expansionsturbine X2, die an eine Energiewandlereinheit G, beispielsweise einen Generator oder eine Ölbremse, angebunden ist, kann die Luft auf einen Druck von beispielsweise 2 bis 4 bar, insbesondere 3 bar, entspannt werden. Die Luft wird dann gasförmig in den unteren Teil einer Mischsäule S3 eingespeist, die bei einem entsprechenden Druck betrieben wird.
Kopfseitig der Mischsäule S3 wird in diese über eine Leitung t eine
sauerstoffangereicherte Fraktion eingespeist, die in einer definierten Höhe der Niederdrucktrennsäule S2 über eine Leitung u flüssig und mit dem im Rahmen dieser Anmeldung als "zweitem Sauerstoffgehalt" bezeichneten Gehalt an Sauerstoff entnommen wird. Die über die Leitung u entnommene Fraktion wird über eine Pumpe P1 auf einen Druck oberhalb des Drucks der Mischsäule S3 gepumpt, über Leitungen v und w in dem Unterkühler E3 und dann in dem Hauptwärmetauscher E1 jeweils auf eine Zwischentemperatur angewärmt, und über ein Ventil V7 und die Leitung t in die Mischsäule S3 eingespeist. Durch den intensiven Kontakt und damit direkten Wärmetausch mit der sauerstoffangereicherten Fraktion aus Leitung t wird die gasförmig in den unteren Teil der Mischsäule S3 eingespeiste Luft verflüssigt. Die verflüssigte Luft kann in einem unteren Bereich der Mischsäule S3 über eine Leitung x abgezogen, in dem Unterkühler E3 auf eine Zwischentemperatur abgekühlt, und über eine Leitung y und ein
Entspannungsventil V8 in die Niederdrucktrennsäule S2 eingespeist ("eingeblasen") werden.
Vom Kopf der Mischsäule S3 kann über eine Leitung z eine gasförmige
sauerstoffreiche Fraktion entnommen, in dem Hauptwärmetauscher E1 angewärmt, und über ein Ventil V9 als gasförmiges Sauerstoffprodukt abgegeben werden.
In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Diese weist die wesentlichen Komponenten der zuvor in Bezug auf Figur 1 erläuterten Luftzerlegungsanlage auf und wird entsprechend betrieben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird verzichtet.
Abweichend zu der in Figur 1 getroffenen Anordnung wird hier jedoch der zweite Teilstrom der Luft nach der Entspannung in der Expansionsturbine X2 durch das kalte Ende des Hauptwärmetauschers E1 geführt, der erste Teilstrom hingegen nicht.
Alternative Anordnungen können jedoch auch eine entsprechende Kühlung beider Teilströme in dem Hauptwärmetauscher E1 vorsehen.
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Anordnungen sind auf unterschiedliche Ziele hin optimiert. Die Anordnung der Figur 1 erlaubt dabei ein kleineres Volumen für den
Hauptwärmetauscher, ist aber dafür energetisch nicht vollständig optimiert. Die in Figur 2 gezeigte Anordnung ist energetisch besser optimiert bzw. optimierbar, benötigt aber einen größeren Hauptwärmetauscher.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Erzeugung zumindest eines flüssigen Sauerstoffprodukts (LOX) und eines gasförmigen Sauerstoffprodukts (GOX) durch Tieftemperaturzerlegung von Luft (AIR) in einem Destillationssäulensystem (S) einer Luftzerlegungsanlage, das eine Hochdrucktrennsäule (S1) und eine Niederdrucktrennsäule (S2) aufweist, bei dem zur Gewinnung des flüssigen Sauerstoffprodukts (LOX) eine Flüssigfraktion mit einem ersten, höheren Sauerstoffgehalt aus einer Trennsäule (S2) des Destillationssäulensystems (S) entnommen und flüssig aus der
Luftzerlegungsanlage herausgeführt wird, und bei dem zur Gewinnung des gasförmigen Sauerstoffprodukts (GOX) eine Flüssigfraktion mit einem zweiten, geringeren Sauerstoffgehalt aus derselben Trennsäule (S2) des
Destillationssäulensystems (S) entnommen, in einer Mischsäule (S3) gegen Mischsäulenluft verdampft, in einem Hauptwärmetauscher (E1 ) gegen
abzukühlende Einsatzluft angewärmt und anschließend gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage herausgeführt wird, wobei
- ein erster Teilstrom der Gesamtluft zumindest in einer ersten
Entspannungsmaschine (X1) arbeitsleistend auf den Betriebsdruck der Hochdrucktrennsäule (S1) entspannt und in die Hochdrucktrennsäule (S1) eingespeist wird,
- ein zweiter Teilstrom der Gesamtluft als Mischsäulenluft verwendet wird, indem
- der zweite Teilstrom der Gesamtluft in einer zweiten Entspannungsmaschine
(X2) arbeitsleistend auf den Mischsäulendruck entspannt und in einem unteren Bereich in die Mischsäule (S3) eingespeist wird,
- die beiden Entspannungsmaschinen unterschiedliche Eintrittstemperaturen aufweisen
- eine (X1 ; X2) der beiden Entspannungsmaschinen mit einem Booster (C1) gekoppelt ist, in dem der Luftstrom, der anschließend in die mit dem Booster gekoppelte Entspannungsmaschine eingeleitet wird, vorher verdichtet wird,
- die andere (X2; X1) der beiden Entspannungsmaschinen mechanisch mit einem
Generator und/oder einer Ölbremse (G) gekoppelt ist und
- entweder der erste Teilstrom oder die Mischsäulenluft stromabwärts der
arbeitsleistenden Entspannung (X1 ; X2) in dem Hauptwärmetauscher (E1) in indirektem Wärmeaustausch mit einer stickstoffreichen Fraktion (r) aus der Niederdrucktrennsäule (S2) abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Flüssigfraktion mit dem ersten
Sauerstoffgehalt und die Flüssigfraktion mit dem zweiten Sauerstoffgehalt in unterschiedlichen Höhen aus der Niederdrucktrennsäule (S2) entnommen werden.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als der erste
Sauerstoffgehalt ein Sauerstoffgehalt von wenigstens 99 Molprozent,
insbesondere wenigstens 99,5 Molprozent, und als der zweite Sauerstoffgehalt ein Sauerstoffgehalt von 70 bis 99 Molprozent, insbesondere 90 bis 98 Molprozent, verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine der
Luftzerlegungsanlage insgesamt zugeführte Gesamtluft in einem Hauptverdichter auf einen Einspeisedruck von 6 bis 30 bar, insbesondere von 7 bis 20 bar, beispielsweise von 10 bis 14 bar, verdichtet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der erste Teilstrom
stromaufwärts der Entspannung in der ersten Entspannungsmaschine (X1) und/oder der zweite Teilstrom stromaufwärts der Entspannung in der zweiten Entspannungsmaschine (X2) abgekühlt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Flüssigfraktion mit dem zweiten Sauerstoffgehalt nach der Entnahme aus der Trennsäule (S2) des Destillationssäulensystems (S) mittels wenigstens einer Pumpe (P1) und wenigstens eines Entspannungsventils (V7) kopfseitig in die Mischsäule (S3) eingespeist wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Mischsäule unter einem Mischsäulendruck von Druck von 2 bis 6 bar betrieben wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste
Entspannungsmaschine (X1 ), in welcher der erste Teilstrom arbeitsleistend entspannt wird, mit dem Booster (C1) gekoppelt ist und die zweiten
Entspannungsmaschine (X2), in welcher der erste Teilstrom arbeitsleistend entspannt wird, mit einem Generator und/oder einer Ölbremse (G) gekoppelt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Mischsäulenluft stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung (X2) in dem Hauptwärmetauscher (E1 ) in indirektem Wärmeaustausch mit der stickstoffreichen Fraktion (r) aus der Niederdrucktrennsäule (S2) abgekühlt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Teilstrom, der stromabwärts der
arbeitsleistenden Entspannung (X1 ; X2) in dem Hauptwärmetauscher (E1 ) in indirektem Wärmeaustausch mit einer stickstoffreichen Fraktion (r) aus der Niederdrucktrennsäule (S2) abgekühlt wird, bei einer ersten Zwischentemperatur in den Hauptwärmetauscher (E1 ) eingeleitet wird und die in der Mischsäule (S3) verdampfte Fraktion (z) bei einer zweiten Zwischentemperatur in den
Hauptwärmetauscher (E1 ) eingeleitet, am warmen Ende des
Hauptwärmetauschers (E1 ) wieder entnommen und anschließend gasförmig aus der Luftzerlegungsanlage herausgeführt wird, wobei die zweite
Zwischentemperatur größer oder gleich der ersten Zwischentemperatur ist.
1 1. Luftzerlegungsanlage, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist, mit Mitteln, die dafür eingerichtet sind, zur Gewinnung eines flüssigen Sauerstoffprodukts (LOX) eine Flüssigfraktion mit einem ersten, höheren Sauerstoffgehalt aus einer Trennsäule (S2) eines Destillationssäulensystems (S) der Luftzerlegungsanlage zu entnehmen, und Mitteln, die dafür eingerichtet sind, eine Flüssigfraktion mit einem zweiten, geringeren Sauerstoffgehalt aus derselben Trennsäule (S2) des
Destillationssäulensystems (S) zu entnehmen und zumindest in einer Mischsäule
(S3) bei einem Mischsäulendruck gegen Mischsäulenluft zu verdampfen, mit einem Hauptwärmetauscher (E1) zum Anwärmen der in der Mischsäule verdampften Fraktion (z) gegen abzukühlende Einsatzluft und mit
- einer ersten Entspannungsmaschine (X1 ) zum arbeitsleistenden Entspannen eines ersten Teilstroms der Gesamtluft auf den Betriebsdruck der
Hochdrucktrennsäule (S1)
- Mitteln zum Einleiten des arbeitsleistend entspannten Teilstroms in die
Hochdrucktrennsäule (S1 ),
- einer zweiten Entspannungsmaschine (X2) zum arbeitsleistend Entspannen eines zweiten Teilstroms der Gesamtluft auf den Mischsäulendruck, - Mitteln zum Einleiten des arbeitsleistend entspannten Teilstroms in einen unteren
Bereich in die Mischsäule (S3), und
- Mitteln zum Bereitstellen der beiden Teilströme für die beiden
Entspannungsmaschinen unter unterschiedlichen Eintrittstemperaturen, wobei
- eine (X1 ; X2) der beiden Entspannungsmaschinen mit einem Booster (C1) zum
Verdichten des Luftstroms stromaufwärts einer (X1 ; X2) der mit dem Booster gekoppelten Entspannungsmaschine gekoppelt ist und
- die andere (X2; X1) der beiden Entspannungsmaschinen mechanisch mit einem
Generator und/oder einer Ölbremse (G) gekoppelt ist,
und mit
- Mitteln zum Abkühlen entweder des ersten Teilstroms oder des zweiten
Teilstroms stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung (X1 ; X2) in dem Hauptwärmetauscher (E1) in indirektem Wärmeaustausch mit einer
stickstoffreichen Fraktion (r) aus der Niederdrucktrennsäule (S2).
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