DE102016200916A1

DE102016200916A1 - Gasturbineneinsatz bei Oxidationsprozessen

Info

Publication number: DE102016200916A1
Application number: DE102016200916.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Doll; Ferdinand Rudolf Reif
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2017-07-27

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur kombinierten Erzeugung von unter Druck stehendem sauerstoffhaltigen Gas, Hochdruckdampf und elektrischer Energie für den Betrieb einer Anlage zur Durchführung von chemischen Oxidationsreaktionen, wobei neben der Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion eine Prozessgaskompressoranlage (4) vorgesehen ist, die mindestens einen ersten Kompressor (7) zum Verdichten von sauerstoffhaltigem Gas (11) und mindestens einen ersten Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität (6a) umfasst, und wobei eine Einheit (25) zum Erzeugen von Elektrizität vorgesehen ist, die mindestens eine Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) und eine Welle (28, 40) umfasst. Dabei ist der erste Kompressor (7) mit der Anlage (1) und mit der Brenn-kammer (26) verbunden, so dass diesen verdichtetes sauerstoffhaltiges Gas (11a) zugeführt werden kann, die Brennkammer (26) ist mit dem zweiten Expander (24) verbunden, so dass Abgas (30) aus der Brennkammer in den zweiten Expander (24) geleitet wird, der zweite Expander (24) mit einem zweiten Generator (27) zum Erzeugen von Elektrizität oder mit dem ersten Generator (6) verbunden, und der zweite Expander (24) ist mit einem Dampferzeuger (18) verbunden, so dass das im zweiten Expander (24) entspannte Abgas (31) im Dampferzeuger (18) zur Erzeugung von Hochdruck-dampf (19) genutzt werden kann. Diese Vorrichtung sowie das unter deren Verwendung betriebene Verfahren sind äußerst energieeffizient und sind mit einer geringen Anzahl von konventionell erhältlichen Komponenten zu realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Durchführung von chemischen Oxidationsverfahren mittels sauerstoffhaltigen Gasen, die einen verbesserten Prozessgaskompressor (nachstehend auch „Process Air Compressor” oder „PAC” genannt) für die Bereitstellung von sauerstoffhaltigem Prozessgas enthalten, sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Anlage.
In chemischen Oxidationsverfahren, beispielsweise bei der Oxidation von chemischen Verbindungen mit Luft oder anderern sauerstoffhaltigen Gasen, müssen große Mengen des sauerstoffhaltigen Gases komprimiert werden. Ein Beispiel für ein chemisches Oxidationsverfahren ist die Oxidation von p-Xylol zu Terephthalsäure (nachstehend auch „PTA” genannt). Solche Verfahren werden in Anlagen durchgeführt, in denen Abwärme und Abgase teilweise zur Energiegewinnung eingesetzt werden, um die Energiebilanz der Anlage zu verbessern. In der Regel wird dabei das unter Druck stehende, sauerstoffarme Abgas als Energieträger benutzt, um einen oder mehrere Kompressor(en) anzutreiben. Das Abgas wird dazu in einen Expander geleitet wo es kontrolliert entspannt wird und die dabei erzeugte Energie zum Betrieb eines Generators eingesetzt wird. Vor dem Einleiten in den Expander wird das Abgas in der Regel über eine katalytische Oxidation von Organikresten gereinigt. Zur Steigerung der Antriebsleistung des Expanders kann dieser katalytischen Oxidation ein Brennstoff zugegeben werden. Als weitere Antriebsquelle dient der bei der exothermen Reaktion gewonnene Prozessdampf. Bei Anlagen des Standes der Technik wird im Normalbetrieb durch Zusammenschaltung von Kompressor(en), Expander(n) und Dampfturbine(n) Elektrizität über einen Generator erzeugt. Jedoch reicht diese elektrische Energie nicht für den Betrieb der gesamten Anlage.
Des Weiteren wird bei chemischen Oxidationsreaktionen, beispielsweise in PTA-Anlagen, für bestimmte Verfahrensschritte Hochdruckdampf benötigt. Dieser Dampf wird einfach über einen Dampferzeuger bereitgestellt. Ein zweiter Dampferzeuger, der gleichzeitig als Stand-By dient, stellt den Dampf zum Anfahren des Kompressors zur Verfügung. Der Darnpfbedarf zum Anfahren ist ähnlich hoch wie zum Normalbetrieb der kompletten Anlage.
Im Stand der Technik sind bereits mehrere Lösungen zur Bereitstellung von Dampf, komprimierter Luft und Energie für chemische Oxidationsanlagen vorgeschlagen worden. Keine dieser Lösungen ist wirklich befriedigend in Hinblick auf Investitionskosten, Betriebsweise und Effizienz. Es wird daher ständig nach Lösungen gesucht, die bestehenden Anlagen weiter zu verbessern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Anlage zur Durchführung chemischer Oxidationsreaktionen sowie eines Verfahren zu deren Betrieb, die in Hinblick auf Energieeffizienz, Investitionsaufwand bei der Errichtung der Anlage und Erhaltungsaufwand bei Betrieb der Anlage gegenüber bekannten Lösungen erheblich verbessert ist.
Die vorliegende Erfindung betritt eine Vorrichtung zur kombinierten Erzeugung von unter Druck stehendem sauerstoffhaltigen Gas, vorzugsweise Luft, Hochdruckdampf und elektrischer Energie für den Betrieb einer Anlage zur Durchführung von chemischen Oxidationsreaktionen, wobei neben der Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion eine Prozessgaskompressoranlage (4) vorgesehen ist, die mindestens einen ersten Kompressor (7) zum Verdichten von sauerstoffhaltigem Gas (11) und mindestens einen ersten Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität (6a) umfasst, und wobei eine Einheit (25) zum Erzeugen von Elektrizität und ein Dampferzeuger (18) zum Erzeugen von Hochdruckdampf (19) vorgesehen ist, und Einheit (25) mindestens eine Brennkammer (26) und einen zweiten Expander (24) umfasst, wobei

– der erste Kompressor (7) mit der Anlage (1) und mit der Brennkammer (26) verbunden ist, so dass Anlage (1) und Brennkammer (26) verdichtetes sauerstoffhaltiges Gas (11a) zugeführt werden kann,
– die Brennkammer (26) mit dem zweiten Expander (24) verbunden ist, so dass Abgas (30) aus der Brennkammer (26) in den zweiten Expander (24) geleitet wird,
– der zweite Expander (24) mit einem zweiten Generator (27) zum Erzeugen von Elektrizität (27a) oder mit dem ersten Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität (6a) verbunden ist, und
– der zweite Expander (24) mit dem Dampferzeuger (18) verbunden ist, so dass das im zweiten Expander (24) entspannte Abgas (31) im Dampferzeuger (18) zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19) genutzt werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden also eine Prozessgaskompressoranlage (4) sowie eine Einheit (25) zum Erzeugen von Elektrizität (27a, 6a) und Hochdruckdampf (19) miteinander gekoppelt. Bei der Einheit (25) handelt es sich um den Teil einer Gasturbine, nämlich um eine Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) und gegebenenfalls einen zweiten Generator (25), die mit einem Dampferzeuger (18) gekoppelt ist. Einheit (25) und Anlage (1) werden erfindungsgemäß durch den ersten Kompressor (7) mit verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) versorgt.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst wenigstens folgende Elemente:

A) Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion, bei der ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird
B) dazu nachgeschaltete Anlage (2) zur katalytischen Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird,
C) Prozessgaskompressoranlage (4) umfassend mindestens eine über Welle (8) miteinander verbundene Kombination von erstem Expander (5) zum Entspannen des Abgases (3), erstem Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität und erstem Kompressor (7) zum Verdichten von sauerstoffhaltigem Gas für die Anlage (1) und für einen zweiten Expander (24),
D) Leitung zum Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5),
E) Leitung zum Abführen des entspannten Abgases (10) aus dem ersten Expander (5),
F) Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (27a, 6a), die mindestens eine Brennkammer (26), den zweiten Expander (24) zum Entspannen eines Abgases (30), einen zweiten Generator (27) zum Erzeugen von Elektrizität (27a) und eine Welle (28) umfasst, oder die mindestens eine Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) zum Entspannen eines Abgases (30) und eine Welle (28) umfasst,
G) Dampferzeuger (18) zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19), wobei
H) Brennkammer (26) mit verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) aus dem ersten Kompressor (7) und mit Brennstoff (29) versorgt wird, die in Brennkammer (26) zu heißem und verdichteten Abgas (30) umgesetzt werden, welches zur Entspannung in den zweiten Expander (24) geführt wird und diesen als entspanntes Abgas (31) verläßt, wobei
I) der zweite Expander (24) über die Welle (28) mit dem zweiten Generator (27) verbunden ist, oder der zweite Expander (24) über die Welle (28) durch ein Getriebe (9) mit Welle (8) und dem ersten Generator (6) verbunden ist, und wobei
J) das entspannte Abgas (31) in Dampferzeuger (18) geleitet wird und dort zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19) dient.

Eine ganz besonders bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst wenigstens folgende Elemente:

A) Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion, bei der ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird,
B) dazu nachgeschaltete Anlage (2) zur katalytischen Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird,
C) Prozessgaskompressoranlage (4) umfassend mindestens die Kombination von erstem Expander (5), erstem Generator (6) und erstem Kompressor (7), die über eine Weile (8) miteinander verbunden sind, welche ihrerseits mit einem Getriebe (9) verbunden ist,
D) Leitung zum Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5) der Prozessgaskompressoranlage (4),
E) Leitung zum Ableiten von entspanntem Abgas (10) aus dem ersten Expander (5),
F) Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (27a) umfassend mindestens eine Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24), einen zweiten Generator (27) und eine Welle (28),
G) Dampferzeuger (18) zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19), wobei
H) Brennkammer (26) aus dem ersten Kompressor (7) mit verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) versorgt wird, in Brennkammer (26) Brennstoff (29) mit dem Gas (11a) umgesetzt wird und das erzeugte heiße und verdichtete Abgas (30) zur Entspannung in den zweiten Expander (24) geführt wird und diesen als entspanntes Abgas (31) verläßt, wobei
I) der zweite Expander (24) über die Welle (28) mit dem zweiten Generator (27) verbunden ist, welcher zur Erzeugung von Elektrizität (27a) dient, welche in der Prozessgaskompressoranlage (4) und/oder der Anlage (1) genutzt wird und/oder welche in das lokale oder öffentliche Stromnetz eingespeist wird, wobei
J) eine Dampfturbine (12) vorgesehen ist, die mit aus Anlage (1) und/oder aus Anlage (2) stammendem Mittel- oder Niederdruckdampf betrieben und zur Erzeugung von Elektrizität eingesetzt wird und die ist durch eine Welle (13) mit dem Getriebe (9) verbunden ist,
K) der erste Generator (6) zur Erzeugung von Elektrizität (6a) dient, welche in der Prozessgaskompressoranlage (4) und/oder der Anlage (1) genutzt wird und/oder welche in das lokale oder öffentliche Stromnetz eingespeist wird,
L) der ersten Kompressor (7) durch Expander (5) angetrieben wird und sauerstoffhaltiges Gas (11) für den Betrieb der Anlage (1) sowie für den Betrieb des zweiten Expanders (24) verdichtet, und
M) das entspannte Abgas (31) in den Dampferzeuger (18) geleitet wird und dort zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19) dient, der für den stationären Betrieb der Anlage (1) benötigt wird.

Eine weiter ganz besonders bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst wenigstens folgende Elemente:

A) Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion, bei der ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird,
B) dazu nachgeschaltete Anlage (2) zur katalytischen Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird,
C) Prozessgaskompressoranlage (4) umfassend mindestens die Kombination von erstem Expander (5), erstem Generator (6) und erstem Kompressor (7), die über eine Welle (8) miteinander verbunden sind, welche ihrerseits mit einem Getriebe (9) verbunden ist,
D) Leitung zum Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5) der Prozessgaskompressoranlage (4),
E) Leitung zum Ableiten von entspanntem Abgas (10) aus dem ersten Expander (5),
F) Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (6a) umfassend mindestens eine Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) und eine Welle (40),
G) Dampferzeuger (18) zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19), wobei
H) Brennkammer (26) aus dem ersten Kompressor (7) mit verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) versorgt wird, in Brennkammer (26) Brennstoff (29) mit dem Gas (11a) umgesetzt wird und das erzeugte heiße und verdichtete Abgas (30) zur Entspannung in den zweiten Expander (24) geführt wird und diesen als entspanntes Abgas (31) verläßt, wobei
I) der zweite Expander (24) über die Welle (40) mit dem Getriebe (9) und über Welle (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist,
J) eine Dampfturbine (12) vorgesehen ist, die mit aus Anlage (1) und/oder aus Anlage (2) stammendem Mittel- oder Niederdruckdampf betrieben und zur Erzeugung von Elektrizität eingesetzt wird und die ist durch eine Welle (13) mit dem Getriebe (9) verbunden ist,
K) der erste Generator (6) zur Erzeugung von Elektrizität (6a) dient, welche in der Prozessgaskompressoranlage (4) und/oder der Anlage (1) genutzt wird und/oder welche in das lokale oder öffentliche Stromnetz eingespeist wird,
L) der ersten Kompressor (7) durch Expander (5) angetrieben wird und sauerstoffhaltiges Gas (11) für den Betrieb der Anlage (1) sowie für den Betrieb des zweiten Expanders (24) verdichtet, und
M) das entspannte Abgas (31) in Dampferzeuger (18) geleitet wird und dort zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19) dient, der für den stationären Betrieb der Anlage (1) benötigt wird.

Das von Anlage (2) in den ersten Expander (5) geleitete Abgas (3) weist in der Regel Temperaturen von weniger als 500°C, vorzugsweise von 200 bis 400°C und ganz besonders bevorzugt von 250 bis 350°C auf. Dadurch kann bei der Auslegung von Expander (5) auf besonders hitzeresistente Werkstoffe verzichtet werden.
Bei einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Anlage (2) ein Dampferzeuger vorgesehen, in dem Mitteldruck- oder Niederdruckdampf erzeugt wird und in dem das Abgas (3) auf eine Temperatur von 200 bis 400°C gekühlt wird.
Bei der Anlage (1) handelt es sich im Allgemeinen um eine Anlage zur Durchführung von Oxidationsreaktionen mit sauerstoffhaltigen Gasen und mit organischen Verbindungen zur Erzeugung von Carbonsäuren, Aldehyden, Alkoholen und/oder Ketonen.
Besonders bevorzugt werden in Anlage (1) Oxidationsreaktionen mit Luft und mit aromatischen Alkyl- oder Polyalkylverbindungen zu den entsprechenden aromatischen Mono- oder Polycarbonsäuren durchgeführt, und ganz besonders bevorzugt Oxidationsreaktionen mit Luft und Xylolen zu den entsprechenden Phenylendicarbonsäuren. Anlage (1) ist ganz besonders bevorzugt eine PTA-Anlage (= Anlage zur Herstellung von Terephthalsäure duch Oxidation von p-Xylol).
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur kombinierten Erzeugung von unter Druck stehendem sauerstoffhaltigen Gas, Hochdruckdampf und elektrischer Energie für den Betrieb einer Anlage zur Durchführung von chemischen Oxidationsreaktionen. Das Verfahren umfasst die Schritte:

– in der Anlage (1) eine chemische Oxidationsreaktion von sauerstoffhaltigem Gas mit einer organischen Verbindung durchgeführt wird,
– das sauerstoffhaltige Gas (11) mittels eines ersten Kompressors (7) einer Prozessgaskompressoranlage (4) verdichtet und teilweise der Anlage (1) zugeführt wird,
– in der Prozessgaskompressoranlage (4) mittels eines ersten Generators (6) Elektrizität (6a) erzeugt wird,
– in einer Einheit (25) Elektrizität (27a, 6a) erzeugt wird, indem
– ein Teil des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases (11a) einer Brennkammer (26) zugeführt wird,
– in der Brennkammer (26) ein heißes und verdichtetes Abgas (30) erzeugt wird, das
– in einen zweiten Expander (24) geleitet wird, dort entspannt und in einen Dampferzeuger (18) geleitet wird, wo das entspannte Abgas (31) zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19) genutzt wird,
– und die im zweiten Expander (24) gewonnene mechanische Energie zur Erzeugung von Elektrizität genutzt wird, indem der zweite Expander (24) mechanisch mit einem zweiten Generator (27) oder mit dem ersten Generator (6) gekoppelt ist.

Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst wenigstens die folgenden Maßnahmen:

i) Durchführung einer chemischen Oxidationsreaktion von sauerstoffhaltigem Gas mit einer organischen Verbindung in Anlage (1), wobei ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird,
ii) katalytische Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a) in einer zu Anlage (1) nachgeschaltete Anlage (2), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird,
iii) Verdichten von sauerstoffhaltigem Gas in einem ersten Kompressor (7), der neben einem erstem Expander (5) zum Entspannen des Abgases (3) und einem erstem Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität (6a) Teil einer Prozessgaskompressoranlage (4) darstellt, in der erster Kompressor (7), erster Expander (5) und erster Generator (6) über eine Welle (8) miteinander verbunden sind,
iv) Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5),
v) Abführen des entspannten Abgases (10) aus dem ersten Expander (5),
vi) Einleiten eines Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases (11a) in die Anlage (1) und eines anderen Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases (11a) in eine Brennkammer (26), die Teil einer Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (27a, 6a) bildet, wobei Einheit (25) mindestens die Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) zum Entspannen eines Abgases (30), einen zweiten Generator (27) zum Erzeugen von Elektrizität (27a) und eine Welle (28) umfasst, oder wobei Einheit (25) mindestens die Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) zum Entspannen des Abgases (30) und eine Welle (40) umfasst,
vii) Erzeugung von heißem und verdichtetem Abgas (30) in Brennkammer (26) durch Umsetzung von verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) aus dem ersten Kompressor (7) und Brennstoff (29),
viii) Einleiten von Abgas (30) aus der Brennkammer (26) zur Entspannung in den zweiten Expander (24),
ix) Ableiten des entspannten Abgases (31) aus dem zweiten Expander (24) in einen Dampferzeuger (18),
x) Erzeugen von Hochdruckdampf (19) im Dampferzeuger (18) unter Abkühlung des entspannten Abgases (31),
xi) Erzeugen von Elektrizität (27a, 6a) aus der im zweiten Expander (24) gewonnenen mechanischen Energie, indem der zweite Expander (24) über die Welle (28) mit einem zweiten Generator (27) verbunden ist oder über die Welle (40) mit einem Getriebe (9) und mit Welle (8) sowie mit dem ersten Generator (6) verbunden ist, und
xii) Erzeugen von Elektrizität (6a) aus der im ersten Expander (5) gewonnenen mechanischen Energie, indem der erste Expander (5) über die Welle (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist.

Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst wenigstens die folgenden Maßnahmen:

i) Durchführung einer chemischen Oxidationsreaktion von sauerstoffhaltigem Gas mit einer organischen Verbindung in Anlage (1), wobei ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird,
ii) katalytische Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a) in einer zu Anlage (1) nachgeschaltete Anlage (2), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird,
iii) Verdichten von sauerstoffhaltigem Gas in einem ersten Kompressor (7), der neben einem erstem Expander (5) zum Entspannen des Abgases (3), einem erstem Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität und einem Getriebe (9) Teil einer Prozessgaskompressoranlage (4) darstellt, in der erster Kompressor (7), erster Expander (5), erster Generator (6) und Getriebe (9) über eine Welle (8) miteinander verbunden sind,
iv) Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5),
v) Abführen des entspannten Abgases (10) aus dem ersten Expander (5),
vi) Einleiten eines Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases (11a) in die Anlage (1) und eines anderen Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases (11a) in eine Brennkammer (26), die Teil einer Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (27a) bildet, wobei Einheit (25) mindestens die Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) zum Entspannen eines Abgases (30), einen zweiten Generator (27) zum Erzeugen von Elektrizität (27a) und eine Welle (28) umfasst,
vii) Erzeugung von heißem und verdichtetem Abgas (30) in Brennkammer (26) durch Umsetzung von verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) aus dem ersten Kompressor (7) mit Brennstoff (29),
viii) Einleiten von Abgas (30) aus der Brennkammer (26) zur Entspannung in den zweiten Expander (24),
ix) Ableiten des entspannten Abgases (31) aus dem zweiten Expander (24) in einen Dampferzeuger (18),
x) Erzeugen von Hochdruckdampf (19) im Dampferzeuger (18) unter Abkühlung des entspannten Abgases (31),
xi) Erzeugen von Elektrizität (27a) aus der im zweiten Expander (24) gewonnenen mechanischen Energie, indem der zweite Expander (24) über die Welle (28) mit einem zweiten Generator (27) verbunden ist,
xii) Erzeugen von Elektrizität (6a) aus einem Teil der im ersten Expander (5) gewonnenen mechanischen Energie, indem der erste Expander (5) über die Welle (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist,
xiii) Erzeugen von Elektrizität aus der in einer Dampfturbine (12) gewonnenen mechanischen Energie, indem die Dampfturbine (12) über eine Welle (13), Getriebe (9) und Welle (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist,
xiv) Betrieb der Dampfturbine (12) mit Mittel- oder Niederdruckdampf, der aus Anlage (1) und/oder aus Anlage (2) stammt, und
xv) Betrieb des ersten Kompressors (7) mit einem Teil der im ersten Expander (5) gewonnenen mechanischen Energie, indem der erste Expander (5) über Welle (8) mit dem ersten Kompressor (7) verbunden ist.

Noch eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst wenigstens die folgenden Maßnahmen:

i) Durchführung einer chemischen Oxidationsreaktion von sauerstoffhaltigem Gas mit einer organischen Verbindung in Anlage (1), wobei ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird,
ii) katalytische Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a) in einer zu Anlage (1) nachgeschaltete Anlage (2), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird,
iii) Verdichten von sauerstoffhaltigem Gas in einem ersten Kompressor (7), der neben einem erstem Expander (5) zum Entspannen des Abgases (3), einem erstem Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität und einem Getriebe (9) Teil einer Prozessgaskompressoranlage (4) darstellt, in der erster Kompressor (7), erster Expander (5), erster Generator (6) und Getriebe (9) über eine Welle (8) miteinander verbunden sind,
iv) Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5),
v) Abführen des entspannten Abgases (10) aus dem ersten Expander (5),
vi) Einleiten eines Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases in die Anlage (1) und eines anderen Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases in eine Brennkammer (26), die Teil einer Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (6a) bildet, wobei Einheit (25) mindestens die Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) zum Entspannen eines Abgases (30) und eine Welle (40) umfasst,
vii) Erzeugung von heißem und verdichtetem Abgas (30) in Brennkammer (26) durch Umsetzung von verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) aus dem ersten Kompressor (7) und Brennstoff (29),
viii) Einleiten von Abgas (30) aus der Brennkammer (26) zur Entspannung in den zweiten Expander (24),
ix) Ableiten des entspannten Abgases (31) aus dem zweiten Expander (24) in einen Dampferzeuger (18), x) Erzeugen von Hochdruckdampf (19) im Dampferzeuger (18) unter Abkühlung des entspannten Abgases (31),
xi) Erzeugen von Elektrizität (6a) aus der im zweiten Expander (24) gewonnenen mechanischen Energie, indem der zweite Expander (24) über die Welle (40) mit dem Getriebe (9), der Welle (8) und dem ersten Generator (6) verbunden ist,
xii) Erzeugen von Elektrizität (6a) aus einem Teil der im ersten Expander (5) gewonnenen mechanischen Energie, indem der erste Expander (5) über die Welle (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist,
xiii) Erzeugen von Elektrizität (6a) aus der in einer Dampfturbine (12) gewonnenen mechanischen Energie, indem die Dampfturbine (12) über eine Welle (13), Getriebe (9) und Welle (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist,
xiv) Betrieb der Dampfturbine (12) mit Mittel- oder Niederdruckdampf, der aus Anlage (1) und/oder aus Anlage (2) stammt, und
xv) Betrieb des ersten Kompressors (7) mit einem Teil der im ersten Expander (5) gewonnenen mechanischen Energie, indem der erste Expander (5) über Welle (8) mit dem ersten Kompressor (7) verbunden ist.

Bevorzugt werden Verfahrensvarianten, bei denen in Anlage (2) Mitteldruck- oder Niederdruckdampf erzeugt wird, und wobei das Abgas (3) auf eine Temperatur von 200 bis 400°C gekühlt wird. Der erzeugte Dampf kann vorzugsweise in einer Dampfturbine zur Erzeugung von mechanischer Energie verwendet werden, welche an einen Generator gekoppelt ist, in dem elektrische Energie erzeugt wird.
Besonders bevorzugt werden erfindungsgemäße Verfahren, bei denen zum Anfahren der Prozessgaskompressoranlage (4) der erste Generator (6) als Motor betrieben wird und mit elektrischer Energie aus dem lokalen und/oder öffentlichen Stromnetz versorgt wird, bis die Prozessgaskompressoranlage (4) hochgefahren ist. Nach dem Hochfahren der Prozessgaskompressoranlage (4) wird der erste Generator (6) in herkömmlicher Weise als Generator für elektrische Energie betrieben.
Der Stand der Technik und die Erfindung werden durch die Figuren erläutert.
1 bis 4 zeigen verschiedene Varianten von Anlagen des Standes der Technik und die Einbindung von PAC-Anlagen in Anlagen zur Durchführung von chemischen Oxidationsreaktionen.
5 bis 6 zeigen zwei Varianten von erfindungsgemäßen Anlagen und die Einbindung von PAC-Anlagen in Anlagen zur Durchführung von chemischen Oxidationsreaktionen.
1 zeigt eine Variante einer Anlage des Standes der Technik. Anzumerken ist, dass die Komponenten des PAC aus mehreren Stufen bestehen können. So kann ein PAC beispielsweise bis zu fünfstufige Kompressoren und bis zu zweistufige Expander aufweisen.
Dargestellt wird eine Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion und eine dazu nachgeschaltete Anlage (2) zur katalytischen Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas. In Anlage (2) werden sauerstoffhaltiges Gas (1a) aus Anlage (1) und zusätzlich Brennstoff (3a) eingedüst, um Temperatur und Druck des Abgases (3) aus Anlage (2) weiter zu steigern. Abgas (3) wird zur Dampferzeugung eingesetzt (nicht dargestellt), weist nach Verlassen der Anlage (2) Temperaturen von 200 bis 400°C auf und wird in die PAC-Anlage (4) eingeleitet. Die PAC-Anlage (4) besteht aus der Kombination von Expander (5), Generator (6) und Kompressor (7). Diese Aggregate sind über eine Welle (8) verbunden, welche ihrerseits mit einem Getriebe (9) verbunden ist und dieses antreibt. Abgas (3) wird in den Expander (5) eingeleitet dort entspannt und verlässt diesen als entspanntes Abgas (10). Generator (6) wird zur Erzeugung von Elektrizität (6a) einge-setzt, welche in der PAC-Anlage (4) und/oder der Anlage (1) genutzt werden kann und/oder welche in das lokale oder öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Expander (5) treibt Kompressor (7) an. Dieser verdichtet Luft (11) für den Betrieb der Anlage (1). Aus Anlage (1) und/oder Anlage (2) stammender Mittel- oder Niederdruckdampf wird in eine Dampfturbine (12) geleitet und zur Erzeugung von Elektrizität eingesetzt. Dampfturbine (12) ist durch Welle (13) mit dem Getriebe (9) verbunden. Zum Anfahren der PAC-Anlage (4) ist ein mit Brennstoff (14) betriebener Dampferzeuger (15) vorgesehen. Dieser versorgt die Dampfturbine (12) beim Anfahren mit Dampf (16) und startet damit über Getriebe (9) und Wellen (8, 13) die Komponenten der PAC-Anlage (4). Im stationären Betrieb der Anlagen (1, 2, 4) dient dieser Dampferzeuger (15) als Reserveanlage. Ein zweiter mit Brennstoff (17) betriebener Dampferzeuger (18) dient zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19), der für den stationären Betrieb der Anlage (1) benötigt wird. Der Darnpfbedarf zum Anfahren ist ähnlich hoch wie zum Normalbetrieb der kompletten Anlage.
In 2 wird eine energetische Optimierung der in 1 beschriebenen Anlage gezeigt. Anlagen (1) und (2) sowie PAC-Anlage (4) entsprechen der in 1 dargestellten Variante. Allerdings wird Generator (6) während des Anfahrens der PAC-Anlage (4) als Motor betrieben. Dampferzeuger (15) ist entfallen. Dampferzeuger (18) wird durch das Abgas (20) einer Gasturbine (21) betrieben. Gasturbine (21) besteht aus Kompressor (22), Brennkammer (23), Expander (24) und Generator (25), die durch Welle (26) miteinander verbunden sind. In Kompressor (22) wird Luft (27) verdichtet, in Brennkammer (23) geleitet und mit Brennstoff (28) umgesetzt. Das verdichtete Abgas (29) aus Brennkammer (23) wird in den Expander (24) geleitet, dort entspannt und dessen Energieinhalt wird zum Betrieb des Generators (25) zur Erzeugung von Elektrizität (25a) genutzt. Das entspannte Abgas (20) wird zum Betrieb des Dampferzeugers (18) für die Erzeugung von Hochdruckdampf (19) genutzt. Mit der in der Gasturbine (21) erzeugten Elektrizität wird beim Anfahren der PAC-Anlage (4) der Motor (6) betrieben. Die überschüssige Elektrizität kann für den Betrieb der Anlagen (2, 4) eingesetzt werden und/oder in das lokale oder öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Diese Anlagenvariante zeichnet sich dadurch aus, dass nur ein Dampferzeuger benötigt wird. Allerdings werden bei Verwendung einer Gasturbine insgesamt zwei Kompressoren, zwei Expander, eine Dampfturbine und zwei Generatoren benötigt. Diese Anlagenvariante ist im Vergleich mit der Variante der 1 insgesamt mit höheren Anschaffungskosten verbunden.
3 zeigt eine weitere Variante einer Anlage des Standes der Technik. Dargestellt ist eine Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion und eine dazu nachgeschaltete Anlage (2) zur katalytischen Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas. In Anlage (2) werden sauerstoffhaltiges Gas (1a) aus Anlage (1) und zusätzlich Brennstoff (3a) eingedüst, um Temperatur und Druck des Abgases (3) aus Anlage (2) weiter zu steigern. Allerdings wird Abgas (3) nicht zur Dampferzeugung eingesetzt sondern wird direkt in die PAC-Anlage (4) eingeleitet. Die Temperatur des Abgases (3) beträgt hier zwischen 600 und 800°C. Die PAC-Anlage (4) besteht auch hier aus der Kombination von Expander (5), Generator (6) und Kompressor (7). Diese Aggregate sind über eine Welle (8) verbunden, welche ihrerseits mit einem Getriebe (9) verbunden ist und dieses antreibt. Abgas (3) wird in den Expander (5) eingeleitet dort entspannt und verlässt diesen als entspanntes Abgas (10). Generator (6) wird zur Erzeugung von Elektrizität (6a) eingesetzt, welche in der PAC-Anlage (4) und/oder der Anlage (1) genutzt werden kann und/oder welche in das lokale oder öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Expander (5) treibt Kompressor (7) an. Dieser verdichtet Luft (11) für den Betrieb der Anlage (1). Aus Anlage (1) stammender Mittel- oder Niederdruckdampf wird in eine Dampfturbine (12) geleitet und zur Erzeugung von Elektrizität eingesetzt. Dampfturbine (12) ist durch Welle (13) mit dem Getriebe (9) verbunden. Zum Anfahren der PAC-Anlage (4) wird der Generator (6) als Motor betrieben. Die dafür benötigte Elektrizität stammt aus dem lokalen und/oder öffentlichen Stromnetz. Ein mit Brennstoff (17) betriebener Dampferzeuger (18) dient zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19), der für den stationären Betrieb der Anlage (1) benötigt wird.
Nachteilig wirkt sich bei dieser Variante aus, dass das Material des Expanders (5) sehr hochwertig sein muss, z. B. aus Inconel, bedingt durch die hohe Temperatur in Verbindung mit gegebenenfalls im Abgas vorliegenden korrosiven Bestandteilen, wie z. B. HBr- und Br₂-Resten aus PTA-Prozess.
In 4 ist eine aus US 2011/0100007 A1 beschriebene Variante dargestellt. Diese entspricht einer Modifikation der in 3 dargestellten Variante.
Anlage (1) sowie PAC-Anlage (4) und Dampferzeuger (18) entsprechen der in 3 dargestellten Variante. Anlage (2) wird allerdings nicht mehr mit Brennstoff (3a) versorgt. Dafür ist Anlage (2) eine Brennkammer (22) nachgeschaltet. In diese wird das heiße und unter Druck stehende Abgas (3) aus Anlage (2) eingespeist und zusammen mit Brennstoff (3a) und komprimierter Luft (23) aus Kompressor (7) verbrannt. Das erzeugte heiße und verdichtete Abgas (3b) wird direkt in Expander (5) eingeleitet, dort entspannt und zur Erzeugung von Elektrizität genutzt. Bei dieser Variante wird also nach der katalytischen Oxidation in Anlage (2) zur Erhöhung des Energieoutputs des Expanders (5) eine Brennkammer (22) eingesetzt. Zusätzlich wird die Druckluft des Kompressors (7) benutzt, d. h. sowohl Expander (5) als auch Kompressor (7) der PAC-Anlage (4) werden verwendet. Demgegenüber stehen jedoch hier auf Grund der noch höheren Temperatur noch höhere Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Nachteilig wirkt sich auch aus, dass das entspannte Abgas (10) aus dem Expander (5) auf Grund des Verdünnungseffekts im Abgas (3b) und der Entspannung im Expander (5) nicht mehr zur Erzeugung von Hochdruckdampf verwendet werden kann.
5 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kombinierten Erzeugung von unter Druck stehendem sauerstoffhaltigen Gas, Hochdruckdampf und elektrischer Energie. Dargestellt ist eine Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion und eine dazu nachgeschaltete Anlage (2) zur katalytischen Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas. In Anlage (2) werden sauerstoffhaltiges Gas (1a) aus Anlage (1) und zusätzlich Brennstoff (3a) eingedüst, um Temperatur und Druck des Abgases (3) aus Anlage (2) weiter zu steigern. Abgas (3) wird zur Dampferzeugung eingesetzt (nicht dargestellt), weist nach Verlassen der Anlage (2) Temperaturen von 200 bis 400°C auf und wird in die PAC-Anlage (4) eingeleitet. Die PAC-Anlage (4) besteht aus der Kombination von Expander (5), Generator (6) und Kompressor (7). Diese Aggregate sind über eine Welle (8) verbunden, welche ihrerseits mit einem Getriebe (9) verbunden ist und dieses antreibt. Abgas (3) wird in den Expander (5) eingeleitet dort entspannt und verlässt diesen als entspanntes Abgas (10). Generator (6) wird zur Erzeugung von Elektrizität (6a) eingesetzt, welche in der PAC-Anlage (4) und/oder der Anlage (1) genutzt werden kann und/oder welche in das lokale oder öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Expander (5) treibt Kompressor (7) an. Dieser verdichtet sauerstoff-haltiges Gas (11), vorzugsweise Luft, für den Betrieb der Anlage (1) sowie für den Betrieb eines zweiten Expanders (24). Aus Anlage (1) und/oder Anlage (2) stammender Mittel- oder Niederdruckdampf wird in eine Dampfturbine (12) geleitet und zur Erzeugung von Elektrizität eingesetzt. Dampfturbine (12) ist durch Welle (13) mit dem Getriebe (9) verbunden.
Neben der PAC-Anlage (4) ist eine Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (25a) und Hochdruckdampf (19) vorgesehen. Diese besteht aus Brennkammer (26), zweitem Expander (24), Generator (27), Dampferzeuger (18) und Welle (28). Brennkammer (26) wird aus Kompressor (7) mit verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) versorgt. In Brennkammer (26) wird Brennstoff (29) mit Gas (11a) umgesetzt und das erzeugte heiße und verdichtete Abgas (30) wird zur Entspannung in den zweiten Expander (24) geführt und verlässt diesen als entspanntes Abgas (31). Der zweite Expander (24) ist über Welle (28) mit dem Generator (27) verbunden. Dieser dient zur Erzeugung von Elektrizität (27a), welche in der PAC-Anlage (4) und/oder der Anlage (1) genutzt werden kann und/oder welche in das lokale oder öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Das entspannte Abgas (31) wird in den Dampferzeuger (18) geleitet und dient dort zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19), der für den stationären Betrieb der Anlage (1) benötigt wird.
Zum Anfahren der PAC-Anlage (4) wird der Generator (6) als Motor betrieben und mit elektrischer Energie aus dem lokalen und/oder öffentlichen Stromnetz versorgt, bis die PAC-Anlage (4) hochgefahren ist.
Mit dieser Anlagenvariante wird eine kostengünstige und energiesparende Möglichkeit zur Verfügung gestellt, die sowohl die im Prozess benötigte Druckluft als auch den Hochdruckdampf als auch elektrische Energie mindestens für den gesamten Prozess generiert.
Bei dieser Variante liefert der Kompressor (7) der PAC-Anlage (4) auch die komprimierte Luft für den zweiten Expander (24) bzw. dessen vorgeschalteter Brennkammer (26). Allerdings strömt das Abgas aus dem zweiten Expander (24) nun nicht in den Expander (5) der PAC-Anlage (4), sondern in einen nicht dargestellten separaten Expander. Damit lassen sich in den Expandern weniger hochwertige Werkstoffe verwenden bei gleichzeitig noch höherer Temperatur , so dass mit diesem Abgas (31) gegebenenfalls unter zusätzlicher Dosierung eines Brennstoffs Hochdruckdampf (19) erzeugt werden kann.
In 6 wird eine erfindungsgemäße Anlage gezeigt, bei der es sich um eine Variation der in 5 dargestellten Anlage handelt. Anlagen (1) und (2) sowie PAC-Anlage (4) entsprechen der in 5 dargestellten Variante. Allerdings wird in der Anlage der 6 die Leistung des zweiten Expanders (24) direkt oder unter Verwendung einer Welle (40) über ein Getriebe (9) auf die Welle (8) der PAC-Anlage (4) übertragen, so dass sich der zweite Generator (27) einsparen lässt. Auch kann hierbei auf die Motorfunktion des Generators (6) in der PAC-Anlage (4) verzichtet werden.

Tabelle 1 enthält einen Überblick über die Hauptkomponenten und deren Anzahl bei den verschiedenen in den Figuren dargestellten Lösungen. Tabelle 1: Hauptkomponenten und deren Anzahl

Hauptkomponenten mit Anzahl	Kompressor	Expander	Generator	Brenner	HD-Dampferzeuger	Gesamt
Figur 1	1	1	1.	2	2	7
Figur 2	2	2	2	1	1	8
Figur 3	1	1	1	2	2	7
Figur 4	1	1	1	2	1	6
Figur 5 (Erfindung)	1	2	2	1	1	7
Figur 6 (Erfindung)	1	2	1	1	1	6

Bei den Varianten der 3 und 4 müssen äußerst temperaturstabile Werkstoffe im Kompressor der PCA-Anlage eingesetzt werden. Dieses kann bei den Varianten der 1 und 2 bzw. 5 und 6 entfallen. Die Variante der 2 weist eine hohe Anzahl von Komponenten auf. Die Variante der 1 weist zwar weniger Komponenten auf, ist hinsichtlich der Energieeffizienz allerdings den erfindungsgemäßen Lösungen der 5 und 6 unterlegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0100007 A1 [0029]

Claims

Vorrichtung zur kombinierten Erzeugung von unter Druck stehendem sauerstoffhaltigen Gas, Hochdruckdampf und elektrischer Energie für den Betrieb einer Anlage zur Durchführung von chemischen Oxidationsreaktionen, wobei neben der Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion eine Prozessgaskompressoranlage (4) vorgesehen ist, die mindestens einen ersten Kompressor (7) zum Verdichten von sauerstoffhaltigem Gas und mindestens einen ersten Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität umfasst, und wobei eine Einheit (25) zum Erzeugen von Elektrizität und ein Dampferzeuger (18) zum Erzeugen von Hochdruckdampf (19) vorgesehen ist, und Einheit (25) mindestens eine Brennkammer (26) und einen zweiten Expander (24) umfasst, wobei – der erste Kompressor (7) mit der Anlage (1) und mit der Brennkammer (26) verbunden ist, so dass Anlage (1) und Brennkammer (26) verdichtetes sauerstoffhaltiges Gas zugeführt werden kann, – die Brennkammer (26) mit dem zweiten Expander (24) verbunden ist, so dass Abgas (30) aus der Brennkammer (26) in den zweiten Expander (24) geleitet wird, – der zweite Expander (24) mit einem zweiten Generator (27) zum Erzeugen von Elektrizität (27a) oder mit dem ersten Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität (6a) verbunden ist, und – der zweite Expander (24) mit dem Dampferzeuger (18) verbunden ist, so dass das im zweiten Expander (24) entspannte Abgas (31) im Dampferzeuger (18) zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19) genutzt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens folgende Elemente umfasst: A) Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion, bei der ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird B) dazu nachgeschaltete Anlage (2) zur katalytischen Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird, C) Prozessgaskompressoranlage (4) umfassend mindestens eine über Welle (8) miteinander verbundene Kombination von erstem Expander (5) zum Entspannen des Abgases (3), erstem Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität und erstem Kompressor (7) zum Verdichten von sauerstoffhaltigem Gas für die Anlage (1) und für einen zweiten Expander (24), D) Leitung zum Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5), E) Leitung zum Abführen des entspannten Abgases (10) aus dem ersten Expander (5), F) Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (27a, 6a), die mindestens eine Brennkammer (26), den zweiten Expander (24) zum Entspannen eines Abgases (30), einen zweiten Generator (27) zum Erzeugen von Elektrizität (27a) und eine Welle (28) umfasst, oder die mindestens eine Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) zum Entspannen eines Abgases (30) und eine Welle (28) umfasst, G) Dampferzeuger (18) zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19), wobei H) Brennkammer (26) mit verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) aus dem ersten Kompressor (7) und mit Brennstoff (29) versorgt wird, die in Brennkammer (26) zu heißem und verdichteten Abgas (30) umgesetzt werden, welches zur Entspannung in den zweiten Expander (24) geführt wird und diesen als entspanntes Abgas (31) verläßt, wobei I) der zweite Expander (24) über die Welle (28) mit dem zweiten Generator (27) verbunden ist, oder der zweite Expander (24) über die Welle (28) durch ein Getriebe (9) mit Welle (8) und dem ersten Generator (6) verbunden ist, und wobei J) das entspannte Abgas (31) in Dampferzeuger (18) geleitet wird und dort zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens folgende Elemente umfasst: A) Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion, bei der ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird, B) dazu nachgeschaltete Anlage (2) zur katalytischen Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird, C) Prozessgaskompressoranlage (4) umfassend mindestens die Kombination von erstem Expander (5), erstem Generator (6) und erstem Kompressor (7), die über eine Welle (8) miteinander verbunden sind, welche ihrerseits mit einem Getriebe (9) verbunden ist, D) Leitung zum Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5) der Prozessgaskompressoranlage (4), E) Leitung zum Ableiten von entspanntem Abgas (10) aus dem ersten Expander (5), F) Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (27a) umfassend mindestens eine Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24), einen zweiten Generator (27) und eine Welle (28), G) Dampferzeuger (18) zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19), wobei H) Brennkammer (26) aus dem ersten Kompressor (7) mit verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) versorgt wird, in Brennkammer (26) Brennstoff (29) mit dem Gas (11a) umgesetzt wird und das erzeugte heiße und verdichtete Abgas (30) zur Entspannung in den zweiten Expander (24) geführt wird und diesen als entspanntes Abgas (31) verläßt, wobei I) der zweite Expander (24) über die Welle (28) mit dem zweiten Generator (27) verbunden ist, welcher zur Erzeugung von Elektrizität (27a) dient, welche in der Prozessgaskompressoranlage (4) und/oder der Anlage (1) genutzt wird und/oder welche in das lokale oder öffentliche Stromnetz eingespeist wird, wobei J) eine Dampfturbine (12) vorgesehen ist, die mit aus Anlage (1) und/oder aus Anlage (2) stammendem Mittel- oder Niederdruckdampf betrieben und zur Erzeugung von Elektrizität eingesetzt wird und die ist durch eine Welle (13) mit dem Getriebe (9) verbunden ist, K) der erste Generator (6) zur Erzeugung von Elektrizität (6a) dient, welche in der Prozessgaskompressoranlage (4) und/oder der Anlage (1) genutzt wird und/oder welche in das lokale oder öffentliche Stromnetz eingespeist wird, L) der ersten Kompressor (7) durch Expander (5) angetrieben wird und sauerstoffhaltiges Gas (11) für den Betrieb der Anlage (1) sowie für den Betrieb des zweiten Expanders (24) verdichtet, und M) das entspannte Abgas (31) in den Dampferzeuger (18) geleitet wird und dort zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19) dient, der für den stationären Betrieb der Anlage (1) benötigt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens folgende Elemente umfasst: A) Anlage (1) zur Durchführung der chemischen Oxidationsreaktion, bei der ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird, B) dazu nachgeschaltete Anlage (2) zur katalytischen Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird, C) Prozessgaskompressoranlage (4) umfassend mindestens die Kombination von erstem Expander (5), erstem Generator (6) und erstem Kompressor (7), die über eine Welle (8) miteinander verbunden sind, welche ihrerseits mit einem Getriebe (9) verbunden ist, D) Leitung zum Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5) der Prozessgaskompressoranlage (4), E) Leitung zum Ableiten von entspanntem Abgas (10) aus dem ersten Expander (5), F) Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (6a) umfassend mindestens eine Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) und eine Welle (40), G) Dampferzeuger (18) zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19), wobei H) Brennkammer (26) aus dem ersten Kompressor (7) mit verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) versorgt wird, in Brennkammer (26) Brennstoff (29) mit dem Gas (11a) umgesetzt wird und das erzeugte heiße und verdichtete Abgas (30) zur Entspannung in den zweiten Expander (24) geführt wird und diesen als entspanntes Abgas (31) verläßt, wobei I) der zweite Expander (24) über die Welle (40) mit dem Getriebe (9) und über Welle (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist, J) eine Dampfturbine (12) vorgesehen ist, die mit aus Anlage (1) und/oder aus Anlage (2) stammendem Mittel- oder Niederdruckdampf betrieben und zur Erzeugung von Elektrizität eingesetzt wird und die ist durch eine Welle (13) mit dem Getriebe (9) verbunden ist, K) der erste Generator (6) zur Erzeugung von Elektrizität (6a) dient, welche in der Prozessgaskompressoranlage (4) und/oder der Anlage (1) genutzt wird und/oder welche in das lokale oder öffentliche Stromnetz eingespeist wird, L) der ersten Kompressor (7) durch Expander (5) angetrieben wird und sauerstoffhaltiges Gas (11) für den Betrieb der Anlage (1) sowie für den Betrieb des zweiten Expanders (24) verdichtet, und M) das entspannte Abgas (31) in Dampferzeuger (18) geleitet wird und dort zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19) dient, der für den stationären Betrieb der Anlage (1) benötigt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anlage (2) ein Dampferzeuger vorgesehen ist, in dem Mitteldruck- oder Niederdruckdampf erzeugt wird und in dem das Abgas (3) auf eine Temperatur von 200 bis 400°C gekühlt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Anlage (1) eine Anlage zur Durchführung von Oxidationsreaktionen mit sauerstoffhaltigen Gasen und mit organischen Verbindungen zur Erzeugung von Carbonsäuren, Aldehyden, Alkoholen und/oder Ketonen ist, insbesondere eine Anlage zur Durchführung von Oxidationsreaktionen mit Luft und mit aromatischen Alkyl- oder Polyalkylverbindungen zu den entsprechenden aromatischen Mono- oder Polycarbonsäuren ist, und ganz besonders bevorzugt eine Anlage zur Durchführung von Oxidationsreaktionen mit Luft und Xylolen zu den entsprechenden Phenylendicarbonsäuren.
Verfahren zur kombinierten Erzeugung von unter Druck stehendem sauerstoffhaltigen Gas, Hochdruckdampf und elektrischer Energie für den Betrieb einer Anlage zur Durchführung von chemischen Oxidationsreaktionen, wobei – in der Anlage (1) eine chemische Oxidationsreaktion von sauerstoffhaltigem Gas mit einer organischen Verbindung durchgeführt wird, – das sauerstoffhaltige Gas (11) mittels eines ersten Kompressors (7) einer Prozessgaskompressoranlage (4) verdichtet und teilweise der Anlage (1) zugeführt wird, – in der Prozessgaskompressoranlage (4) mittels eines ersten Generators (6) Elektrizität (6a) erzeugt wird, – in einer Einheit (25) Elektrizität (27a, 6a) erzeugt wird, indem – ein Teil des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases (11a) einer Brennkammer (26) zugeführt wird, – in der Brennkammer (26) ein heißes und verdichtetes Abgas (30) erzeugt wird, das – in einen zweiten Expander (24) geleitet wird, dort entspannt und in einen Dampferzeuger (18) geleitet wird, wo das entspannte Abgas (31) zur Erzeugung von Hochdruckdampf (19) genutzt wird, – und die im zweiten Expander (24) gewonnene mechanische Energie zur Erzeugung von Elektrizität genutzt wird, indem der zweite Expander (24) mechanisch mit einem zweiten Generator (27) oder mit dem ersten Generator (6) gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens die folgenden Maßnahmen umfasst: i) Durchführung einer chemischen Oxidationsreaktion von sauerstoffhaltigem Gas mit einer organischen Verbindung in Anlage (1), wobei ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird, ii) katalytische Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a) in einer zu Anlage (1) nachgeschaltete Anlage (2), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird, iii) Verdichten von sauerstoffhaltigem Gas in einem ersten Kompressor (7), der neben einem erstem Expander (5) zum Entspannen des Abgases (3) und einem erstem Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität (6a) Teil einer Prozessgaskompressoranlage (4) darstellt, in der erster Kompressor (7), erster Expander (5) und erster Generator (6) über eine Welle (8) miteinander verbunden sind, iv) Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5), v) Abführen des entspannten Abgases (10) aus dem ersten Expander (5), vi) Einleiten eines Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases (11a) in die Anlage (1) und eines anderen Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases (11a) in eine Brennkammer (26), die Teil einer Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (27a, 6a) bildet, wobei Einheit (25) mindestens die Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) zum Entspannen eines Abgases (30), einen zweiten Generator (27) zum Erzeugen von Elektrizität (27a) und eine Welle (28) umfasst, oder wobei Einheit (25) mindestens die Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) zum Entspannen des Abgases (30) und eine Welle (40) umfasst, vii) Erzeugung von heißem und verdichtetem Abgas (30) in Brennkammer (26) durch Umsetzung von verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) aus dem ersten Kompressor (7) und Brennstoff (29), viii) Einleiten von Abgas (30) aus der Brennkammer (26) zur Entspannung in den zweiten Expander (24), ix) Ableiten des entspannten Abgases (31) aus dem zweiten Expander (24) in einen Dampferzeuger (18), x) Erzeugen von Hochdruckdampf (19) im Dampferzeuger (18) unter Abkühlung des entspannten Abgases (31), xi) Erzeugen von Elektrizität (27a, 6a) aus der im zweiten Expander (24) gewonnenen mechanischen Energie, indem der zweite Expander (24) über die Welle (28) mit einem zweiten Generator (27) verbunden ist oder über die Welle (40) mit einem Getriebe (9) und mit Welle (8) sowie mit dem ersten Generator (6) verbunden ist, und xii) Erzeugen von Elektrizität (6a) aus der im ersten Expander (5) gewonnenen mechanischen Energie, indem der erste Expander (5) über die Welle (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens die folgenden Maßnahmen umfasst: i) Durchführung einer chemischen Oxidationsreaktion von sauerstoffhaltigem Gas mit einer organischen Verbindung in Anlage (1), wobei ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird, ii) katalytische Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a) in einer zu Anlage (1) nachgeschaltete Anlage (2), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird, iii) Verdichten von sauerstoffhaltigem Gas in einem ersten Kompressor (7), der neben einem erstem Expander (5) zum Entspannen des Abgases (3), einem erstem Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität und einem Getriebe (9) Teil einer Prozessgaskompressoranlage (4) darstellt, in der erster Kompressor (7), erster Expander (5), erster Generator (6) und Getriebe (9) über eine Welle (8) miteinander verbunden sind, iv) Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5), v) Abführen des entspannten Abgases (10) aus dem ersten Expander (5), vi) Einleiten eines Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases (11a) in die Anlage (1) und eines anderen Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases (11a) in eine Brennkammer (26), die Teil einer Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (27a) bildet, wobei Einheit (25) mindestens die Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) zum Entspannen eines Abgases (30), einen zweiten Generator (27) zum Erzeugen von Elektrizität (27a) und eine Welle (28) umfasst, vii) Erzeugung von heißem und verdichtetem Abgas (30) in Brennkammer (26) durch Umsetzung von verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) aus dem ersten Kompressor (7) mit Brennstoff (29), viii) Einleiten von Abgas (30) aus der Brennkammer (26) zur Entspannung in den zweiten Expander (24), ix) Ableiten des entspannten Abgases (31) aus dem zweiten Expander (24) in einen Dampferzeuger (18), x) Erzeugen von Hochdruckdampf (19) im Dampferzeuger (18) unter Abkühlung des entspannten Abgases (31), xi) Erzeugen von Elektrizität (27a) aus der im zweiten Expander (24) gewonnenen mechanischen Energie, indem der zweite Expander (24) über die Welle (28) mit einem zweiten Generator (27) verbunden ist, xii) Erzeugen von Elektrizität (6a) aus einem Teil der im ersten Expander (5) gewonnenen mechanischen Energie, indem der erste Expander (5) über die Welle (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist, xiii) Erzeugen von Elektrizität aus der in einer Dampfturbine (12) gewonnenen mechanischen Energie, indem die Dampfturbine (12) über eine Welle (13), Getriebe (9) und Welle (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist, xiv) Betrieb der Dampfturbine (12) mit Mittel- oder Niederdruckdampf, der aus Anlage (1) und/oder aus Anlage (2) stammt, und xv) Betrieb des ersten Kompressors (7) mit einem Teil der im ersten Expander (5) gewonnenen mechanischen Energie, indem der erste Expander (5) über Welle (8) mit dem ersten Kompressor (7) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens die folgenden Maßnahmen umfasst: i) Durchführung einer chemischen Oxidationsreaktion von sauerstoffhaltigem Gas mit einer organischen Verbindung in Anlage (1), wobei ein sauerstoffhaltiges Abgas (1a) erzeugt wird, ii) katalytische Oxidation von organischen Reststoffen im sauerstoffhaltigen Abgas (1a) in einer zu Anlage (1) nachgeschaltete Anlage (2), wobei ein Abgas (3) erzeugt wird, iii) Verdichten von sauerstoffhaltigem Gas in einem ersten Kompressor (7), der neben einem erstem Expander (5) zum Entspannen des Abgases (3), einem erstem Generator (6) zum Erzeugen von Elektrizität und einem Getriebe (9) Teil einer Prozessgaskompressoranlage (4) darstellt, in der erster Kompressor (7), erster Expander (5), erster Generator (6) und Getriebe (9) über eine Welle (8) miteinander verbunden sind, iv) Einleiten des Abgases (3) in den ersten Expander (5), v) Abführen des entspannten Abgases (10) aus dem ersten Expander (5), vi) Einleiten eines Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases in die Anlage (1) und eines anderen Teils des im ersten Kompressor (7) verdichteten sauerstoffhaltigen Gases in eine Brennkammer (26), die Teil einer Einheit (25) zur Erzeugung von Elektrizität (6a) bildet, wobei Einheit (25) mindestens die Brennkammer (26), einen zweiten Expander (24) zum Entspannen eines Abgases (30) und eine Welle (40) umfasst, vii) Erzeugung von heißem und verdichtetem Abgas (30) in Brennkammer (26) durch Umsetzung von verdichtetem sauerstoffhaltigem Gas (11a) aus dem ersten Kompressor (7) und Brennstoff (29), viii) Einleiten von Abgas (30) aus der Brennkammer (26) zur Entspannung in den zweiten Expander (24), ix) Ableiten des entspannten Abgases (31) aus dem zweiten Expander (24) in einen Dampferzeuger (18), x) Erzeugen von Hochdruckdampf (19) im Dampferzeuger (18) unter Abkühlung des entspannten Abgases (31), xi) Erzeugen von Elektrizität (6a) aus der im zweiten Expander (24) gewonnenen mechanischen Energie, indem der zweite Expander (24) über die Welle (40) mit dem Getriebe (9), der Welle (8) und dem ersten Generator (6) verbunden ist, xii) Erzeugen von Elektrizität (6a) aus einem Teil der im ersten Expander (5) gewonnenen mechanischen Energie, indem der erste Expander (5) über die Weile (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist, xiii) Erzeugen von Elektrizität (6a) aus der in einer Dampfturbine (12) gewonnenen mechanischen Energie, indem die Dampfturbine (12) über eine Welle (13), Getriebe (9) und Welle (8) mit dem ersten Generator (6) verbunden ist, xiv) Betrieb der Dampfturbine (12) mit Mittel- oder Niederdruckdampf, der aus Anlage (1) und/oder aus Anlage (2) stammt, und xv) Betrieb des ersten Kompressors (7) mit einem Teil der im ersten Expander (5) gewonnenen mechanischen Energie, indem der erste Expander (5) über Welle (8) mit dem ersten Kompressor (7) verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Anlage (2) Mitteldruck- oder Niederdruckdampf erzeugt wird, wobei das Abgas (3) auf eine Temperatur von 200 bis 400°C gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Anlage (1) Oxidationsreaktionen mit sauerstoffhaltigen Gasen und mit organischen Verbindungen zur Erzeugung von Carbonsäuren, Aldehyden, Alkoholen und/oder Ketonen durchgeführt werden, insbesondere Oxidationsreaktionen mit Luft und mit aromatischen Alkyl- oder Polyalkylverbindungen zu den entsprechenden aromatischen Mono- oder Polycarbonsäuren, und ganz besonders bevorzugt Oxidationsreaktionen mit Luft und Xylolen zu den entsprechenden Phenylendicarbonsäuren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren der Prozessgaskompressoranlage (4) der erste Generator (6) als Motor betrieben wird und mit elektrischer Energie aus dem lokalen und/oder öffentlichen Stromnetz versorgt wird, bis die Prozessgaskompressoranlage (4) hochgefahren ist.