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WO2016005031A1 - Verfahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft mit variablem energieverbrauch - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft mit variablem energieverbrauch Download PDF

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WO2016005031A1
WO2016005031A1 PCT/EP2015/001285 EP2015001285W WO2016005031A1 WO 2016005031 A1 WO2016005031 A1 WO 2016005031A1 EP 2015001285 W EP2015001285 W EP 2015001285W WO 2016005031 A1 WO2016005031 A1 WO 2016005031A1
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pressure
compressed
air
compressor
product
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PCT/EP2015/001285
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French (fr)
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Dimitri Goloubev
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Priority to US15/322,740 priority patent/US10215489B2/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
    • F25J2240/42—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/50—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for variable recovery of a compressed gas product by cryogenic separation of air.
  • the distillation column system of such a system can be designed as a two-column system (for example as a classic Linde double column system), or as a three or more column system. It may have, in addition to the columns for nitrogen-oxygen separation, other devices for obtaining highly pure products and / or other air components, in particular noble gases, for example argon recovery and / or krypton-xenon recovery.
  • the product stream is then "pseudo-evaporated".
  • the product stream may be, for example, an oxygen product from the
  • a high-pressure heat transfer fluid is liquefied (or pseudo-liquefied when it is under supercritical pressure).
  • the heat transfer medium is frequently replaced by a part of Air formed, in the present case of the "second partial flow" of the compressed feed air.
  • DE 102010052545 A1 shows a stationary internal compression method, in which an air stream in the main heat exchanger warmed up and to the main air compressor
  • the invention relates to systems in which all of the feed air is at a pressure well above the highest distillation pressure prevailing inside the columns of the distillation column system (this is normally the case)
  • High-pressure column pressure is compressed.
  • HAP processes HAP - high air pressure
  • the main air compressor is regularly the only external energy driven machine for compressing air.
  • a “single machine” is understood to mean a single stage or multi-stage compressor whose stages are all connected to the same drive, with all stages in housed in the same housing or connected to the same gear.
  • An alternative to such HAP methods is the so-called MAC-BAC
  • Main heat exchanger It is located downstream of the main air compressor in one
  • a concrete example of such a constraint is the delivery of internally compressed oxygen (GOXIV) and optionally other gaseous and / or liquid products to an ethylene oxide production plant.
  • GOXIV internally compressed oxygen
  • the oxygen demand is adapted to the catalyst state in EO production; it can therefore be varied between 100% and about 70% during the catalyst life (usually around 3 years).
  • Air separation products may, for example, be one, several or all of the following products:
  • High-pressure column taken from pressurized nitrogen (HPGAN), which is optionally further compressed in a nitrogen compressor.
  • HPGAN pressurized nitrogen
  • Liquid product (s) such as liquid oxygen, liquid nitrogen and / or liquid argon.
  • the invention has for its object to provide a method and a corresponding device, which combine the advantages of HAP method with a flexibility, as is similar in MAC-BAC method known.
  • "Flexibility" is understood here in particular that the system can be operated not only energetically favorable at a certain production amount of internally compressed product, but in a relatively wide load range at approximately constant low specific energy consumption. In particular, the production of other air separation products should remain the same or at least change less than the product quantity of the internal compaction product.
  • second process stream bypasses the low-pressure column.
  • part of the nitrogen obtained in the high-pressure column is not introduced into the low-pressure column, but fed to a nitrogen product compressor, by
  • this pressure GAN is fed at a suitable location (for example, after the second or third stage compressor) in the nitrogen product compressor.
  • the proportion of low-pressure GAN (the amount of gas to be compressed from approximately atmospheric pressure to approximately 5 bar) can be correspondingly reduced.
  • the proportion of low-pressure GAN (the amount of gas to be compressed from approximately atmospheric pressure to approximately 5 bar) can be correspondingly reduced.
  • the second process stream can also be at the entrance of a
  • Nitrogen product compressor are mixed with the first process stream. In many cases, it is favorable if the mixing of the second with the first
  • Process flow is performed at an intermediate stage of the multi-stage nitrogen product compressor.
  • an oxygen gas stream may be withdrawn from the lower region of the low pressure column, mixed with a nitrogen-enriched stream from the top of the low pressure column, and the mixture heated in the main heat exchanger.
  • Air turbine are used, wherein a third part of the stream compressed in the main air compressor feed air is cooled to an intermediate temperature in a main heat exchanger and expanded work in the second air turbine and at least a first part of the working expanded third partial flow in the
  • a fourth substream of the compressed air in the main air compressor can be cooled below the first pressure in the main heat exchanger and then released and introduced into the distillation column system.
  • a second throttle flow of the heat exchange process in the main heat exchanger is further optimized.
  • the third partial flow is relaxed in the second air turbine to a pressure which is at least 1 bar higher than the operating pressure of the high-pressure column, and the working expanded third partial stream in the main heat exchanger further cooled and then depressurized and introduced into the distillation column system.
  • the compressed in the main air compressor especially in the transition from the first to the second operating mode, the compressed in the main air compressor
  • Main air compressor is compressed
  • Main air compressor is compressed, wherein
  • the ratio of the second amount of feed air to the first amount of feed air is greater, in particular by at least 3%, in particular by more than
  • Heat exchanger reheated and finally throttled to atmospheric pressure is, but it will be achieved with the features described above, other benefits.
  • the first partial flow is compressed in the main air compressor
  • the inlet pressure of the first turbine is significantly higher than the first pressure to which the total air is compressed.
  • the air for the second turbine is not recompressed, that is, its inlet pressure is at the lower level of the first pressure.
  • the invention also relates to a device according to claim 10.
  • the device according to the invention can be supplemented by device features which correspond to the features of the dependent method claims.
  • Operating Mode are complex control devices that, in conjunction, allow at least partial automatic switching between the two modes of operation, for example, by a suitably programmed operational control system.
  • Figure 2 shows an embodiment of the invention with introduction of gaseous
  • Atmospheric air is drawn in via a filter 1 from a main air compressor 2.
  • the main air compressor has five stages in the example and compresses the total air flow to a "first pressure" of for example 22 bar.
  • Main air compressor 2 is cooled under the first pressure in a pre-cooling 4.
  • the pre-cooled total air flow 5 is purified in a cleaning device 6, which is formed in particular by a pair of switchable molecular sieve adsorber.
  • the purified total air flow 7 is a first part 8 in a warm-operated
  • Turbine air flow Turbine air flow
  • first throttle flow first throttle flow split.
  • the first partial flow 1 1 is in a main heat exchanger 13 to a first
  • the cooled first partial flow 1 is expanded in a first air turbine 15 from the second pressure to about 5.5 bar to perform work.
  • the first air turbine 15 drives the warm air compressor 9.
  • the work performing relaxed first partial flow 16 is in a separator (phase separator) 17th
  • the distillation column system comprises a high pressure column 21, the
  • Der Main condenser 23 is designed as a condenser-evaporator, in the concrete example as a cascade evaporator.
  • the operating pressure at the top of the high pressure column is in the example 5.3 bar, the one at the top of the low pressure column 1, 35 bar.
  • the second partial stream 12 of the feed air is cooled in the main heat exchanger 3 to a second intermediate temperature, which is higher than the first intermediate temperature, fed via line 27 to a cold compressor 28 and there recompressed to a "third pressure" of about 40 bar.
  • the recompressed second partial stream 29 is at a third intermediate temperature, which is higher than the second intermediate temperature, again introduced into the main heat exchanger 13 and cooled there to the cold end.
  • the cold second partial stream 30 is expanded in a throttle valve 31 to approximately the operating pressure of the high-pressure column and fed via line 32 to the high-pressure column 21.
  • a part 33 is removed again, cooled in a supercooling countercurrent 34 and fed via the lines 35 and 20 in the low-pressure column 22.
  • a "third partial flow" 36 of the feed air is under the first pressure in the
  • Main heat exchanger 13 and cooled there to a fourth intermediate temperature, which is slightly lower than the first intermediate temperature in the example.
  • the cooled third partial flow 37 is expanded in a second air turbine 37 from the first pressure to about high-pressure column pressure to perform work.
  • Air turbine 38 drives the cold compressor 28.
  • the working expanded third partial stream 39 is supplied via line 40 of the high-pressure column 21 at the bottom.
  • a "fourth partial flow” 41 (second throttle flow) flows through the main heat exchanger 13 from the hot to the cold end under the first pressure.
  • Partial flow 42 is in a throttle valve 43 to about the operating pressure of
  • High pressure column relaxed and fed via line 32 of the high pressure column 21.
  • the oxygen-enriched bottoms liquid of the high pressure column 21 is in
  • Liquid 47 are fed into the low-pressure column 22.
  • a first part 49 of the top nitrogen 48 of the high-pressure column 21 is in
  • a first part 51 of the liquid nitrogen 51 produced in this process is introduced as reflux to the high-pressure column 21.
  • a second part 52 is cooled in the subcooling countercurrent 34, fed via line 53 into the low pressure column 22. At least part of the liquid
  • Low pressure nitrogen 53 serves as reflux in the low pressure column 21; another part 54 can be obtained as liquid nitrogen product (LIN).
  • gaseous low-pressure nitrogen 55 is withdrawn, warmed in the supercooling countercurrent 34 and in the main heat exchanger 13.
  • the warm low-pressure nitrogen 56 is compressed in a two-section nitrogen product compressor (57, 59) with intermediate and after-cooling (58, 60) to the desired product pressure, which in the example is 12 bar.
  • the first section 57 of the nitrogen product compressor consists for example of two or three stages with associated aftercoolers; the second section 59 has at least one step and is preferably also intermediate and post-cooled.
  • gaseous impurity nitrogen 55 is withdrawn, warmed in the subcooling countercurrent 34 and the main heat exchanger 13.
  • the warm impure nitrogen 62 may be vented (63) into the atmosphere (ATM) and / or used as the regeneration gas 64 for the purifier 6.
  • a first portion 70 of the liquid oxygen 69 from the bottom of the low-pressure column 21 is withdrawn as the "first product stream", brought to a "first product pressure” of, for example, 37 bar in an oxygen pump 71 and vaporized under the first product pressure in the main heat exchanger 13 and finally via line 72 as "first compressed gas product” (GOX IC - compressed gas internal oxygen) won.
  • a second portion 73 of the liquid oxygen 69 from the bottom of the low-pressure column 21 is optionally cooled in the subcooling countercurrent 34 and recovered via line 74 as a liquid oxygen product (LOX).
  • LOX liquid oxygen product
  • a third part 75 of the liquid nitrogen 50 from the high-pressure column 21 and the main capacitor 23 is a
  • GAN IC internally compressed gaseous nitrogen pressure product
  • a second part 78 of the gaseous top nitrogen 48 of the high pressure column 21 is warmed in the main heat exchanger and recovered via line 79 either as a gaseous medium pressure product or - as shown - used as a sealing gas (seal gas) for one or more of the illustrated process pumps.
  • a lower oxygen production (for example 75%) may then be considered a "second mode of operation".
  • second mode of operation is a portion of the gaseous portion 17 of the work performing relaxed first partial flow 16 as a "second process stream" via the lines 65, 66 through the main heat exchanger to an intermediate stage of
  • Main air compressor 2 returned.
  • the recirculation flow between the second and the third stage and between the third and fourth stage of the main air compressor is added to the feed air.
  • This feed air is here the "first process stream”.
  • the recirculation quantity in the table refers to the current air volume through filter 1. All percentages here and in the rest of the text refer to molar quantities, unless stated otherwise.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention. It differs from Figure 1 by the features described below; Incidentally, the description of Figure 1 also applies to Figure 2.
  • the return line 65, 66 for air is missing here. Instead, in the second
  • Main condenser 23 condensed and not introduced into the low pressure column.
  • gaseous oxygen 181 is withdrawn from the low pressure column and with the gaseous impurity nitrogen 61 mixed from the low pressure column.
  • the mixing takes place in the example downstream of the subcooling countercurrent 34.
  • the conduit 181 is closed or less gas is supplied via conduit 181.
  • the amount of nitrogen through line 180 refers to the amount of air through filter 1 in the design case.
  • FIG. 3 differs from FIG. 1 by a third inductor current.
  • the second turbine 38 is operated with a relatively large outlet pressure and a relatively high outlet temperature.
  • the work expanded turbine stream 339 then has a pressure which is at least 1 bar, in particular 4 to 1 1 bar above the operating pressure of the high pressure column, and a temperature which is at least 10 K, in particular 20 to 60 K above the inlet temperature of the low pressure nitrogen streams 55, 61 is located at the cold end of the main heat exchanger.
  • This stream is then further cooled in the cold part of the main heat exchanger.
  • the further cooled third partial flow 340 is expanded as a third throttle flow in a throttle valve 341 to about high-pressure column pressure and introduced via line 32 into the high-pressure column.
  • the heat exchange process in the main heat exchanger can be further optimized.

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur variablen Gewinnung eines Druckgasprodukts (72; 73) mittels Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System, das eine Hochdrucksäule (21) und eine Niederdrucksäule (22) aufweist. Die gesamte Einsatzluft wird in einem Hauptluftverdichter (2) auf einen ersten Druck verdichtet, der mindestens 4 bar höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (21) ist. Ein erster Teilstrom (8, 11, 14) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft (7) wird in einem Hauptwärmetauscher (13) auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und in einer ersten Luftturbine (15) arbeitsleistend entspannt und in das Destillationssäulen-System eingeleitet (40; 18, 19, 20). Ein zweiter Teilstrom (12, 27, 29, 30) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft wird in einem ersten Nachverdichter (9) nachverdichtet, in dem Hauptwärmetauscher (13) abgekühlt und anschließend entspannt (31) und in das Destillationssäulen-System eingeleitet. Ein erster Produktstrom (69; 75) wird flüssig aus dem Destillationssäulen-System entnommen, einer Druckerhöhung (71; 76) auf einen ersten Produktdruck unterworfen, im Hauptwärmetauscher (13) verdampft oder pseudo-verdampft und angewärmt und als erstes Druckgasprodukt (GOX IC; GAN IC) gewonnen. Gasförmiger Stickstoff (55, 56) aus der Niederdrucksäule wird in einem mehrstufigen Stickstoffproduktverdichter (57/59) von einem Eintrittsdruck auf einen Enddruck verdichtet. Mindestens zeitweise wird gasförmiger Stickstoff (178, 179, 180) aus der Hochdrucksäule (21) stromabwärts der ersten Stufe des Stickstoffverdichters (57/59) mit dem Stickstoff aus der Niederdrucksäule vermischt. In einem ersten Betriebsmodus wird eine erste Menge an erstem Druckgasprodukt gewonnen und in einem zweiten Betriebsmodus eine zweite, geringer Menge. In dem ersten Betriebsmodus wird einer erste Menge an Hochdrucksäulen-Stickstoff (178, 179, 180), die auch Null sein kann, in dem Stickstoffverdichter (57/59) verdichtet, im zweiten Betriebsmodus eine zweite, größere Menge.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit variablem
Energieverbrauch
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur variablen Gewinnung eines Druckgasprodukts mittels Tieftemperaturzerlegung von Luft.
Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt.
Das Destillationssäulen-System einer solchen Anlage kann als Zwei-Säulen-System (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem) ausgebildet sein, oder auch als Drei- oder Mehr-Säulen-System. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff- Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung hoch reiner Produkte und/oder anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung und/oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.
Bei dem Prozess wird im Rahmen einer„Innenverdichtung" ein flüssig auf Druck gebrachter Produktstrom gegen einen Wärmeträger verdampft und schließlich als innenverdichtetes Druckgasprodukt gewonnen. Diese Methode wird auch als
Innenverdichtung bezeichnet. Sie dient zur Gewinnung von gasförmigem
Druckprodukt. Für den Fall eines überkritischen Drucks findet kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne statt, der Produktstrom wird dann "pseudo-verdampft". Bei dem Produktstrom kann es sich beispielsweise um ein Sauerstoffprodukt aus der
Niederdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems oder um ein Stickstoffprodukt aus der Hochdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems beziehungsweise aus dem
Verflüssigungsraum eines Hauptkondensators handeln, über den Hochdrucksäule und Niederdrucksäule in wärmetauschender Verbindung stehen Gegen den (pseudo-)verdampfenden Produktstrom wird ein unter hohem Druck stehender Wärmeträger verflüssigt (beziehungsweise pseudo-verflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht). Der Wärmeträger wird häufig durch einen Teil der Luft gebildet, im vorliegenden Fall von dem "zweiten Teilstrom" der verdichteten Einsatzluft.
Innenverdichtungsverfahren sind zum Beispiel bekannt aus DE 830805, DE 901542 (= US 2712738/US 2784572), DE 952908, DE 1 103363 (= US 3083544), DE 1 1 12997 (= US 3214925), DE 1 124529, DE 1 1 17616 (= US 3280574), DE 1226616
(= US 3216206), DE 1229561 (= US 3222878), DE 1 199293, DE 1 187248
(= US 3371496), DE 1235347, DE 1258882 (= US 3426543), DE 1263037
(= US 3401531 ), DE 1501722 (= US 3416323), DE 1501723 (= US 3500651 ),
DE 253132 (= US 4279631 ), DE 2646690, EP 93448 B1 (= US 4555256), EP 384483 B1 (= US 5036672), EP 505812 B1 (= US 5263328), EP 716280 B1 (= US 5644934), EP 842385 B1 (= US 5953937), EP 758733 B1 (= US 5845517), EP 895045 B1 (= US 6038885), DE 19803437 A1 , EP 949471 B1 (= US 6185960 B1), EP 955509 A1 (= US 6196022 B1 ), EP 1031804 A1 (= US 6314755), DE 19909744 A1 , EP 1067345 A1 (= US 6336345), EP 1074805 A1 (= US 6332337), DE 19954593 A1 , EP 1 134525 A1 (= US 6477860), DE 10013073 A1 , EP 1 139046 A1 , EP 1 146301 A1 , EP 150082 A1 , EP 1213552 A1 , DE 101 15258 A1 , EP 1284404 A1 (= US 2003051504 A1 ), EP 1308680 A1 (= US 6612129 B2), DE 10213212 A1 , DE 1021321 1 A1 , EP 1357342 A1 oder DE 10238282 AI DE 10302389 A1 , DE 10334559 A1 , DE 10334560 A1 , DE 10332863 A1 , EP 1544559 A1 , EP 1585926 A1 , DE 102005029274 A1 EP 1666824
A1.EP 1672301 A1 , DE 102005028012 A1 , WO 2007033838 A1 , WO 2007 04449 A1 , EP 1845324 A1 , DE 102006032731 A1 , EP 1892490 A1 , DE 102007014643 A1 , A1 , EP 2015012 A2, EP 2015013 A2, EP 2026024 A1 , WO 2009095188 A2 oder DE 102008016355 A1.
DE 102010052545 A1 zeigt ein stationäres Innenverdichtungsverfahren, bei dem ein Luftstrom im Hauptwärmetauscher angewärmt und zum Hauptluftverdichter
zurückgeführt wird. Die Erfindung betrifft insbesondere Systeme, bei denen die gesamte Einsatzluft auf einen Druck, der deutlich über dem höchsten Destillationsdruck, der im Inneren der Säulen des Destillationssäulen-Systems herrscht (im Normalfall ist dies der
Hochdrucksäulendruck verdichtet wird. Solche Systeme werden auch als HAP- Prozesse bezeichnet (HAP - high air pressure). Dabei liegt der "erste Druck", also der Austrittsdruck des Hauptluftverdichters (MAC = main air compressor), in dem die Gesamtluft verdichtet wird, beispielsweise mehr als 4 bar, insbesondere 6 bis 16 bar über dem höchsten Destillationsdruck. Absolut liegt der "erste Druck" beispielsweise zwischen 17 und 25 bar. Bei HAP-Verfahren stellt der Hauptluftverdichter regelmäßig die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft dar. Unter einer "einzigen Maschine" wird hier ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter verstanden, dessen Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind, wobei alle Stufen in demselben Gehäuse untergebracht oder mit demselben Getriebe verbunden sind. Eine Alternative zu derartigen HAP-Verfahren stellen so genannte MAC-BAC-
Verfahren dar, bei denen die Luft im Hauptluftverdichter auf einen relativ niedrigen Gesamtluftdruck verdichtet wird, zum Beispiel auf den Betriebsdruck der
Hochdrucksäule (plus Leitungsverlusten). Ein Teil der Luft aus dem Hauptluftverdichter im einem mit externer Energie angetriebenen Luftnachverdichter (BAC = booster air compressor) auf einen höheren Druck verdichtet wird. Dieser Luftteil unter höherem Druck (häufig Drosselstrom genannt) liefert den Großteil der für die (Pseudo- )Verdampfung des innenverdichteten Produkts notwendige Wärme im
Hauptwärmetauscher. Er wird stromabwärts des Hauptluftverdichter in einem
Drosselventil oder in einer Flüssigturbine (DLE = dense liquid expander) auf den im Destillationssäulen-System benötigten Druck entspannt.
Vielfach zwingt ein schwankender Bedarf an innenverdichtetem Produkt dazu, eine Luftzerlegungsanlage auf variablen Betrieb mit variabler Druckgasproduktion auszulegen. Umgekehrt kann es sinnvoll sein, eine Luftzerlegungsanlage trotz konstanter oder im Wesentlichen konstanter Produktion variabel zu betreiben, indem verschiedene Betriebsweisen vorgesehen sind, die unterschiedlich hohen
Energieverbrauch aufweisen.
Ein konkretes Beispiel für eine derartige Randbedingung ist die Lieferung von innenverdichtetem Sauerstoff (GOXIV) und gegebenenfalls weiteren gasförmigen und/oder flüssigen Produkten an einer Ethylenoxid-Produktionsanlage. Hier ist es oftmals der Fall, dass der Sauerstoff-Bedarf dem Katalysator-Zustand bei der EO- Produktion angepasst wird; er kann daher zwischen 100% und ca. 70% während der Katalysator-Lebensdauer (in der Regel um die 3 Jahre) variiert werden. Dabei ist es wesentlich, dass während dieser Zeit die Luftzerlegungsanlage ca. die gleichen Zeiten mit unterschiedlichen GOXIV-Produktmengen (zwischen 100% und ca. 70%) betrieben wird. Daher ist es wichtig, dass die Anlage nicht nur im Design-Fall mit 00% GOXIV, sondern auch in Unterlastfällen effizient betrieben wird. Diese Forderung wird noch dadurch erschwert, dass die Produktion von anderen Luftzerlegungsprodukten unabhängig vom GOXIV-Produkt ist; zum Beispiel kann der Bedarf an einem, mehreren oder allen anderen Luftzerlegungsprodukten unverändert bleiben, während die GOX-Produktion von 100 % auf etwa 70 % sinkt. Bei solchen "anderen
Luftzerlegungsprodukten" und kann es sich beispielsweise um ein, mehrere oder alle der folgenden Produkte handeln:
- Innenverdichtetes Stickstoffprodukt (GANIV)
- Anderes gasförmiges Druckprodukt wie zum Beispiel gasförmig aus der
Hochdrucksäule entnommener Druckstickstoff (HPGAN), der gegebenenfalls in einem Stickstoffverdichter weiter verdichtet wird.
- Flüssigprodukt(e) wie flüssiger Sauerstoff, flüssiger Stickstoff und/oder flüssiges Argon.
Mit einem konventionellen MAC-BAC-Verfahren ist diese Aufgabenstellung relativ gut zu bewerkstelligen, da beide Verdichter (MAC und BAC) für funktional getrennte Aufgaben zuständig sind. Der Hauptluftverdichter liefert im Prinzip nur die Einsatzluft für die Zerlegung; der Luftnachverdichter liefert Energie für die Innenverdichtung (GOXIV, GANIV) und für die Flüssigproduktion. Beide Maschinen können dabei in der Regel zwischen 70% und 100% relativ einfach geregelt werden. Bei einem HAP-Verfahren werden diese beiden Aufgaben (Lieferung von
Zerleg ungsluft und von Energie zur Innenverdichtung/Flüssigproduktion) mit einem einzigen Verdichter gelöst. Das kann zu Situationen führen, dass bestimmte
Betriebsfälle außerhalb des Verdichter-Kennfeldes liegen und nicht fahrbar sind. Der Gesamtenergiebedarf einer Luftzerlegungsanlage wird nicht nur durch das GOXIV- Produkt, sondern zu einem großen Teil durch Flüssigproduktion beziehungsweise durch andere innenverdichteten Produkte bestimmt. Für die Menge der Zerlegungsluft ist das GOXIV-Produkt aber oftmals bestimmend. Wird die GOXIV-Menge deutlich reduziert, wird auch deutlich weniger Zerlegungsluft in die Anlage gefahren. Damit wird aber auch deutlich weniger Energie ins System eingetragen, was unter Umständen nicht mehr für die gewünschte Produktion von anderen Produkten (Flüssigkeiten, GANIV etc.) ausreichen kann. Um trotz der deutlich geringeren Luftmenge genügend Energie zu liefern, muss der Verdichterdruck deutlich höher gefahren werden. Dies ist aber bei einem HAP-Verfahren nur bedingt machbar, weil
a) das Maschinen-Kennfeld begrenzt ist und
b) der Auslegungsdruck für den "warmen" Anlagenteil (Vorkühlung, Adsorber etc.) darf nicht überschritten werden darf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, welche die Vorteile von HAP-Verfahren mit einer Flexibilität zu verbinden, wie sie ähnlich bei MAC-BAC-Verfahren bekannt ist. Unter "Flexibilität" wird hier insbesondere verstanden, dass das System nicht nur bei einer bestimmten Produktionsmenge an innenverdichtetem Produkt energetisch günstig betrieben werden kann, sondern im einem relativ weiten Lastbereich bei ungefähr gleich bleibend geringem spezifischen Energieverbrauch. Dabei soll insbesondere die Produktion von anderen Luftzerlegungsprodukten gleich bleiben oder sich zumindest weniger stark als die Produktmenge des Innenverdichtungsprodukts ändern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der Erfindung wird in dem zweiten Betriebsmodus eines stickstoffangereicherten Prozessstroms („zweiter Prozessstrom") an der Niederdrucksäule vorbeigeleitet.
Gemäß der Erfindung wird ein Teil des in der Hochdrucksäule gewonnenen Stickstoffs nicht in die Niederdrucksäule eingeleitet, sondern einem Stickstoffproduktverdichter zugeführt, indem
- der mehrstufige Verdichter durch einen Stickstoffproduktverdichter,
- der erste Prozessstrom durch einen ersten gasförmigen Stickstoffstrom aus der
Niederdrucksäule und
- der zweite Prozessstrom durch ersten gasförmigen Stickstoffstrom aus der
Hochdrucksäule
gebildet werden.
Ist im Prozess zum Beispiel wegen großen Mengen an Stickstoff-Produkt ein
Niederdruck-GAN-Verdichter als Stickstoffproduktverdichter vorgesehen (speziell bei relativ großer Produktion an innen verdichtetem GAN), kann dieser durch
Zwischeneinspeisung von Druck-GAN aus der Hochdrucksäule entlastet werden. Anders als im Design-Fall, wird im Falle von geringerer GOXIV-Produktion deutlich mehr Luft ins Rektifikationssystem gefahren und als Druck-GAN aus der Drucksäule entnommen, als für die Sauerstoffproduktion notwendig ist. Nach Anwärmen im
Wärmetauscher wird dieser Druck-GAN an einer passenden Stelle (zum Beispiel nach der zweiten oder dritten Verdichterstufe) beim Stickstoffproduktverdichter eingespeist. Dadurch kann der Anteil des Niederdruck-GAN (die von ca. atmosphärischem Druck auf etwa 5 bar zu verdichtende Gas-Menge) entsprechend reduziert werden. So werden zum Beispiel (anderes als im Design-Fall mit 100% GOXIV) im Betriebsfall mit ca. 75% GOXIV, voller Flüssigproduktion und 100% HPGAN-Produktmenge - ca. 70- 75% Niederdruck-GAN und ca.25-30% Druck-GAN aus der Drucksäule verdichtet. Dadurch gewinnt man die mit der überschüssigen Luftmenge am Hauptluftverdichter aufgenommene Energie teilweise zurück.
Grundsätzlich kann der zweite Prozessstrom auch am Eintritt eines
Stickstoffproduktverdichters mit dem ersten Prozessstrom vermischt werden. In vielen Fällen ist es aber günstig, wenn die Vermischung des zweiten mit dem ersten
Prozessstrom bei einer Zwischenstufe des mehrstufigen Stickstoffproduktverdichters durchgeführt wird.
Zusätzlich kann in dem zweiten Betriebsmodus ein Sauerstoffgasstrom aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule entnommen, mit einem stickstoffangereicherten Strom aus dem oberen Bereich der Niederdrucksäule vermischt und das Gemisch im Hauptwärmetauscher angewärmt werden.
Außerdem kann in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung eine zweite
Luftturbine eingesetzt werden, wobei ein dritter Teilstrom der im Hauptluftverdichter verdichteten Einsatzluft in einem Hauptwärmetauscher auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und in der zweiten Luftturbine arbeitsleistend entspannt wird und mindestens ein erster Teil des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms in das
Destillationssäulen-System eingeleitet wird.
Außerdem kann der zweite Teilstrom der im Hauptluftverdichter verdichteten
Einsatzluft in dem Hauptwärmetauscher auf eine Zwischentemperatur abgekühlt, in einem zweiten Nachverdichter, der als Kaltverdichter betrieben und von der zweiten Turbine angetrieben wird, auf einen dritten Druck nachverdichtet werden, der höher als der erste Druck ist, in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt, (pseudo-)verflüssigt und anschließend entspannt und in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird. Auf diese Weise kann der Druck des zweiten Teilstroms ohne Aufwendung äußerer
Energie weiter erhöht werden. Ein entsprechend höherer Innenverdichtungsdruck kann erreicht werden.
Zusätzlich kann ein vierter Teilstrom der im Hauptluftverdichter verdichteten Luft unter dem ersten Druck in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und anschließend entspannt und in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird. Durch einen derartigen zweiten Drosselstrom wird der Wärmeaustauschvorgang im Hauptwärmetauscher weiter optimiert. Bei einer anderen Ausführungsform mit der einer zweiten Turbine ist es günstig, wenn der dritte Teilstrom in der zweiten Luftturbine auf einen Druck entspannt wird, der mindestens 1 bar höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule ist, und der arbeitsleistend entspannte dritte Teilstrom in dem Hauptwärmetauscher weiter abgekühlt und anschließend entspannt und in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird. Durch einen derartigen dritten Drosselstrom wird der
Wärmeaustauschvorgang im Hauptwärmetauscher weiter optimiert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere beim Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus die im Hauptluftverdichter verdichtete
Gesamtluftmenge gar nicht reduziert oder weniger stark reduziert als die
Drucksauerstoff-Produktmenge, indem
- in dem ersten Betriebsmodus eine erste Menge an Einsatzluft in dem
Hauptluftverdichter verdichtet wird und
- in dem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge an Einsatzluft in dem
Hauptluftverdichter verdichtet wird, wobei
- das Verhältnis von zweiter Menge an Einsatzluft zu erster Menge an Einsatzluft größer, insbesondere um mindestens 3 %, insbesondere um mehr als
5 %größer ist als das Verhältnis zwischen zweiter Menge an erstem
Druckgasprodukt und erster Menge an erstem Druckgasprodukt. In Betriebsfällen mit geringerer GOXIV-Produktion, wird die Einsatzluftmenge in die Coldbox "künstlich" angehoben, das heißt es wird mehr Luft in den Tieftemperaturteil der Anlage gefahren als zur Gewinnung der für diesen Betriebsfall spezifizierten Drucksauerstoff-Produkte notwendig ist. Fährt man die Einsatzluft im "Überschuss", kann der Druck am Verdichter-Austritt reduziert werden, da die Energielieferung für die (Pseudo-)Verdampfung des GOXIV-Produkts dann nicht mit dem Luft-Druck, sondern mit der Luft-Menge erfolgt. Dabei ist es von der Bedeutung, dass die Luft nicht nur einfach im Überschuss gefahren (im Hauptluftverdichter verdichtet, im Wärmetauscher abgekühlt, in der Turbine auf den Hochdrucksäulen-Druck entspannt, im
Wärmetauscher wieder angewärmt und schließlich auf atmosphärischen Druck abgedrosselt) wird, sondern es werden mit den weiter oben beschriebenen Merkmale auch weitere Vorteile erzielt.
Durch diese Maßnahme steht weiterhin ausreichend Luft für die Gewinnung von anderen Produkten zur Verfügung. Zu Beispiel kann ausreichend Kälte erzeugt werden, um eine gleich bleibende Menge an Flüssigprodukten zu liefern.
Vorzugsweise wird der erste Teilstrom der im Hauptluftverdichter verdichteten
Einsatzluft stromaufwärts seiner Einleitung in den Hauptwärmetauscher in einem ersten Nachverdichter nachverdichtet, der im Warmen betrieben und insbesondere von der ersten Turbine angetrieben wird. Dadurch ist der Eintrittsdruck der ersten Turbine deutlich höher als der erste Druck, auf den die Gesamtluft verdichtet wird. Die Luft für die zweite Turbine wird dagegen beispielsweise nicht nachverdichtet, das heißt ihr Eintrittsdruck liegt auf dem niedrigeren Niveau des ersten Drucks.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen der abhängigen Verfahrensansprüche entsprechen. Bei den "Mitteln zum Umschalten zwischen einem ersten und einem zweiten
Betriebsmodus" handelt es sich um komplexe Regel- und Steuerungsvorrichtungen, die im Zusammenwirken ein mindestens teilweise automatisches Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi ermöglichen, beispielsweise durch ein entsprechend programmiertes Betriebsleitsystem. Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen: Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren mit Rückführung von
Turbinenluft zum Hauptluftverdichter, das hier nicht beansprucht wird, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Einführung von gasförmigem
Stickstoff aus der Hochdrucksäule in einen Stickstoffproduktverdichter und
Figuren 3 und 4 Abwandlungen der Figur 1 mit einem dritten Drosselstrom.
Anhand von Figur 1 wird zunächst der erste Betriebsmodus einer Ausführungsform eines Verfahrens, das hier nicht beansprucht wird. Atmosphärische Luft (AIR) wird über ein Filter 1 von einem Hauptluftverdichter 2 angesaugt. Der Hauptluftverdichter weist in dem Beispiel fünf Stufen auf und verdichtet den Gesamtluftstrom auf einen "ersten Druck" von beispielsweise 22 bar. Der Gesamtluftstrom 3 stromabwärts des
Hauptluftverdichters 2 wird unter dem ersten Druck in einer Vorkühlung 4 gekühlt. Der vorgekühlte Gesamtluftstrom 5 wird in einer Reinigungseinrichtung 6, die insbesondere durch ein Paar umschaltbarer Molsieb-Adsorber gebildet wird, gereinigt. Der gereinigte Gesamtluftstrom 7 wird zu einem ersten Teil 8 in einem im Warmen betriebenen
Luftnachverdichter 9 mit Nachkühler 10 auf einen zweiten Druck von beispielsweise 28 bar nachverdichtet und anschließend in einen "ersten Teilstrom" 1 1 (erster
Turbinenluftstrom) und einen "zweiten Teilstrom" 12 (erster Drosselstrom) aufgeteilt. Der erste Teilstrom 1 1 wird in einem Hauptwärmetauscher 13 auf eine erste
Zwischentemperatur abgekühlt. Der abgekühlte erste Teilstrom 1 wird in einer ersten Luftturbine 15 von dem zweiten Druck auf etwa 5,5 bar arbeitsleistend entspannt. Die erste Luftturbine 15 treibt den warmen Luftnachverdichter 9 an. Der arbeitsleistend entspannte erste Teilstrom 16 wird in einem Abscheider (Phasentrenner) 17
eingeleitet. Der flüssige Anteil 18 wird über die Leitungen 19 und 20 in die
Niederdrucksäule 22 des Destillationssäulen-Systems eingeleitet.
Das Destillationssäulen-System umfasst eine Hochdrucksäule 21 , die
Niederdrucksäule 22 und einen Hauptkondensator 23 sowie eine übliche
Argongewinnung 24 mit Rohargonsäule 25 und Reinargonsäule 26. Der Hauptkondensator 23 ist als Kondensator-Verdampfer ausgebildet, in dem konkreten Beispiel als Kaskadenverdampfer. Der Betriebsdruck am Kopf der Hochdrucksäule beträgt in dem Beispiel 5,3 bar, derjenige am Kopf der Niederdrucksäule 1 ,35 bar. Der zweite Teilstrom 12 der Einsatzluft wird in dem Hauptwärmetauscher 3 auf eine zweite Zwischentemperatur abgekühlt, die höher als die erste Zwischentemperatur ist, über Leitung 27 einem Kaltverdichter 28 zugeleitet und dort auf einen "dritten Druck" von ca. 40 bar nachverdichtet. Der nachverdichtete zweite Teilstrom 29 wird bei einer dritten Zwischentemperatur, die höher als die zweite Zwischentemperatur ist, wieder in den Hauptwärmetauscher 13 eingeleitet und dort bis zum kalten Ende abgekühlt. Der kalte zweite Teilstrom 30 wird in einem Drosselventil 31 auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt und über Leitung 32 der Hochdrucksäule 21 zugeführt. Ein Teil 33 wird wieder entnommen, in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 34 abgekühlt und über die Leitungen 35 und 20 in die Niederdrucksäule 22 eingespeist.
Ein "dritter Teilstrom" 36 der Einsatzluft wird unter dem ersten Druck in den
Hauptwärmetauscher 13 eingeleitet und dort auf eine vierte Zwischentemperatur abgekühlt, die in dem Beispiel etwas niedriger als die erste Zwischentemperatur liegt. Der abgekühlte dritte Teilstrom 37 wird in einer zweiten Luftturbine 37 von dem ersten Druck auf etwa Hochdrucksäulendruck arbeitsleistend entspannt. Die zweite
Luftturbine 38 treibt den Kaltverdichter 28 an. Der arbeitsleistend entspannte dritte Teilstrom 39 wird über Leitung 40 der Hochdrucksäule 21 am Sumpf zugeführt.
Ein "vierter Teilstrom" 41 (zweiter Drosselstrom) durchströmt den Hauptwärmetauscher 13 vom warmen bis zum kalten Ende unter dem ersten Druck. Der kalte vierte
Teilstrom 42 wird in einem Drosselventil 43 auf etwa den Betriebsdruck der
Hochdrucksäule entspannt und über Leitung 32 der Hochdrucksäule 21 zugeführt.
Die sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit der Hochdrucksäule 21 wird im
Unterkühlungs-Gegenströmer 34 abgekühlt und über Leitung 45 in die fakultative Argongewinnung 24 eingeleitet. Daraus erzeugter Dampf 46 und verbleibende
Flüssigkeit 47 werden in die Niederdrucksäule 22 eingespeist.
Ein erster Teil 49 des Kopfstickstoffs 48 der Hochdrucksäule 21 wird im
Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 23 gegen im Verdampfungsraum verdampfenden flüssigen Sauerstoff aus dem Sumpf der Niederdrucksäule vollständig oder im Wesentlichen vollständig verflüssigt. Ein erster Teil 51 des dabei erzeugten flüssigen Stickstoffs 51 wird als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 21 aufgegeben. Ein zweiter Teil 52 wird im Unterkühlungs-Gegenströmer 34 abgekühlt, über Leitung 53 in die Niederdrucksäule 22 eingespeist. Mindestens ein Teil des flüssigen
Niederdruckstickstoffs 53 dient als Rücklauf in der Niederdrucksäule 21 ; ein anderer Teil 54 kann als Flüssigstickstoffprodukt (LIN) gewonnen werden.
Vom Kopf der Niederdrucksäule 22 wird gasförmiger Niederdruckstickstoff 55 abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 34 und im Hauptwärmetauscher 13 angewärmt. Der warme Niederdruckstickstoff 56 wird in einem aus zwei Sektionen bestehenden Stickstoffproduktverdichter (57, 59) mit Zwischen- und Nachkühlung (58, 60) auf den gewünschten Produktdruck verdichtet, der in dem Beispiel 12 bar beträgt. Die erste Sektion 57 des Stickstoffproduktverdichters besteht beispielsweise aus zwei oder drei Stufen mit dazugehörigen Nachkühlern; die zweite Sektion 59 weist mindestens eine Stufe auf und ist vorzugsweise ebenfalls zwischen- und nachgekühlt.
Von einer Zwischenstelle Niederdrucksäule 22 wird gasförmiger Unreinstickstoff 55 abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 34 und im Hauptwärmetauscher 13 angewärmt. Der warme Unreinstickstoff 62 kann in die Atmosphäre (ATM) abgeblasen (63) und/oder als Regeneriergas 64 für die Reinigungseinrichtung 6 eingesetzt werden.
Die Leitungen 67 und 68 (sogenannter Argonübergang) verbinden die
Niederdrucksäule 21 mit der Rohargonsäule 25 der Argongewinnung 24.
Ein erster Teil 70 des flüssigen Sauerstoffs 69 vom Sumpf der Niederdrucksäule 21 wird als "erster Produktstrom" abgezogen, in einer Sauerstoffpumpe 71 auf einen "ersten Produktdruck" von beispielsweise 37 bar gebracht und unter dem ersten Produktdruck in dem Hauptwärmetauscher 13 verdampft und schließlich über Leitung 72 als "erstes Druckgasprodukt" (GOX IC - innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff) gewonnen.
Ein zweiter Teil 73 des flüssigen Sauerstoffs 69 vom Sumpf der Niederdrucksäule 21 wird gegebenenfalls im Unterkühlungs-Gegenströmer 34 abgekühlt und über Leitung 74 als Flüssigsauerstoffprodukt (LOX) gewonnen. In dem Beispiel wird auch ein dritter Teil 75 des flüssigen Stickstoffs 50 aus der Hochdrucksäule 21 beziehungsweise dem Hauptkondensator 23 einer
Innenverdichtung unterzogen, indem er in einer Stickstoffpumpe 76 auf einen zweiten Produktdruck von beispielsweise 37 bar gebracht, unter dem zweiten Produktdruck in dem Hauptwärmetauscher 13 pseudo-verdampft und schließlich über Leitung 77 als innenverdichtetes gasförmiges Stickstoff-Druckprodukt (GAN IC) gewonnen.
Ein zweiter Teil 78 des gasförmigen Kopfstickstoffs 48 der Hochdrucksäule 21 wird im Hauptwärmetauscher angewärmt und über Leitung 79 entweder als gasförmiges Mitteldruckprodukt gewonnen oder - wie dargestellt - als Dichtgas (Sealgas) für eine oder mehrere der dargestellten Prozesspumpen eingesetzt.
Wenn man als "ersten Betriebsmodus" den Betrieb mit der maximalen
Sauerstoffproduktion (100 % gemäß der Auslegung) bezeichnet, bleiben in dieser Betriebsweise die fett dargestellten Leitungen 65/66 außer Betrieb.
Eine niedrigere Sauerstoffproduktion (beispielsweise 75 %) kann dann als "zweiter Betriebsmodus" angesehen werden. Hier wird ein Teil des gasförmigen Anteils 17 des arbeitsleistend entspannten ersten Teilstroms 16 als "zweiter Prozessstrom" über die Leitungen 65, 66 durch den Hauptwärmetauscher zu einer Zwischenstufe des
Hauptluftverdichters 2 zurückgeführt. In dem Beispiel wird der Rückführstrom zwischen der zweiten und der dritten Stufe beziehungsweise zwischen der dritten und vierten Stufe des Hauptluftverdichters der Einsatzluft zugemischt. (Diese Einsatzluft stellt hier den "ersten Prozessstrom" dar.) Dadurch kann die Luftmenge durch die Turbine 15 relativ hoch gehalten werden und eine unveränderte - oder zumindest eine weniger stark reduzierte - Menge an Stickstoff- und Flüssigprodukten gewonnen werden.
Genauso gut könnte eine 95 %-Betriebsweise als "erster Betriebsmodus" angesehen werden. Ein "zweiter Betriebsmodus" wird dann beispielsweise mit einer
Sauerstoffproduktion von 90 % des Auslegungswerts erreicht.
Die folgende Tabelle führt beispielhafte Zahlenwerte zweier verschiedener
Betriebsmodi der Anlage von Figur 1 an: GOX-IC-Menge 72 Luftmenge durch Filter 1 Rückführmenge 65/66*
100 % 100 % 0 %
76 % 83 % 4,2 %
Die Rückführmenge bezieht sich in der Tabelle auf die aktuelle Luftmenge durch Filter 1. Alle Prozentangaben beziehen sich hier und im übrigen Text auf molare Mengen, wenn nichts Anderes angegeben ist.
In Figur 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Sie unterscheidet sich von Figur 1 durch die im Folgenden beschriebenen Merkmale; im Übrigen trifft die Beschreibung von Figur 1 auch auf Figur 2 zu. Die Rückführleitung 65, 66 für Luft fehlt hier. Stattdessen wird im zweiten
Betriebsmodus zusätzlich zu der Dichtgasmenge 79 ein zusätzlicher Teil 180 des gasförmigen Kopfstickstoffs 48 vom Kopf der Hochdrucksäule als "zweiter
Prozessstrom" 180 über die Leitungen 178, 179 geführt und schließlich zwischen den beiden Sektionen 57, 59 des Stickstoff produktverdichters mit den Stickstoff 56 aus der Niederdrucksäule vermischt, der in der Variante den "ersten Prozessstrom" bildet.
Die entsprechende Stickstoffmenge 180 aus der Hochdrucksäule wird nicht im
Hauptkondensator 23 kondensiert und nicht in die Niederdrucksäule eingeleitet.
Dadurch nimmt sie nicht an der Rektifikation in der Niederdrucksäule teil (weder indirekt über die Verdampfung des Sumpfsauerstoffs, noch direkt durch Verwendung als Rücklaufflüssigkeit) und ermöglicht dabei die Verringerung der
Sauerstoffproduktion. Gleichzeitig steht gleich viel Luft (oder nur unwesentlich weniger) zur Kälteproduktion und Stickstofferzeugung zur Verfügung. Im ersten Betriebsmodus wird eine geringere Menge an zweitem Prozessstrom 180 zur Zwischenstelle des Stickstoffproduktverdichters gefahren oder Leitung 180 ist ganz geschlossen.
Die Flexibilität des Verfahrens kann durch die im Folgenden beschrieben fakultative Maßnahme weiter erhöht werden (die grundsätzlich auch bei dem Verfahren nach Figur 1 eingesetzt werden kann). Hierbei wird in dem zweiten Betriebsmodus gasförmiger Sauerstoff 181 aus der Niederdrucksäule abgezogen und mit dem gasförmigen Unreinstickstoff 61 aus der Niederdrucksäule vermischt. Die Vermischung findet in dem Beispiel stromabwärts des Unterkühlungs-Gegenströmers 34 statt. Im ersten Betriebsmodus ist die Leitung 181 geschlossen oder es wird weniger Gas über Leitung 181 geführt.
Die folgende Tabelle führt beispielhafte Zahlenwerte zweier verschiedener
Betriebsmodi der Anlage von Figur 2 an:
Figure imgf000016_0001
Die Stickstoffmenge durch Leitung 180 bezieht sich auf die Luftmenge durch Filter 1 im Designfall.
Figur 3 unterscheidet sich von Figur 1 durch einen dritten Drosselstrom. Hierzu wird die zweite Turbine 38 mit einem relativ großen Austrittsdruck und einer relativ hohen Austrittstemperatur betrieben. Der arbeitsleistend entspannte Turbinenstrom 339 weist dann einen Druck auf, der mindestens 1 bar, insbesondere 4 bis 1 1 bar über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt, und eine Temperatur, die mindestens 10 K, insbesondere 20 bis 60 K oberhalb der Eintrittstemperatur der Niederdruck- Stickstoffströme 55, 61 am kalten Ende des Hauptwärmetauschers liegt. Dieser Strom wird dann im kalten Teil des Hauptwärmetauschers weiter abgekühlt. Der weiter abgekühlte dritte Teilstrom 340 wird als dritter Drosselstrom in einem Drosselventil 341 auf etwa Hochdrucksäulendruck entspannt und über Leitung 32 in die Hochdrucksäule eingeführt. Hierdurch lässt sich der Wärmeaustauschvorgang im Hauptwärmetauscher weiter optimieren.
In Figur 4 wird in Abweichung von Figur 3 der dritte Teilstrom 436 nicht unter dem ersten Druck, sondern unter dem höheren zweiten Druck in die zweite Turbine 38 eingeleitet. Die zusätzlichen Maßnahmen der Figuren 3 und 4 können nicht nur bei der Variante der Erfindung gemäß Figur 1 eingesetzt werden, sondern auch bei der Erfindung.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur variablen Gewinnung eines Druckgasprodukts (72; 73) mittels Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System, das eine Hochdrucksäule (21) und eine Niederdrucksäule (22) aufweist, bei dem
- die gesamte Einsatzluft in einem Hauptluftverdichter (2) auf einen ersten Druck verdichtet wird, der mindestens 4 bar höher als der Betriebsdruck der
Hochdrucksäule (21) ist,
- ein erster Teilstrom (8, 1 1 , 14) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten
Einsatzluft (7) in einem Hauptwärmetauscher (13) auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und in einer ersten Luftturbine (15) arbeitsleistend entspannt wird,
- mindestens ein erster Teil des arbeitsleistend entspannten ersten Teilstroms (16) in das Destillationssäulen-System eingeleitet (40; 18, 19, 20) wird,
- ein zweiter Teilstrom (12, 27, 29, 30) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten
Einsatzluft in einem ersten Nachverdichter (9), der insbesondere von der ersten Turbine (15) angetrieben wird, auf einen zweiten Druck nachverdichtet wird, der höher als der erste Druck ist, in dem Hauptwärmetauscher (13) abgekühlt und anschließend entspannt (31 ) und in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird,
- ein erster Produktstrom (69; 75) flüssig aus dem Destillationssäulen-System entnommen und einer Druckerhöhung (71 ; 76) auf einen ersten Produktdruck unterworfen wird,
- der erste Produktstrom unter dem ersten Produktdruck im Hauptwärmetauscher
(13) verdampft oder pseudo-verdampft und angewärmt wird,
- der angewärmte erste Produktstrom (72; 77) als erstes Druckgasprodukt (GOX
IC; GAN IC) gewonnen wird,
- ein erster Prozessstrom, der mindestens 78 mol-% Stickstoff enthält, in einem mehrstufigen Verdichter (57/59) von einem Eintrittsdruck auf einen Enddruck verdichtet wird, wobei
- der mehrstufige Verdichter durch einen Stickstoffproduktverdichter (57/59) und
- der erste Prozessstrom durch einen ersten gasförmigen Stickstoffstrom (55,
56) aus der Niederdrucksäule
gebildet werden.
- mindestens zeitweise ein zweiter Prozessstrom (180), der mindestens 78 mol-%
Stickstoff enthält, stromabwärts der ersten Stufe des mehrstufigen Verdichters (2; 57/59) mit dem ersten Prozessstrom vermischt wird, wobei der zweite Prozessstrom (180) durch ersten gasförmigen Stickstoffstrom (178, 179) aus der Hochdrucksäule (21) gebildet wird,
- in einem ersten Betriebsmodus eine erste Menge an erstem Druckgasprodukt gewonnen wird,
- in einem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge an erstem Druckgasprodukt gewonnen wird, die geringer ist als die erste Menge,
- in dem ersten Betriebsmodus einer erste Menge des zweiten Prozessstroms (65;
180), die auch Null sein kann, in dem mehrstufigen Verdichter (2; 57/59) verdichtet wird und
- in dem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge des zweiten Prozessstroms
(65; 180) in dem mehrstufigen Verdichter (2; 57/59) verdichtet wird, die größer ist als die erste Menge des zweiten Prozessstroms.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite
Prozessstrom beziehungsweise der vierte Prozessstrom bei einer Zwischenstufe des Stickstoffproduktverdichters mit dem ersten Prozessstrom beziehungsweise mit dem zweiten Prozessstrom vermischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus ein Sauerstoffgasstrom (181) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (22) entnommen, mit einem stickstoffangereicherten Strom (61) aus dem oberen Bereich der Niederdrucksäule (22) vermischt und das Gemisch im Hauptwärmetauscher (13) angewärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein dritter Teilstrom (36, 37) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten
Einsatzluft (7) in dem Hauptwärmetauscher (13) auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und in einer zweiten Luftturbine (38) arbeitsleistend entspannt wird und
- mindestens ein erster Teil des arbeitsleistend entspannten dritten Teilstroms (39) in das Destillationssäulen-System eingeleitet (40) wird,
- wobei der Turbineneintrittsdruck der zweiten Luftturbine insbesondere gleich dem ersten Druck ist. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
- der zweite Teilstrom (12, 27, 29, 30) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten
Einsatzluft (7) stromabwärts des ersten Nachverdichters (9) in dem
Hauptwärmetauscher (13) auf eine Zwischentemperatur abgekühlt, in einem zweiten Nachverdichter (28), der als Kaltverdichter betrieben und von der zweiten Turbine (38) angetrieben wird, auf einen dritten Druck nachverdichtet wird, der höher als der erste Druck ist, in dem Hauptwärmetauscher (13) abgekühlt und anschließend entspannt (31) und in das Destillationssäulen- System eingeleitet (32) wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Teilstrom (41 , 42) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Luft (7) unter dem ersten Druck in dem Hauptwärmetauscher (13) abgekühlt und anschließend entspannt (43) und in das Destillationssäulen-System eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 oder nach Anspruch 67 rückbezogen auf einen der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- der dritte Teilstrom (37, 339) in der zweiten Luftturbine (38) auf einen Druck entspannt wird, der mindestens 1 bar höher als der Betriebsdruck der
Hochdrucksäule (21) ist, und
- der arbeitsleistend entspannte dritte Teilstrom (339) in dem Hauptwärmetauscher
(13) weiter abgekühlt und anschließend entspannt (341) und in das
Destillationssäulen-System eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- in dem ersten Betriebsmodus eine erste Menge an Einsatzluft in dem
Hauptluftverdichter (2) verdichtet wird und
- in dem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge an Einsatzluft in dem
Hauptluftverdichter (2) verdichtet wird, wobei
- das Verhältnis von zweiter Menge an Einsatzluft zu erster Menge an Einsatzluft größer, insbesondere um mehr als 3 % größer ist als das Verhältnis zwischen zweiter Menge an erstem Druckgasprodukt und erster Menge an erstem
Druckgasprodukt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom (8, 11) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft (7) stromaufwärts seiner Einleitung in den Hauptwärmetauscher (13) in dem ersten Nachverdichter (9) nachverdichtet wird, der im Warmen betrieben und von der ersten Turbine (15) angetrieben wird.
Vorrichtung zur variablen Gewinnung eines Druckgasprodukts (72; 73) mittels Tieftemperaturzerlegung von Luft mit
- einem Destillationssäulen-System, das eine Hochdrucksäule (21) und eine
Niederdrucksäule (22) aufweist,
- einem Hauptluftverdichter (2) zum Verdichten der gesamten Einsatzluft auf einen ersten Druck, der mindestens 4 bar höher als der Betriebsdruck der
Hochdrucksäule (21) ist,
- Mitteln zum Abkühlen eines ersten Teilstroms (8, 11 , 14) der im
Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft (7) in einem
Hauptwärmetauscher (13) auf eine Zwischentemperatur,
- einer ersten Luftturbine (15) zum arbeitsleistenden Entspannen des abgekühlten ersten Teilstroms,
- Mitteln zum Einleiten (40; 18, 19, 20) des arbeitsleistend entspannten ersten
Teilstroms (16) in das Destillationssäulen-System,
- einem ersten Nachverdichter (9) zum Nachverdichten eines zweiten Teilstroms
(12, 27, 29, 30) der im Hauptluftverdichter (2) verdichteten Einsatzluft auf einen zweiten Druck, , der höher als der erste Druck ist, wobei der Nachverdichter (9) insbesondere von der ersten Turbine (15) angetrieben wird, nachverdichtet wird,
- Mitteln zum Abkühlen des nachverdichteten zweiten Teilstroms in dem
Hauptwärmetauscher (13) abgekühlt,
- Mitteln zum Entspannen (31) und Einleiten in das Destillationssäulen-System des abgekühlten zweiten Teilstroms,
- Mitteln zum flüssigen Entnehmen eines ersten Produktstroms (69; 75) aus dem
Destillationssäulen-System entnommen und zur Druckerhöhung (71 ; 76) des flüssigen ersten Produktstroms auf einen ersten Produktdruck,
- Mitteln zum Verdampfen oder Pseudo-Verdampfen und Anwärmen des ersten
Produktstroms unter dem ersten Produktdruck im Hauptwärmetauscher (13), - Mitteln zum Gewinnen des angewärmten ersten Produktstroms (72; 77) als erstes Druckgasprodukt (GOX IC; GAN IC),
- einem mehrstufigen Verdichter (57/59) zum Verdichten eines ersten
Prozessstroms, der mindestens 78 mol-% Stickstoff enthält, von einem
Eintrittsdruck auf einen Enddruck, wobei
- der mehrstufige Verdichter durch einen Stickstoffproduktverdichter (57/59) und
- der erste Prozessstrom durch einen ersten gasförmigen Stickstoff ström (55,
56) aus der Niederdrucksäule
gebildet werden.
- Mitteln zum Vermischen eines zweiten Prozessstroms (180), der mindestens
78 mol-% Stickstoff enthält, mit dem ersten Prozessstrom stromabwärts der ersten Stufe des mehrstufigen Verdichters (57/59), wobei der zweite
Prozessstrom (180) durch ersten gasförmigen Stickstoffstrom (178, 179) aus der Hochdrucksäule (21) gebildet wird,
- Mitteln zum Umschalten zwischen einem ersten und einem zweiten
Betriebsmodus, wobei
- in dem ersten Betriebsmodus eine erste Menge an erstem Druckgasprodukt gewonnen wird,
- in einem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge an erstem
Druckgasprodukt gewonnen wird, die geringer ist als die erste Menge, und
- die Mittel zum Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten
Betriebsmodus so ausgebildet sind, dass
- in dem ersten Betriebsmodus einer erste Menge des zweiten
Prozessstroms (180), die auch Null sein kann, in dem mehrstufigen Verdichter (57/59) von einem Eintrittsdruck auf einen Enddruck verdichtet wird und
- in dem zweiten Betriebsmodus eine zweite Menge des zweiten
Prozessstroms (180) in dem mehrstufigen Verdichter (57/59) verdichtet wird, die größer ist als die erste Menge des zweiten Prozessstroms.
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