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EP4450910A1 - Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft und luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft und luftzerlegungsanlage Download PDF

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Publication number
EP4450910A1
EP4450910A1 EP23020185.7A EP23020185A EP4450910A1 EP 4450910 A1 EP4450910 A1 EP 4450910A1 EP 23020185 A EP23020185 A EP 23020185A EP 4450910 A1 EP4450910 A1 EP 4450910A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure column
liquid
condenser
pressure
evaporator
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.)
Pending
Application number
EP23020185.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dimitri GOLUBEV
Zhengrong Xu
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 EP23020185.7A priority Critical patent/EP4450910A1/de
Priority to PCT/EP2024/025134 priority patent/WO2024217721A1/de
Publication of EP4450910A1 publication Critical patent/EP4450910A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F25J3/04321—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 oxygen
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    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/42—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being nitrogen
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    • F25J2245/02—Recycle of a stream in general, e.g. a by-pass stream
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    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • 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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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/20—Boiler-condenser with multiple exchanger cores in parallel or with multiple re-boiling or condensing streams

Definitions

  • the present invention relates to a process for the low-temperature separation of air and an air separation plant.
  • Air separation plants have rectification column systems that can be designed as two-column systems, in particular as double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • rectification columns for obtaining nitrogen and/or oxygen in liquid and/or gaseous state i.e. rectification columns for nitrogen-oxygen separation
  • rectification columns can be provided for obtaining other air components, in particular the noble gases krypton, xenon and/or argon.
  • the rectification columns of the rectification column systems mentioned are operated at different pressure levels.
  • Known double column systems have a so-called pressure column (also referred to as high-pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (upper column).
  • the pressure column is traditionally 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. In certain cases, and also in embodiments of the present invention, higher pressure levels can also be used in both rectification columns, but in particular the pressure column.
  • the pressures specified here and below are absolute pressures at the top of the columns specified in each case.
  • a process for the extraction of nitrogen is known in which a double column system is used that has a pressure column and a low-pressure column, whereby the low-pressure column is operated with a top condenser, i.e. a condenser evaporator in which the top gas of the low-pressure column is condensed.
  • a top condenser i.e. a condenser evaporator in which the top gas of the low-pressure column is condensed.
  • DCDC processes are also referred to as "double column, double condenser” or DCDC processes.
  • a DCDC process is particularly suitable for supplying consumers with gaseous nitrogen (GAN) with very low residual contents of foreign components such as oxygen.
  • GAN gaseous nitrogen
  • the US 2021/0372698 A1 discloses a corresponding process in which top gas of the low-pressure column is condensed using the top condenser of the low-pressure column to obtain a condensate, with portions of the condensate being returned to the low-pressure column and the pressure column. Condensate is also returned to the pressure column, which is formed using a condenser-evaporator, the so-called main condenser, which connects the pressure column and the low-pressure column in a heat-exchanging manner, and using top gas from the pressure column. In addition, condensate is returned to the pressure column, which is formed using a further condenser-evaporator and using further top gas from the pressure column.
  • This further condenser-evaporator is operated using supercooled bottom liquid from the pressure column, which is evaporated in an evaporation space of the further condenser-evaporator.
  • the gas produced is used to form a recycle stream, which is subjected to cold compression, cooled in the main heat exchanger of the air separation plant and then fed back into the pressure column.
  • the process also involves residual gas expansion.
  • expansion turbine or “expansion machine” which can be coupled to other expansion turbines or energy converters such as oil brakes, generators or compressors via a common shaft, is designed to expand a gaseous or at least partially liquid stream.
  • expansion turbines for use in the present invention can be designed as turbo expanders. If a compressor is driven with one or more expansion turbines, but without externally supplied energy, for example by means of an electric motor, the term “turbine-driven compressor” or alternatively “turbine booster” is used.
  • a “compressor” is a device that is designed to compress at least one gaseous stream from at least one inlet pressure at which it is fed to the compressor to at least one final pressure at which it is removed from the compressor.
  • a compressor forms a structural unit, which can, however, have several “compressor stages” in the form of piston, screw and/or impeller or turbine arrangements (i.e. axial or radial compressor stages). This also applies in particular to the “main (air) compressor” of an air separation plant, which is characterized by the fact that it compresses the entire or predominant portion of the air quantity fed into the air separation plant, i.e. the entire feed air stream.
  • a "post-compressor” In air separation plants, a "post-compressor",
  • corresponding compressor stages are driven by means of a common drive, for example via a common shaft.
  • a “heat exchanger” is used for the indirect transfer of heat between at least two flows that are, for example, conducted in countercurrent to one another, for example a warm compressed air flow and one or more cold flows or a cryogenic liquid air product and one or more warm flows.
  • a heat exchanger can be formed from a single or several parallel and/or serially connected heat exchanger sections, e.g. from one or more plate heat exchanger blocks.
  • a heat exchanger for example the "main heat exchanger” used in an air separation plant, has “passages” that are designed as separate fluid channels with heat exchange surfaces.
  • the term “secondary heat exchanger” here refers to a heat exchanger provided parallel to the main heat exchanger, through which part of the feed air is conducted parallel to the main heat exchanger.
  • a "condenser-evaporator” is a heat exchanger in which a condensing material flow enters into indirect heat exchange with an evaporating material flow.
  • Each condenser-evaporator has a condensation chamber and an evaporation chamber.
  • the condensation and evaporation chambers have condensation and evaporation passages, respectively.
  • the condensation (liquefaction) of the condensing material flow takes place in the condensation chamber, and the evaporation of the evaporating material flow takes place in the evaporation chamber.
  • the evaporation and condensation chambers are formed by groups of passages that are in a heat exchange relationship with one another.
  • a liquid flow is pressed through the evaporation chamber by means of its own pressure or the respective line pressure and is partially or completely evaporated there.
  • the required pressure can be generated, for example, by a liquid column in the supply line to the evaporation chamber, which results from a corresponding positioning of a liquid reservoir, but also from a pressure of a rectification column from which a corresponding material stream is taken.
  • the height of the liquid column mentioned or a line pressure corresponds at least to the pressure loss in the evaporation chamber.
  • the gas or gas-liquid mixture emerging from the evaporation chamber i.e.
  • a two-phase stream in particular be passed on directly to the next process step or to a downstream device or evaporation and the like.
  • this is not introduced into a liquid bath of the condenser evaporator from which the remaining liquid portion would be sucked in again, as is the case, for example, in a conventional bath evaporator operated on the basis of the thermosiphon effect.
  • a condenser evaporator designed as a "once through" condenser evaporator is also referred to.
  • the terms are also used synonymously.
  • pressure level and "temperature level” to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that corresponding pressures and temperatures in a corresponding system do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values in order to implement the inventive concept.
  • pressures and temperatures typically move in certain ranges, which are, for example, ⁇ 1%, 5%, 10%, 20% or even 50% around an average value.
  • Corresponding pressure levels and temperature levels can lie in disjoint ranges or in ranges that overlap one another.
  • pressure levels for example, include unavoidable or expected pressure losses, for example due to cooling effects. The same applies to temperature levels.
  • the proposed method for the low-temperature separation of air is carried out using an air separation plant, wherein the air separation plant has a pressure column, a low-pressure column, a first condenser evaporator and a second condenser evaporator, in the first condenser evaporator, top gas of the pressure column is condensed and in the second condenser evaporator, top gas of the low-pressure column is condensed, in the first condenser evaporator, a first liquid, which in particular originates from the low-pressure column and is collected there in particular by means of a liquid collector can be collected, is partially evaporated to obtain a first residual liquid and a first evaporation gas, in the first condenser evaporator a second liquid which is collected in the pressure column, discharged from the pressure column and expanded, is partially evaporated to obtain a second residual liquid and a second evaporation gas, the first residual liquid or a part thereof is evaporated in the second condenser evaporator
  • the main condenser which connects the pressure column and the low-pressure column in a heat-exchanging manner, is designed as a condenser evaporator with forced guidance. It advantageously has two independent evaporation structures, i.e. evaporation passages or corresponding passage groups, so that two material flows can be evaporated independently of one another.
  • a booster used for a recirculation flow is advantageously combined with a residual gas expander and, if necessary, with an oil brake. This results in a particularly effective and cost-effective process and a correspondingly advantageous design.
  • the proposed method also has advantages over a so-called SPECTRA method, as used for example in the WO 2021/180362 A1 Please refer to the explanations on page 2 of this publication and the description therein of Figure 1 is expressly referred to here.
  • the proposed process is also advantageous compared to modified variants thereof. For example, when producing nitrogen with less than 1 ppm (millionth of a part) of argon and less than 1 ppb (billionth of a part) of oxygen at an absolute pressure level of approx. 11 bar, energy savings of up to 4% are achieved.
  • a corresponding process can, for example, be used to produce corresponding nitrogen in an amount of 25,000 to 50,000, in particular 36,600 standard cubic metres per hour. This is especially true if no liquid nitrogen product is provided.
  • the second liquid can be partially evaporated in the first condenser evaporator at a partial evaporation pressure level that can be at least 500 mbar, in particular more than 1 bar and up to 2.0 bar higher than a pressure level at the top of the low-pressure column.
  • the second residual liquid and the second evaporation gas can also be subjected to a phase separation, in particular as a two-phase stream, into the second residual liquid and the second evaporation gas at the partial evaporation pressure level, in particular in a suitable phase separator.
  • the second evaporation gas or its part that is subjected to compression in the booster and fed back into the pressure column can be fed to the booster in particular at the partial evaporation pressure level.
  • the second evaporation gas or the part thereof which is subjected to compression in the booster and fed back into the pressure column will, in embodiments of the invention, be fed into the pressure column in particular together with compressed and cooled feed air. This is a clear difference from the known SPECTRA processes.
  • the pressure in the evaporation chamber of the main condenser and a subsequent phase separator is already noticeably higher than the pressure in the low-pressure column.
  • the correspondingly high intake pressure for the booster means that a higher circulation volume can be achieved with the power available for driving.
  • the higher circulation volume leads to an increase in efficiency (i.e. an increase in the product yield).
  • the first condenser evaporator can have first evaporation passages for evaporating the first liquid and second evaporation passages for evaporating the second liquid. These can be designed in particular as parallel-connected, plate-shaped passages of a plate heat exchanger.
  • the pressure column can be operated in particular at a pressure level of 10 to 13 bar at the top of the pressure column, for example approximately 11.4 bar at this point. In this way, subsequent compression can be dispensed with.
  • a product pressure of approximately 11.1 bar for example (due to pressure losses in heat exchangers, lines, valves and metering orifices), a head pressure of approximately 11.4 bara is required.
  • the second liquid can be removed from the pressure column in an area that is 1 to 5 theoretical plates above its bottom.
  • the plates below the removal point serve in particular to separate hydrocarbons and other "high boilers", which in this way only collect in the bottom, whereas the second liquid is in particular essentially free of hydrocarbons.
  • liquid is advantageously continuously or periodically removed from the bottom of the pressure column in the form of a so-called purge or flushing stream and in particular discharged from the air separation plant in order to avoid an enrichment of hydrocarbons and thus the formation of undesirable mixtures.
  • Nitrous oxide can also be separated by about 84%, again relative to the amount that passes through the air purification.
  • the separation rates of other components are, for example, about 69% in the case of ethane, about 15% for ethylene and 2.5% for methane, which is a less critical component.
  • the term "high boilers" refers to components that have a higher evaporation temperature than oxygen.
  • the second liquid can be removed from the pressure column or from the bottom of the pressure column.
  • a purge stream can be discharged at another location, with essentially a comparable or similar effect as before.
  • the hydrocarbons pass in particular into the bottom liquid of the low-pressure column.
  • a purge stream can then be withdrawn from the bottom of the low-pressure column and the remaining liquid can be fed into the second condenser evaporator.
  • This can be designed in particular as a block-in-kettle condenser evaporator, ie have an evaporation chamber into which the second liquid is fed. The purge stream can be discharged from this evaporation chamber.
  • liquid can be collected in particular in a head region of the low-pressure column, pressure-increased by means of a pump and fed into the pressure column, in particular as reflux.
  • the first and/or the second liquid can be subcooled before evaporation, in particular in a countercurrent subcooling system.
  • the first residual liquid or the part thereof which evaporates in the second condenser evaporator, is subjected to expansion in the expansion turbine and is discharged from the air separation plant can be heated in particular before and after expansion in order to be able to provide cooling capacity in this way.
  • the second evaporation gas or the part thereof which is subjected to compression in the booster and fed back into the pressure column can be fed to the booster at a temperature level of -175 to -160 °C and cooled after compression and before being fed back into the pressure column.
  • a corresponding process can in particular comprise the use of an air separation plant with a pure oxygen column, wherein the pure oxygen column is fed using liquid which is taken from the low-pressure column via an intermediate withdrawal, and wherein the pure oxygen column is operated using a bottom reboiler in which further top gas from the pressure column is condensed.
  • pure oxygen with a content of 10 ppb argon or less can be taken from a bottom of the pure oxygen column.
  • the proposed air separation plant comprises a pressure column, a low pressure column, a first condenser evaporator and a second Condenser evaporator. It is designed to at least partially condense top gas of the pressure column in the first condenser evaporator and top gas of the low-pressure column in the second condenser evaporator.
  • the air separation plant is designed to partially evaporate a first liquid in the first condenser evaporator to obtain a first residual liquid and a first evaporation gas and to collect the first liquid beforehand, in particular in the low-pressure column.
  • Different embodiments of the invention may include, have, consist of, or consist essentially of other useful combinations of the described elements, components, features, parts, steps, means, etc., even if such combinations are not specifically described herein.
  • the disclosure may include other inventions that are not currently claimed, but that may be claimed in the future, particularly if they are included within the scope of the independent claims.
  • FIG. 1 an air separation plant according to a proposed embodiment is illustrated and designated overall by 100.
  • the air separation plant 100 comprises a warm part 110 in which, in a manner explained many times elsewhere, feed air is compressed by means of a main air compressor, cooled, cleaned and dried using a prepurification unit, and used as Feed air stream A is provided.
  • the feed air stream A is cooled in a main heat exchanger 1 and fed together with a recycle stream L explained below into a pressure column 11 of a rectification column system 10 which also comprises a low-pressure column 12 which is connected to the pressure column 11 in a heat-exchanging manner via a main condenser 11a.
  • a top gas and a bottom liquid are formed in the pressure column 11.
  • the bottom liquid is discharged from the pressure column 11 in the form of a material stream B.
  • the top gas is removed from the pressure column 11 in the form of a material stream C.
  • a partial stream D is heated in a subcooling countercurrent 2 and then in the main heat exchanger 1 and discharged from the air separation plant 100 as a gaseous compressed nitrogen product, for example in an amount of 36,600 standard cubic meters per hour and at a pressure level of 10 to 13 bar, in particular at a pressure level of 11.1 bar, which in particular can also correspond to an operating pressure level of the pressure column 11.
  • Further top gas is liquefied in the form of a partial stream E in the main condenser 11a and returned to the pressure column 11 as condensate.
  • the aforementioned removal of liquid from the pressure column 11 takes place in the form of stream B. This is passed through the subcooling countercurrent device 2 and then partially evaporated in the main condenser 11a to obtain a two-phase stream I.
  • This two-phase stream I is fed into a phase separator 3. Liquid removed from the phase separator 3 is fed into the low-pressure column 12 in the form of stream K, specifically into an area that is several theoretical plates above the bottom of the low-pressure column 12. Gas removed from the phase separator 3 is compressed in the form of the aforementioned stream L as a recycle stream in a (cold) booster 4a of a booster turbine 4, cooled in the main heat exchanger 1 and fed into the pressure column 11 together with the feed air stream A.
  • the pressure in the phase separator 3 (or already in the evaporation space of the main condenser 11a) is noticeably higher than the pressure in the low-pressure column 12.
  • the correspondingly high intake pressure for the booster 4a means that a higher circulation volume can be achieved with the power available for driving.
  • the higher circulation volume leads to an increase in efficiency (ie an increase in the product yield).
  • Bottom liquid is taken from the low-pressure column 12 in the form of a material stream M, passed through the subcooling countercurrent 2 and evaporated in a condenser evaporator 12a to obtain a material stream N.
  • the material stream N is heated in the subcooling countercurrent 2 and then in the main heat exchanger 1, expanded in an expansion turbine 4b of the booster turbine 4, heated again in the main heat exchanger 1 and discharged as residual gas from the air separation plant 100 or used in a known manner in the warm part 110 of the air separation plant 100.
  • a purge stream U is discharged in liquid form from an evaporation space 12d, in which the condenser evaporator 12a is arranged here.
  • Top gas from the low-pressure column 12 is condensed in the condenser evaporator 12a in the form of a material stream O and returned to the low-pressure column 12 as reflux. Further top gas from the low-pressure column 12 is heated in the form of a material stream P in the subcooling countercurrent device 2 and then in the main heat exchanger 1 and used, for example, as sealing gas.
  • Nitrogen-rich liquid in the form of a material stream Q is taken from a liquid collector at the top of the low-pressure column 12 and fed to the subcooling countercurrent device 2 by means of a pump 5.
  • a partial stream R is discharged as a liquid nitrogen product from the air separation plant 100, a partial stream S is fed back into the pressure column 11.
  • the main condenser 11a is designed as a forced-flow or once-through condenser evaporator and is arranged in a space 12b which is separated from the rest of the interior of the low-pressure column 12 by means of a liquid collector 12c. Liquid collected by the liquid collector 12c and flowing down from above is guided through the main condenser 11a in the form of a stream T by means of the pressure of a liquid column and is partially evaporated, with an evaporated portion rising into the part of the low-pressure column 12 located above the liquid collector 12c and an unevaporated portion flowing into the bottom and in this way being used to form the stream M.
  • FIG. 2 an air separation plant according to a further embodiment is illustrated and designated overall by 200.
  • the material stream B is taken as a purge or flushing stream from the pressure column 11 and is discharged from the plant 200 as a whole in order to remove high boilers via the bottom liquid which is produced in smaller quantities here.
  • a few trays above the bottom liquid is discharged in the form of a material stream F and partially immediately afterwards expanded in the form of a material stream G and fed back into the pressure column 11.
  • the remainder is, comparable to the material stream B in the Figure 1 illustrated embodiment of the plant 100, in the form of a material flow H through the subcooling countercurrent 2 and partially evaporated in the main condenser 11a to obtain a material flow, also designated here with I, which is further processed as above.
  • FIG. 3 an air separation plant according to a further embodiment is illustrated and designated overall by 300.
  • a pure oxygen column 13 is provided which is fed with a material stream V which may need to be supercooled and which is taken from the low-pressure column 12 via a side outlet.
  • a bottom reboiler 13a of the pure oxygen column 13 is heated with top gas from the pressure column 11 in the form of a material stream W, which is condensed and returned to the pressure column 11.
  • a pure oxygen stream X is discharged from the bottom of the pure oxygen column 13, a residual gas Y is withdrawn from the top and combined with the material stream N.
  • the pure oxygen of the material stream X can be stored as a liquid product or the pressure can be increased using a pressure build-up evaporator or a pump and evaporated in the heat exchanger 1.

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Abstract

Ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) wird vorgeschlagen, wobei die Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) eine Druckkolonne (11), eine Niederdruckkolonne (12), einen ersten Kondensatorverdampfer (11a) und einen zweiten Kondensatorverdampfer (12b) aufweist, wobei in dem ersten Kondensatorverdampfer (11a) Kopfgas der Druckkolonne (11) und dem zweiten Kondensatorverdampfer (12a) Kopfgas der Niederdruckkolonne (12) kondensiert wird, wobei in dem ersten Kondensatorverdampfer (11a) eine erste Flüssigkeit unter Erhalt einer ersten Restflüssigkeit und eines ersten Verdampfungsgases teilverdampft wird, wobei in dem ersten Kondensatorverdampfer (11a) zweite Flüssigkeit, die in der Druckkolonne (11) gesammelt, aus der Druckkolonne (11) ausgeleitet und entspannt wird, wobei unter Erhalt einer zweiten Restflüssigkeit und eines zweiten Verdampfungsgases teilverdampft wird, wobei die erste Restflüssigkeit oder ein Teil hiervon in dem zweiten Kondensatorverdampfer (12a) verdampft, einer Entspannung in einer mit einem Booster (4a) gekoppelten Entspannungsturbine (4b) unterworfen und aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) ausgeleitet wird, und wobei das zweite Verdampfungsgas oder ein Teil hiervon einer Verdichtung in dem Booster (4a) unterworfen und in die Druckkolonne (11) rückgespeist wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) wird ebenfalls vorgeschlagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine Luftzerlegungsanlage.
    • Hintergrund
  • Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
  • Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die als Zweikolonnensysteme, insbesondere als Doppelkolonnensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
  • Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Druckkolonne (auch als Hochdruckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (obere Kolonne) auf. Die Druckkolonne wird klassischerweise 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, und auch in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, können in beiden Rektifikationskolonnen, insbesondere aber der Druckkolonne, auch höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen.
  • Je nach den geforderten Produktspektren (d.h. der absolut und relativ zueinander bereitzustellenden Mengen an unterschiedlichen flüssigen und/oder gasförmigen Luftprodukten) eignen sich unterschiedliche Anlagenkonfigurationen von Luftzerlegungsanlagen unterschiedlich gut.
  • So ist aus der EP 3 521 739 A1 beispielsweise ein Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff bekannt, bei dem ein Doppelkolonnensystem eingesetzt wird, das eine Druckkolonne und eine Niederdruckkolonne aufweist, wobei die Niederdruckkolonne mit einem Kopfkondensator betrieben wird, also einem Kondensatorverdampfer, in dem Kopfgas der Niederdruckkolonne kondensiert wird. Entsprechende Verfahren werden auch als "Double Column, Double Condenser"- bzw. DCDC-Verfahren bezeichnet. Ein DCDC-Verfahren ist insbesondere für eine Versorgung von Verbrauchern mit gasförmigem Stickstoff (GAN) mit sehr geringen Restgehalten an Fremdkomponenten wie Sauerstoff geeignet.
  • Die US 2021/0372698 A1 offenbart ein entsprechendes Verfahren, bei dem unter Verwendung des Kopfkondensators der Niederdruckkolonne unter Erhalt eines Kondensats Kopfgas der Niederdruckkolonne kondensiert wird, wobei Anteile des Kondensats auf die Niederdruckkolonne und die Druckkolonne rückgeführt werden. Auf die Druckkolonne wird ferner Kondensat zurückgeführt, das unter Verwendung eines die Druckkolonne und die Niederdruckkolonne wärmetauschend verbindenden Kondensatorverdampfers, des sogenannten Hauptkondensators, und unter Verwendung von Kopfgas der Druckkolonne gebildet wird. Zudem wird auf die Druckkolonne Kondensat zurückgeführt, das unter Verwendung eines weiteren Kondensatorverdampfers und unter Verwendung von weiterem Kopfgas der Druckkolonne gebildet wird. Dieser weitere Kondensatorverdampfer wird unter Verwendung von unterkühlter Sumpfflüssigkeit der Druckkolonne betrieben, die in einem Verdampfungsraum des weiteren Kondensatorverdampfers verdampft wird. Das dabei gebildete Gas wird zur Bildung eines Kreislaufstroms verwendet, der einer Kaltverdichtung unterworfen, im Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage abgekühlt, und danach in die Druckkolonne rückgespeist wird. In dem Verfahren wird ferner eine Restgasentspannung vorgenommen.
  • Während das in der US 2021/0372698 A1 beschriebene Verfahren gewisse Vorteile aufweisen kann, ist der verwendete Aufbau relativ aufwendig und umfasst drei Kondensatorverdampfer und zwei drehende Einheiten (in Form der Turbine zur Restgasentspannung und des Kaltverdichters). Es besteht der Bedarf nach Verbesserungen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine Luftzerlegungsanlage mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Nachfolgend wird vor einer eingehenderen Befassung mit Merkmalen und Vorteilen von Ausgestaltungen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert und der entsprechende technische Hintergrund diskutiert.
  • Eine "Entspannungsturbine" bzw. "Entspannungsmaschine", die über eine gemeinsame Welle mit weiteren Entspannungsturbinen oder Energiewandlern wie Ölbremsen, Generatoren oder Verdichtern gekoppelt sein kann, ist zur Entspannung eines gasförmigen oder zumindest teilweise flüssigen Stroms eingerichtet. Insbesondere können Entspannungsturbinen zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung als Turboexpander ausgebildet sein. Wird ein Verdichter mit einer oder mehreren Entspannungsturbinen angetrieben, jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors, zugeführte Energie, wird der Begriff "turbinengetriebener Verdichter" oder alternativ "Turbinenbooster" verwendet.
  • Ein "Verdichter" ist eine Vorrichtung, die zum Verdichten wenigstens eines gasförmigen Stroms von wenigstens einem Eingangsdruck, bei dem dieser dem Verdichter zugeführt wird, auf wenigstens einen Enddruck, bei dem dieser dem Verdichter entnommen wird, eingerichtet ist. Ein Verdichter bildet eine bauliche Einheit, die jedoch mehrere "Verdichterstufen" in Form von Kolben-, Schrauben- und/oder Schaufelrad- bzw. Turbinenanordnungen (also Axial- oder Radialverdichterstufen) aufweisen kann. Dies gilt auch insbesondere für den "Haupt(luft)verdichter" einer Luftzerlegungsanlage, der sich dadurch auszeichnet, dass durch diesen die gesamte oder der überwiegende Anteil der in die Luftzerlegungsanlage eingespeisten Luftmenge, also der gesamte Einsatzluftstrom, verdichtet wird. In Luftzerlegungsanlagen kann ein "Nachverdichter",
  • in dem ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Luftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird, vorgesehen und ebenfalls mehrstufig ausgebildet sein. Insbesondere werden entsprechende Verdichterstufen mittels eines gemeinsamen Antriebs, beispielsweise über eine gemeinsame Welle, angetrieben.
  • Ein "Wärmetauscher" dient zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei z.B. im Gegenstrom zueinander geführten Strömen, beispielsweise einem warmen Druckluftstrom und einem oder mehreren kalten Strömen oder einem tiefkalten flüssigen Luftprodukt und einem oder mehreren warmen Strömen. Ein Wärmetauscher kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Ein Wärmetauscher, beispielsweise auch der in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzte "Hauptwärmetauscher", weist "Passagen" auf, die als voneinander getrennte Fluidkanäle mit Wärmeaustauschflächen ausgebildet sind. Der Begriff "Nebenwärmetauscher" bezeichnet hier einen parallel zu dem Hauptwärmetauscher bereitgestellten Wärmetauscher, durch den ein Teil der Einsatzluft parallel zu dem Hauptwärmetauscher geführt wird.
  • Als "Kondensatorverdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein kondensierender Stoffstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem verdampfenden Stoffstrom 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 Stoffstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des verdampfenden Stoffstroms. Der Verdampfungs- und der Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
  • In einem "Forced-Flow"-Kondensatorverdampfer bzw. Kondensatorverdampfer mit Zwangsführung, der auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, wird ein Flüssigkeitsstrom mittels seines eigenen Drucks bzw. des jeweiligen Leitungsdrucks durch den Verdampfungsraum gedrückt und dort partiell oder vollständig verdampft. Der erforderliche Druck kann beispielsweise durch eine Flüssigkeitssäule in der Zuleitung zum Verdampfungsraum erzeugt werden, die sich aus einer entsprechenden Positionierung eines Flüssigkeitsreservoirs ergibt, aber auch aus einem Druck einer Rektifikationskolonne, aus der ein entsprechender Stoffstrom entnommen wird. Die Höhe der genannten Flüssigkeitssäule bzw. ein Leitungsdruck entspricht dabei mindestens dem Druckverlust im Verdampfungsraum. Das aus dem Verdampfungsraum austretende Gas oder Gas-Flüssigkeitsgemisch, d.h. im letzteren Fall ein Zweiphasenstrom, kann dabei insbesondere direkt zum nächsten Verfahrensschritt bzw. zu einer stromabwärtigen Vorrichtung oder Verdampfung und dergleichen weitergeleitet werden. Dieses bzw. dieser wird insbesondere nicht in ein Flüssigkeitsbad des Kondensatorverdampfers eingeleitet, aus dem der flüssig verbliebene Anteil erneut angesaugt würde, wie dies beispielsweise bei in einem herkömmlichen, auf Grundlage des Thermosiphoneffekts betriebenen Badverdampfer der Fall ist. In einem derartigen Fall wird insbesondere auch von einem als "Once Through"-Kondensatorverdampfer ausgebildeten Kondensatorverdampfer gesprochen. Die Begriffe werden aber auch synonym verwendet.
  • Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten, ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus.
  • Das vorgeschlagene Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft erfolgt unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage, wobei die Luftzerlegungsanlage eine Druckkolonne, eine Niederdruckkolonne, einen ersten Kondensatorverdampfer und einen zweiten Kondensatorverdampfer aufweist, in dem ersten Kondensatorverdampfer Kopfgas der Druckkolonne und in dem zweiten Kondensatorverdampfer Kopfgas der Niederdruckkolonne kondensiert wird, in dem ersten Kondensatorverdampfer eine erste Flüssigkeit, die insbesondere aus der Niederdruckkolonne stammt und dort insbesondere mittels eines Flüssigkeitssammlers gesammelt werden kann, unter Erhalt einer ersten Restflüssigkeit und eines ersten Verdampfungsgases teilverdampft wird, in dem ersten Kondensatorverdampfer eine zweite Flüssigkeit, die in der Druckkolonne gesammelt, aus der Druckkolonne ausgeleitet und entspannt wird, unter Erhalt einer zweiten Restflüssigkeit und eines zweiten Verdampfungsgases teilverdampft wird, die erste Restflüssigkeit oder ein Teil hiervon in dem zweiten Kondensatorverdampfer verdampft, einer Entspannung in einer mit einem Booster gekoppelten Entspannungsturbine unterworfen und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird, und das zweite Verdampfungsgas oder ein Teil hiervon einer Verdichtung in dem Booster unterworfen und in die Druckkolonne rückgespeist wird.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden im Gegensatz zu dem eingangs unter Bezugnahme auf die US 2021/0372698 A1 beschriebenen Verfahren vorteilhafterweise nur zwei (nicht drei) Kondensatorverdampfer eingesetzt. Der Hauptkondensator, der die Druckkolonne und die Niederdruckkolonne wärmetauschend verbindet, ist dabei als Kondensatorverdampfer mit Zwangsführung ausgebildet. Er weist vorteilhafterweise zwei unabhängigen Verdampfungsstrukturen, also Verdampfungspassagen bzw. entsprechende Passagengruppen auf, so dass zwei Stoffströme unabhängig voneinander verdampft werden können. Vorteilhafterweise ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung und entsprechender Ausgestaltungen nur eine drehende Maschine erforderlich. Ein für einen Kreislaufstrom verwendeter Booster ist vorteilhafterweise mit einem Restgasexpander und ggf. mit einer Ölbremse kombiniert. Auf diese Weise ergeben sich ein besonders effektives und kostengünstiges Verfahren und eine entsprechend vorteilhafte Bauweise.
  • Das vorgeschlagene Verfahren weist auch Vorteile gegenüber einem sogenannten SPECTRA-Verfahren auf, wie es beispielsweise in der In der WO 2021/180362 A1 beschrieben ist. Auf die Erläuterungen auf Seite 2 dieser Druckschrift und die dortige Beschreibung zu Figur 1 wird vorliegend ausdrücklich Bezug genommen. Auch gegenüber modifizierten Varianten hiervon ist das vorgeschlagene Verfahren vorteilhaft. So ergeben sich beispielsweise bei der Herstellung von Stickstoff mit weniger als 1 ppm (Millionstel Teilen) Argon und weniger als1 ppb (Milliardstel Teilen) Sauerstoff auf einem Absolutdruckniveau von ca. 11 bar Einergieeinsparungen von bis zu 4%. Ein entsprechendes Verfahren kann beispielsweise für eine Produktion von entsprechendem Stickstoff in einer Menge von 25.000 bis 50.000, insbesondere 36.600 Normkubikmetern pro Stunde verwendet werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn kein Flüssigstickstoffprodukt bereitgestellt wird.
  • In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die zweite Flüssigkeit in dem ersten Kondensatorverdampfer auf einem Teilverdampfungsdruckniveau teilverdampft werden, das um mindestens 500 mbar, insbesondere um mehr als 1 bar und bis zu 2.0 bar höher liegen kann als ein Druckniveau am Kopf der Niederdruckkolonne. Hierbei können die zweite Restflüssigkeit und das zweite Verdampfungsgas auch insbesondere als Zweiphasenstrom einer Phasentrennung in die zweite Restflüssigkeit und das zweite Verdampfungsgas auf dem Teilverdampfungsdruckniveau unterworfen werden, insbesondere in einem geeigneten Phasentrenner. Das zweite Verdampfungsgas oder dessen Teil, der der Verdichtung in dem Booster unterworfen und in die Druckkolonne rückgespeist wird, kann dem Booster dabei insbesondere auf dem Teilverdampfungsdruckniveau zugeführt werden.
  • Das zweite Verdampfungsgas oder der Teil hiervon, der der Verdichtung in dem Booster unterworfen und in die Druckkolonne rückgespeist wird, wird in Ausgestaltungen der Erfindung insbesondere zusammen mit verdichteter und abgekühlter Einsatzluft in die Druckkolonne eingespeist werden. Hierin besteht ein deutlicher Unterschied zu den bekannten SPECTRA-Verfahren.
  • In solchen Ausgestaltung ist also insbesondere vorgesehen, dass der Druck im Verdampfungsraum des Hauptkondensators und einem sich anschließenden Phasentrenner bereits spürbar höher ist als der Druck in der Niederdruckkolonne. Der damit auch entsprechend hohe Ansaugdruck für den Booster führt dazu, dass mit der zum Antrieb zur Verfügung stehenden Leistung eine höhere Kreislaufmenge realisiert werden kann. Die höhere Kreislaufmenge führt dabei zur Effizienzsteigerung (d.h. Erhöhung der Produktausbeute).
  • In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann der erste Kondensatorverdampfer erste Verdampfungspassagen zur Verdampfung der ersten Flüssigkeit und zweite Verdampfungspassagen zur Verdampfung der zweiten Flüssigkeit aufweisen. Diese können insbesondere als parallel geschaltete, plattenförmige Passagen eines Plattenwärmetauschers ausgebildet sein.
  • Die Druckkolonne kann in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung insbesondere auf einem Druckniveau von 10 bis 13 bar am Kopf der Druckkolonne, beispielsweise ca. 11,4 bar an dieser Stelle, betrieben werden. Auf diese Weise kann auf eine anschließende Verdichtung verzichtet werden. Für einen Produktdruck von ca. 11,1 bar wird beispielsweise (aufgrund von Druckverlusten in Wärmetauschern, Leitungen, Ventilen und Messblenden) ein Kopfdruck von ca. 11,4 bara benötigt
  • In einer Ausgestaltung kann die zweite Flüssigkeit der Druckkolonne in einem Bereich entnommen werden, der 1 bis 5 theoretische Böden oberhalb von deren Sumpf liegt. Die unterhalb der Entnahmestelle liegenden Böden dienen insbesondere dazu, Kohlenwasserstoffe und andere "Schwersieder" abzutrennen, die sich auf diese Weise nur im Sumpf sammeln, wohingegen die zweite Flüssigkeit insbesondere im Wesentlichen frei von Kohlenwasserstoffen ist. In einer derartiger Ausgestaltung wird vorteilhafterweise dem Sumpf der Druckkolonne kontinuierlich oder periodisch Flüssigkeit in Form eines sogenannten Purge- bzw. Spülstroms entnommen und insbesondere aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet, um auf diese Weise eine Anreicherung von Kohlenwasserstoffen und damit die Bildung unerwünschter Gemische zu vermeiden. Schon mit zwei theoretischen Böden werden bei einem Propangehalt der Einsatzluft stromab der vorgeschalteten Luftreinigung (mit einer beispielsweise angenommenen Propanrückhaltung im Molekularsieb der Prepurification Unit, PPU, von ca. 85%) 99,8% des Propans über den Spülstrom entfernt. Auch Lachgas kann zu ca. 84%, wieder relativ zu der Menge, die die Luftreinigung passiert, abgeschieden werden. Die Abscheidungsraten anderer Komponenten liegen beispielsweise bei ca. 69% im Fall von Ethan, ca. 15% bei Ethylen und 2,5% bei Methan, das eine weniger kritische Komponente darstellt. Der Begriff "Schwersieder" bezeichnet Komponenten, die eine höhere Verdampfungstemperatur als Sauerstoff aufweisen.
  • In anderen Ausgestaltungen kann die zweite Flüssigkeit aus der Druckkolonne aber auch aus dem Sumpf der Druckkolonne entnommen werden. Ein Purgestrom kann in dieser Ausgestaltung an anderer Stelle, mit im Wesentlichen vergleichbarem oder ähnlichem Effekt wie zuvor, ausgeleitet werden. Die Kohlenwasserstoffe gehen in einer derartigen Ausgestaltung insbesondere in die Sumpfflüssigkeit der Niederdruckkolonne über. Aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne kann dann entsprechend ein Spülstrom abgezogen und die restliche Flüssigkeit in den zweiten Kondensatorverdampfer eingespeist werden. Dieser kann insbesondere als Block-in-Kettle-Kondensatorverdampfer ausgebildet sein, d.h. einen Verdampfungsraum aufweisen, in den die zweite Flüssigkeit eingespeist wird. Aus diesem Verdampfungsraum kann der Purgestrom ausgeleitet werden.
  • Lediglich der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass weiteres Kopfgas der Druckkolonne als Druckstickstoffprodukt bereitgestellt wird.
  • In dem Verfahren kann insbesondere in einem Kopfbereich der Niederdruckkolonne Flüssigkeit gesammelt, mittels einer Pumpe druckerhöht und in Druckkolonne eingespeist werden, insbesondere als Rücklauf.
  • Die erste und/oder die zweite Flüssigkeit können vor ihrer Verdampfung insbesondere in einem Unterkühlungsgegenströmer unterkühlt werden. Die erste Restflüssigkeit oder der Teil hiervon, die oder der in dem zweiten Kondensatorverdampfer verdampft, der Entspannung in der Entspannungsturbine unterworfen und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird, kann insbesondere vor und nach der Entspannung erwärmt werden, um auf diese Weise Kühlleistung bereitstellen zu können. Das zweite Verdampfungsgas oder der Teil hiervon, das oder der der Verdichtung in dem Booster unterworfen und in die Druckkolonne rückgespeist wird, kann dem Booster auf einem Temperaturniveau von -175 bis -160 °C zugeführt und nach der Verdichtung und vor der Rückspeisung in die Druckkolonne abgekühlt werden.
  • Ein entsprechendes Verfahren kann in Ausgestaltungen insbesondere die Verwendung einer Luftzerlegunsanlage mit einer Reinsauerstoffkolonne umfassen, wobei die Reinsauerstoffkolonne unter Verwendung von Flüssigkeit, die über eine Zwischenentnahme aus der Niederdruckkolonne entnommen wird, gespeist wird, und wobei die Reinsauerstoffkolonne unter Verwendung eines Sumpfaufkochers betrieben wird, in dem weiteres Kopfgas der Druckkolonne kondensiert wird. Aus einem Sumpf der Reinsauerstoffkolonne kann in dieser Ausgestaltung insbesondere Reinsauerstoff mit einem Gehalt von 10 ppb Argon oder weniger entnommen werden.
  • Die vorgeschlagene Luftzerlegungsanlage weist eine Druckkolonne, eine Niederdruckkolonne, einen ersten Kondensatorverdampfer und einen zweiten Kondensatorverdampfer auf. Sie ist dafür eingerichtet ist, in dem ersten Kondensatorverdampfer Kopfgas der Druckkolonne und in dem zweiten Kondensatorverdampfer Kopfgas der Niederdruckkolonne zumindest teilweise zu kondensieren. Die Luftzerlegungsanlage ist dafür eingerichtet, eine erste Flüssigkeit in dem ersten Kondensatorverdampfer unter Erhalt einer ersten Restflüssigkeit und eines ersten Verdampfungsgases teilzuverdampfen und die erste Flüssigkeit zuvor insbesondere in der Niederdruckkolonne zu sammeln. Sie ist ferner dafür eingerichtet ist, in der Druckkolonne eine zweite Flüssigkeit zu sammeln und die zweite Flüssigkeit aus der Druckkolonne auszuleiten und zu entspannen und in dem ersten Kondensatorverdampfer unter Erhalt einer zweiten Restflüssigkeit und eines zweiten Verdampfungsgases teilzuverdampfen. Außerdem ist die Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet, die erste Restflüssigkeit oder einen Teil hiervon in dem zweiten Kondensatorverdampfer zu verdampfen, einer Entspannung in einer mit einem Booster gekoppelten Entspannungsturbine zu unterwerfen und aus der Luftzerlegungsanlage auszuleiten, und das zweite Verdampfungsgas oder einen Teil hiervon einer Verdichtung in dem Booster zu unterwerfen und in die Druckkolonne rückzuspeisen.
  • Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen der vorgeschlagenen Luftzerlegungsanlage und Ausgestaltungen hiervon sei auf die obigen Erläuterungen betreffend des vorgeschlagenen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ausdrücklich verwiesen, da diese hierfür in gleicher Weise gelten.
  • Entsprechendes gilt auch für entsprechende Luftzerlegungsanlagen, die gemäß Ausgestaltungen der Erfindung dazu eingerichtet sind, Verfahren gemäß beliebiger Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Figur 1 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
    • Figur 2 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
    • Figur 3 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen werden lediglich zu dem Zweck beschrieben, den Leser beim Verständnis der beanspruchten und zuvor erläuterten Merkmale zu unterstützen. Sie stellen lediglich repräsentative Beispiele dar und sollen hinsichtlich der Merkmale der Erfindung nicht abschließend und/oder beschränkend betrachtet werden. Es versteht sich, dass die zuvor und nachfolgend beschriebenen Vorteile, Ausführungsformen, Beispiele, Funktionen, Merkmale, Strukturen und/oder anderen Aspekte nicht als Beschränkungen des Umfangs der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, oder als Beschränkungen von Äquivalenten zu den Ansprüchen zu betrachten sind, und dass andere Ausführungsformen verwendet und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.
  • Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung können weitere zweckmäßige Kombinationen der beschriebenen Elemente, Komponenten, Merkmale, Teile, Schritte, Mittel usw. umfassen, aufweisen, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen, auch wenn solche Kombinationen hier nicht spezifisch beschrieben sind. Darüber hinaus kann die Offenbarung andere Erfindungen umfassen, die gegenwärtig nicht beansprucht sind, die aber in Zukunft beansprucht werden können, insbesondere wenn sie vom Umfang der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
  • Erläuterungen, die sich auf Vorrichtungen, Apparate, Anordnungen, Systeme usw. gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen, können auch für Verfahren, Prozesse, Methoden usw. gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelten und umgekehrt. Gleiche, gleich wirkende, in ihrer Funktion einander entsprechende, baulich identisch oder vergleichbar aufgebaute Elemente, Verfahrensschritte usw. können mit identischen Bezugszeichen angegeben sein.
  • In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer vorgeschlagenen Ausgestaltung veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet.
  • Die Luftzerlegungsanlage 100 umfasst einen warmen Teil 110, in dem in anderenorts vielfach erläuterter Weise Einsatzluft mittels eines Hauptluftverdichters verdichtet, gekühlt, unter Verwendung einer Prepurification Unit gereinigt und getrocknet, und als Einsatzluftstrom A bereitgestellt wird. Der Einsatzluftstrom A wird in einem Hauptwärmetauscher 1 abgekühlt und zusammen mit einem unten erläuterten Kreislaufstrom L in eine Druckkolonne 11 eines Rektifikationskolonnensystems 10 eingespeist, das außerdem eine Niederdruckkolonne 12 umfasst, die über einen Hauptkondensator 11a wärmetauschend mit der Druckkolonne 11 verbunden ist.
  • In der Druckkolonne 11 werden ein Kopfgas und eine Sumpfflüssigkeit gebildet. Die Sumpfflüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms B aus der Druckkolonne 11 ausgeführt. Das Kopfgas wird aus der Druckkolonne 11 in Form eines Stoffstroms C entnommen. Ein Teilstrom D wird in einem Unterkühlungsgegenströmer 2 und anschließend im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und als gasförmiges Druckstickstoffprodukt aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeführt, beispielsweise in einer Menge von 36.600 Normkubikmetern pro Stunde und auf einem Druckniveau von 10 bis 13 bar, insbesondere auf einem Druckniveau von 11,1 bar, das insbesondere auch einem Betriebsdruckniveau der Druckkolonne 11 entsprechen kann. Weiteres Kopfgas wird in Form eines Teilstroms E in dem Hauptkondensator 11a verflüssigt und als Kondensat auf die Druckkolonne 11 zurückgeführt.
  • Die bereits erwähnte Entnahme von Flüssigkeit aus der Druckkolonne 11 erfolgt in Form des Stoffstrom B. Dieser wird durch den Unterkühlungsgegenströmer 2 geführt und danach in dem Hauptkondensator 11a unter Erhalt eines Zweiphasenstroms I teilverdampft. Dieser Zweiphasenstrom I wird in einen Phasentrenner 3 eingespeist. Aus dem Phasentrenner 3 entnommene Flüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms K in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist, und zwar in einen Bereich, der mehrere theoretische Böden oberhalb des Sumpfs der Niederdruckkolonne 12 liegt. Aus dem Phasentrenner 3 entnommenes Gas wird in Form des erwähnten Stoffstroms L als Kreislaufstrom in einem (Kalt-)Booster 4a einer Boosterturbine 4 verdichtet, im Hauptwärmetauscher 1 abgekühlt und zusammen mit dem Einsatzluftstrom A in die Druckkolonne 11 eingespeist. Ein Aspekt der hier veranschaulichten Ausgestaltung ist insbesondere, wie erwähnt, dass der Druck in dem Phasentrenner 3 (bzw. bereits im Verdampfungsraum des Hauptkondensators 11a) spürbar höher ist als der Druck in der Niederdruckkolonne 12. Der damit auch entsprechend hohe Ansaugdruck für den Booster 4a führt dazu, dass mit der zum Antrieb zur Verfügung stehenden Leistung eine höhere Kreislaufmenge realisiert werden kann. Die höhere Kreislaufmenge führt dabei zur Effizienzsteigerung (d.h. Erhöhung der Produktausbeute).
  • Sumpfflüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms M aus der Niederdruckkolonne 12 entnommen, durch den Unterkühlungsgegenströmer 2 geführt und in einem Kondensatorverdampfer 12a unter Erhalt eines Stoffstroms N verdampft. Der Stoffstrom N wird in dem Unterkühlungsgegenströmer 2 und danach im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt, in einer Entspannungsturbine 4b der Boosterturbine 4 entspannt, im Hauptwärmetauscher 1 erneut erwärmt und als Restgas aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeführt bzw. in bekannter Weise im warmen Teil 110 der Luftzerlegungsanlage 100 verwendet. Ein Purgestrom U wird flüssig aus einem Verdampfungsraum 12d, in dem hier der Kondensatorverdampfer 12a angeordnet ist, ausgeführt. Kopfgas der Niederdruckkolonne 12 wird in dem Kondensatorverdampfer 12a in Form eines Stoffstroms O kondensiert und als Rücklauf auf die Niederdruckkolonne 12 zurückgeführt. Weiteres Kopfgas der Nierdruckkolonne 12 wird in Form eines Stoffstroms P in dem Unterkühlungsgegenströmer 2 und danach im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und beispielsweise als Sealgas verwendet.
  • Aus einem Flüssigkeitssammler am Kopf der Niederdruckkolonne 12 wird stickstoffreiche Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms Q entnommen und mittels einer Pumpe 5 dem Unterkühlungsgegenströmer 2 zugeführt. Ein Teilstrom R wird als Flüssigstickstoffprodukt aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeführt, ein Teilstrom S in die Druckkolonne 11 zurückgespeist.
  • Der Hauptkondensator 11a ist als Forced-Flow- bzw. Once-Through-Kondensatorverdampfer ausgebildet und in einem Raum 12b angeordnet, der mittels eines Flüssigkeitssammlers 12c von einem übrigen Innenraum der Niederdruckkolonne 12 abgetrennt ist. Mit dem Flüssigkeitssammler 12c gesammelte, von oben herabfließende Flüssigkeit wird mittels des Drucks einer Flüssigkeitssäule in Form eines Stoffstroms T durch den Hauptkondensator 11a geführt und dabei teilverdampft, wobei ein verdampfter Anteil in den oberhalb des Flüssigkeitssammlers 12c gelegenen Teil der Niederdruckkolonne 12 aufsteigt und ein unverdampfter Anteil in den Sumpf abfließt und auf diese Weise zur Bildung des Stoffstroms M verwendet wird.
  • In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung veranschaulicht und insgesamt mit 200 bezeichnet.
  • Im Unterschied zu der in Figur 1 veranschaulichten Anlage 100 wird in der in Figur 2 veranschaulichten Anlage 200 der Stoffstrom B als Purge- bzw. Spülstrom aus der Druckkolonne 11 entnommen und aus der Anlage 200 insgesamt ausgeführt, um über die hier in geringerer Menge anfallende Sumpfflüssigkeit Schwersieder auszuschleusen. Wenige Böden oberhalb des Sumpfs wird Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms F ausgeleitet und teilweise unmittelbar danach in Form eines Stoffstroms G entspannt und in die Druckkolonne 11 zurückgespeist. Der verbleibende Rest wird, vergleichbar wie der Stoffstrom B in der in Figur 1 veranschaulichten Ausgestaltung der Anlage 100, in Form eines Stoffstroms H durch den Unterkühlungsgegenströmer 2 geführt und in dem Hauptkondensator 11a unter Erhalt eines auch hier mit I bezeichneten Stoffstroms, der wie oben weiter verarbeitet wird, teilverdampft.
  • In Figur 3 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung veranschaulicht und insgesamt mit 300 bezeichnet.
  • Im Unterschied zu der in Figur 2 veranschaulichten Anlage 200 ist in der in Figur 3 veranschaulichten Anlage 300 eine Reinsauerstoffkolonne 13 vorgesehen, die mit einem ggf. zu unterkühlenden Stoffstrom V gespeist wird, der der Niederdruckkolonne 12 über eine Seitenentnahme entnommen wird. Ein Sumpfaufkocher 13a der Reinsauerstoffkolonne 13 wird mit Kopfgas der Druckkolonne 11 in Form eines Stoffstroms W beheizt, der dabei kondensiert und in die Druckkolonne 11 zurückgeführt wird. Aus dem Sumpf der Reinsauerstoffkolonne 13 wird ein Reinsauerstoffstrom X ausgeführt, vom Kopf wird ein Restgas Y abgezogen und mit dem Stoffstrom N vereinigt. Der Reinsauerstoff des Stoffstroms X kann als Flüssigprodukt gespeichert oder unter Verwendung einer Druckaufbauverdampfung oder einer Pumpe druckerhöht und in dem Wärmetauscher 1 verdampft werden.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300), wobei
    - die Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) eine Druckkolonne (11), eine Niederdruckkolonne (12), einen ersten Kondensatorverdampfer (11a) und einen zweiten Kondensatorverdampfer (12b) aufweist,
    - in dem ersten Kondensatorverdampfer (11a) Kopfgas der Druckkolonne (11) und in dem zweiten Kondensatorverdampfer (12a) Kopfgas der Niederdruckkolonne (12) kondensiert wird,
    - in dem ersten Kondensatorverdampfer (11a) eine erste Flüssigkeit, unter Erhalt einer ersten Restflüssigkeit und eines ersten Verdampfungsgases teilverdampft wird,
    - in dem ersten Kondensatorverdampfer (11a) eine zweite Flüssigkeit, die in der Druckkolonne (11) gesammelt, aus der Druckkolonne (11) ausgeleitet und entspannt wird, unter Erhalt einer zweiten Restflüssigkeit und eines zweiten Verdampfungsgases teilverdampft wird,
    - die erste Restflüssigkeit oder ein Teil hiervon in dem zweiten Kondensatorverdampfer (12a) verdampft, einer Entspannung in einer mit einem Booster (4a) gekoppelten Entspannungsturbine (4b) unterworfen und aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) ausgeleitet wird, und
    - das zweite Verdampfungsgas oder ein Teil hiervon einer Verdichtung in dem Booster (4a) unterworfen und in die Druckkolonne (11) rückgespeist wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Flüssigkeit in dem ersten Kondensatorverdampfer (11a) auf einem Teilverdampfungsdruckniveau teilverdampft wird, das um mindestens 500 mbar höher liegt als ein Druckniveau am Kopf der Niederdruckkolonne (12), und bei dem das zweite Verdampfungsgas oder dessen Teil, der der Verdichtung in dem Booster (4a) unterworfen und in die Druckkolonne (11) rückgespeist wird, dem Booster auf dem Teilverdampfungsdruckniveau zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das zweite Verdampfungsgas oder der Teil hiervon, der der Verdichtung in dem Booster (4a) unterworfen und in die Druckkolonne (11) rückgespeist wird, zusammen mit verdichteter und abgekühlter Einsatzluft in die Druckkolonne (11) eingespeist wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Kondensatorverdampfer (11a) erste Verdampfungspassagen zur Verdampfung der ersten Flüssigkeit und zweite Verdampfungspassagen zur Verdampfung der zweiten Flüssigkeit aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Druckkolonne (11) auf einem Druckniveau am Kopf der Druckkolonne (11) von 10 bis 13 bar betrieben wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die zweite Flüssigkeit der Druckkolonne (11) in einem Bereich entnommen wird, der 1 bis 5 theoretische Böden oberhalb von deren Sumpf liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem aus dem Sumpf der Druckkolonne (11) ein Kohlenwasserstoffe enthaltender Purgestrom entnommen und aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) ausgeleitet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die zweite Flüssigkeit der Druckkolonne (11) aus deren Sumpf entnommen wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem weiteres Kopfgas der Druckkolonne (11) als Druckstickstoffprodukt bereitgestellt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in einem Kopfbereich der Niederdruckkolonne (12) Flüssigkeit gesammelt, mittels einer Pumpe (5) druckerhöht in Druckkolonne (11) eingespeist wird.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste und/oder die zweite Flüssigkeit vor ihrer Verdampfung unterkühlt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Restflüssigkeit oder der Teil hiervon, die oder der in dem zweiten Kondensatorverdampfer (12a) verdampft, der Entspannung in der Entspannungsturbine (4b) unterworfen und aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) ausgeleitet wird, vor und nach der Entspannung erwärmt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das zweite Verdampfungsgas oder der Teil hiervon, das oder der der Verdichtung in dem Booster (4a) unterworfen und in die Druckkolonne (11) rückgespeist wird, dem Booster (4a) auf einem Temperaturniveau von -175 bis -160 °C zugeführt und nach der Verdichtung und vor der Rückspeisung in die Druckkolonne (11) abgekühlt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine Reinsauerstoffkolonne (13) aufweist, wobei die Reinsauerstoffkolonne (13) unter Verwendung von Flüssigkeit, die über eine Zwischenentnahme aus der Niederdruckkolonne (12) entnommen wird, gespeist wird, und wobei die Reinsauerstoffkolonne (13a) unter Verwendung eines Sumpfaufkochers (13a) betrieben wird, in dem weiteres Kopfgas der Druckkolonne (11) kondensiert wird.
  15. Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300), wobei
    - die Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) eine Druckkolonne (11), eine Niederdruckkolonne (12), einen ersten Kondensatorverdampfer (11a) und einen zweiten Kondensatorverdampfer (12b) aufweist,
    - die Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) dafür eingerichtet ist, in dem ersten Kondensatorverdampfer (11a) Kopfgas der Druckkolonne (11) und in dem zweiten Kondensatorverdampfer (12a) Kopfgas der Niederdruckkolonne (12) zumindest teilweise zu kondensieren,
    - die Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) dafür eingerichtet ist, eine erste Flüssigkeit in dem ersten Kondensatorverdampfer (11a) unter Erhalt einer ersten Restflüssigkeit und eines ersten Verdampfungsgases teilzuverdampfen,
    - die Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) dafür eingerichtet ist, in der Druckkolonne (11) eine zweite Flüssigkeit zu sammeln und die zweite Flüssigkeit aus der Druckkolonne (11) auszuleiten und zu entspannen und in dem ersten Kondensatorverdampfer (11a) unter Erhalt einer zweiten Restflüssigkeit und eines zweiten Verdampfungsgases teilzuverdampfen,
    - die Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) dafür eingerichtet ist, die erste Restflüssigkeit oder einen Teil hiervon in dem zweiten Kondensatorverdampfer (12a) zu verdampfen, einer Entspannung in einer mit einem Booster (4a) gekoppelten Entspannungsturbine (4b) zu unterwerfen und aus der Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) auszuleiten, und
    - die Luftzerlegungsanlage (100, 200, 300) dafür eingerichtet ist, das zweite Verdampfungsgas oder einen Teil hiervon einer Verdichtung in dem Booster (4a) zu unterwerfen und in die Druckkolonne (11) rückzuspeisen.
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