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WO2023030689A1 - Verfahren zur gewinnung eines oder mehrerer luftprodukte und luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verfahren zur gewinnung eines oder mehrerer luftprodukte und luftzerlegungsanlage Download PDF

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Publication number
WO2023030689A1
WO2023030689A1 PCT/EP2022/025401 EP2022025401W WO2023030689A1 WO 2023030689 A1 WO2023030689 A1 WO 2023030689A1 EP 2022025401 W EP2022025401 W EP 2022025401W WO 2023030689 A1 WO2023030689 A1 WO 2023030689A1
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WO
WIPO (PCT)
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air
pressure
heat exchanger
air flow
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2022/025401
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel OTTE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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    • F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
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    • F25J2245/50—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen

Definitions

  • the present invention relates to a method for obtaining one or more air products and an air separation plant according to the respective preambles of the independent patent claims.
  • Air separation plants of the classic type have column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • rectification columns for obtaining nitrogen and/or oxygen in the liquid and/or gaseous state ie rectification columns for nitrogen-oxygen separation, rectification columns for obtaining further air components, in particular inert gases, can be provided.
  • the rectification columns of the column systems mentioned are operated at different pressure levels.
  • Known double column systems have a so-called pressure column (also referred to as a high-pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (upper column).
  • the high-pressure column is typically operated at a pressure level of 4 to 7 bar, in particular about 5.6 bar, while the low-pressure column is operated at a pressure level of typically 1 to 2 bar, in particular about 1.4 bar. In certain cases, higher pressure levels can also be used in both rectification columns.
  • the pressures specified here and below are absolute pressures at the top of the columns specified in each case.
  • the object of the present invention is to improve methods for the low-temperature decomposition of air and for the provision of air products and, in particular, to design them in an energetically more favorable manner.
  • So-called main (air) compressor/boost compressor main air compressor/booster air compressor, MAC-BAC) method or so-called high air pressure (HAP) method can be used for air separation.
  • the main air compressor/boosting processes are the more conventional processes, high air pressure processes are increasingly being used as alternatives in recent times.
  • Main air compressor/recompressor processes are characterized in that only part of the total amount of feed air fed to the column system is compressed to a pressure level that is significantly, i.e. by at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar, above of the pressure level of the pressure column, and thus the highest pressure level used in the column system. A further portion of the feed air quantity is only compressed to the pressure level of the pressure column or a pressure level which differs therefrom by no more than 1 to 2 bar, and fed into the pressure column at this level without expansion.
  • An example of such a main air compressor/post-compressor process is shown by Häring (see above) in Figure 2.3A.
  • the total amount of feed air fed to the column system is compressed to a pressure level which is substantially, ie 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar above the pressure level of the pressure column and thus the highest pressure level used in the column system.
  • the pressure difference can be up to 14, 16, 18 or 20 bar, for example.
  • turbo compressors In air separation plants, multi-stage turbo compressors are used to compress all of the separated air, which are referred to here as “main air compressors” or “main compressors” for short.
  • the mechanical structure of turbo compressors is known in principle to those skilled in the art.
  • a turbo compressor the medium to be compressed is compressed by means of turbine blades or impellers, which are arranged on a turbine wheel or directly on a shaft.
  • a turbo compressor forms a structural unit which, however, can have several compressor stages in the case of a multi-stage turbo compressor.
  • a compressor stage generally includes a turbine wheel or a corresponding arrangement of turbine blades. All of these airends can be driven by a common shaft. However, it can also be provided that the compressor stages are driven in groups with different shafts, in which case the shafts can also be connected to one another via gears.
  • the main air compressor is distinguished by the fact that it compresses the entire amount of air fed into the column system and used and broken down for the production of air products, i.e. the entire feed air.
  • a "post-compressor" can also be provided, in which, however, only part of the air quantity compressed in the main air compressor is brought to an even higher pressure.
  • This can also be designed as a turbo compressor.
  • Additional turbo compressors are typically provided for compressing partial amounts of air, which are also referred to as boosters, but only perform compression to a relatively small extent in comparison to the main air compressor or the secondary compressor.
  • a booster can also be present in a high-air pressure process, however, this then compresses a subset of the air starting from a correspondingly higher pressure level.
  • Air can also be expanded at several points in air separation plants, for which purpose, among other things, expansion machines in the form of turboexpanders, also referred to here as “expansion turbines”, can be used.
  • Turboexpanders can also be coupled to and drive turbocompressors. If one or more turbo compressors are driven without externally supplied energy, i.e. only via one or more turbo expanders, the term “turbine booster” or “booster turbine” is also used for such an arrangement.
  • the turboexpander (the expansion turbine) and the turbocompressor (the booster) are mechanically coupled, with the coupling being able to take place at the same speed (e.g. via a common shaft) or at different speeds (e.g. via an intermediate gearbox).
  • Liquid, gaseous or fluids in the supercritical state can be rich or poor in one or more components in the language used here, with “rich” for a content of at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5% , 99.9% or 99.99% and “poor” can stand for a content of at most 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis .
  • the term “predominantly” may correspond to the definition of "rich” just given, but in particular denotes a content of more than 90%. If, for example, "nitrogen” is mentioned here, it can be a clean gas, but it can also be a gas rich in nitrogen.
  • pressure level and “temperature level” or “pressure range” and “temperature range” are used to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that pressures and temperatures are not used in the form of exact pressure or temperature values must in order to realize an inventive concept.
  • pressures and temperatures typically range within certain ranges, for example ⁇ 1%, 5% or 10% around an average value.
  • Different pressure levels and temperature levels can be in disjunctive areas or in areas that overlap.
  • pressure levels include unavoidable or to be expected pressure losses, for example due to cooling effects.
  • the pressure levels given here in bar are absolute pressures, unless otherwise stated.
  • a "main heat exchanger" of an air separation plant is a heat transfer apparatus in which typically all or the majority of the air to be separated in the air separation plant is cooled, in particular in countercurrent to at least a major part or all of the gaseous air provided by the air separation plant air products.
  • the main heat exchanger can have one or more identically or differently constructed heat exchanger blocks of a known type, which in particular can be operated in parallel.
  • the heat exchangers or heat exchanger blocks used in the invention are in particular designed as brazed fin-plate heat exchangers made of aluminum (Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchangers, PFHE; designations according to the German and English editions of ISO 15547-2:3005), as they be used in a large number of process engineering systems at different pressures and temperatures.
  • Brazed aluminum plate-fin heat exchangers are shown in Figure 2 of ISO 15547-2:3005 and on page 5 of ALPEMA publication "The Standards of the Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association", 3rd edition 2010 and described.
  • heat exchanger block stands here in particular for a unit produced by (vacuum) brazing, which consists of structural plates, distributor lamellae, so-called Sidebars, dividers and cover plates is formed and are applied to the so-called header.
  • a corresponding rib-plate heat exchanger can be formed from a plurality of corresponding cuboid heat exchanger blocks connected to one another, in particular for manufacturing reasons.
  • HAP processes are typically more cost-efficient than conventional MAC-BAC processes in terms of production costs and some operating costs due to the small number of rotating machines and the higher pressures that occur, there are usually disadvantages in terms of energy consumption.
  • the present invention is based on the finding that a modification of a corresponding "excess air" process offers particular advantages.
  • part of the overall compressed and cooled air is turbine-expanded (in a so-called excess air turbine, but not (as in a Joule-Thomson turbine) into the pressure column or (as in a Lachmann turbine) fed into the low-pressure column and broken down there, but heated again to a temperature level on the warm side of the same in the main heat exchanger without being broken down and discharged from the system.
  • the expansion can take place in particular to atmospheric pressure.
  • air can be compressed in the main air compressor to a high pressure, for example 23 bar (high air pressure method).
  • the air can then be further compressed in two boosters connected in series.
  • the boosters are driven by turbines.
  • a turbine expands the pressure achieved by means of the booster above the already high outlet pressure of the main air compressor to the pressure column pressure (e.g. 5.6 bar). This air is then divided into the necessary pressure column air (which is required for rectification) and an excess portion.
  • the excess portion (the "excess air”, also referred to as excess air in the following) is heated in the main heat exchanger and fed to a second turbine, which drives the second booster or (depending on the liquid performance in relation to the internal compression quantity) a generator and relaxes it to a pressure that is slightly is above ambient pressure. This portion is then heated in the main heat exchanger and e.g. blown off into the environment.
  • the present invention can be used in particular in cases in which more than 35%, in particular more than 40% or more than 50% of liquid air products, based on the amount of internally compressed air products, are removed from the air separation plant at least at times.
  • the heat exchanger volume is greatly increased as the amount of excess air increases.
  • the reason is that the air expanded in the excess air turbine (at a pressure in a slightly superatmospheric pressure range of, for example, approx. 1.2 bar) enters the main heat exchanger at an inlet temperature of approx. 180 K and is heated to ambient temperature.
  • the cold part of the passages of the main heat exchanger required for this air (below the specified inlet temperature) cannot be used and is therefore empty volume. This makes up, for example, about 3/4 of the corresponding passages and thus about 10% of the total heat exchanger volume. In larger systems, this leads to a very large heat exchangers and thus high costs.
  • the present invention overcomes this disadvantage.
  • the present invention can be used in particular with large main heat exchanger volumes where, due to the size, several (at least two) heat exchanger blocks have to be used, for example with volumes of 30 to 100 m 3 or more, in particular 80 to 90 m 3 .
  • the empty volumes mentioned are disadvantageous, since this occurs in all heat exchanger blocks.
  • the invention creates a solution here that reduces the investment costs (CAPEX) without causing disadvantages in the operating costs (OPEX).
  • the present invention solves this problem in that the heating of the excess air is detached from the main heat exchanger and is carried out in a separate counterflow heat exchanger. At least one warm stream must be conducted in countercurrent, as explained further below with regard to specific configurations of the invention.
  • a "separate" counterflow heat exchanger whose heat exchanger block(s) is/are provided separately from the heat exchanger block or the heat exchanger blocks of the main heat exchanger, with the heat exchanger blocks only being connected via lines and, if necessary, fastening structures, but these heat exchangers, each designed in particular as a rib-plate heat exchanger, in particular have no common heat exchanger plates.
  • the present invention proposes a method for obtaining one or more air products, in which an air separation plant is used which has a column system with a pressure column and a low-pressure column and a main heat exchanger, the pressure column being in a first pressure range of in particular 4 to 7 bar, for example 5 to 6 bar, in particular at approx. 5.6 bar, and the low-pressure column is operated in a second pressure range of in particular 1 to 2 bar, in particular for example at 1.2 bar to 1.5 bar, in particular at approx. 1.4 bar, is operated.
  • Air is supplied to the column system which is broken down in the column system, and the amount of which is referred to here as the break-up air amount.
  • an initial quantity of air which in particular completely encompasses the quantity of separation air, is compressed to a pressure in a third pressure range which is at least 5, 10, 15 or 20 bar above the first pressure range, for example a third pressure range of 20 to 50 bar, in particular about 25 to 40 bar.
  • the third pressure range can also include pressures which are 1.1 to 1.9 times, in particular 1.3 to 1.6 times, the pressures in the first pressure range.
  • a proportion of at least 90% of the total amount of separation air separated in the column system, in particular more than 95% thereof or the entire amount of separation air, is formed by a first partial amount of the initial air amount, which is compressed to the pressure in the third pressure range.
  • a HAP method is therefore used within the scope of the invention.
  • air from the initial air quantity is subjected to stepwise sequential compression from the pressure in the third pressure range (via a pressure in an intermediate pressure range) to a pressure in a fourth pressure range, which is above the third pressure range, to obtain a high-pressure air stream, with below Using air from this high-pressure air flow, a compressed air flow, hereinafter referred to as "follow-up air flow", is formed, which is discharged from the main heat exchanger at a pressure in the fourth pressure range and at an intermediate temperature in a temperature range of 130 to 190 K.
  • the intermediate temperature can be 135 to 145 K, in particular approx 145 K, in particular approx. 144 K.
  • the invention is not limited to these specific configurations and is also not defined accordingly in the respective explained embodiments, ie the temperatures can also be in the other respective ranges or in between.
  • the product constellation internal compression pressure
  • different variants can be advantageous.
  • the entire high-pressure air flow does not have to be used to form the subsequent air flow, whereas in other embodiments this is the case.
  • Additional air from the initial air quantity can also be passed through the main heat exchanger, for example as a throttle flow without further compression, i.e. at the pressure in the third pressure level, and without further pressure-influencing measures such as compression and expansion, then in particular liquefied, and then into the column system, in particular the pressure column , be relaxed.
  • the aforementioned subsequent compression to form the high-pressure air flow is carried out in the context of the present invention using a first booster and using a second booster, i.e. serially via an intermediate pressure and in particular using after-cooling, in particular with water, downstream of each of the boosters, where the first and second booster and the first and second turbine are each mechanically coupled to one another in any way, in particular in pairs.
  • the first booster can be driven using the first or second turbine and the second booster can be driven using the other turbine.
  • air of the subsequent air flow is subjected to expansion in the first turbine, to which the subsequent air flow is supplied at the temperature in the mentioned temperature range at which it is taken from the main heat exchanger, and thereafter, i.e. after expansion in the first Turbine used to form a separation air stream, wherein air of the separation air stream is separated in the column system.
  • a first operating mode which can also be the only operating mode
  • further air of the subsequent air flow is subjected to expansion in the first turbine and then used to form an excess air flow, the air of which is expanded and heated without prior separation in the column system.
  • the In the first operating mode correspondingly treated air from the excess air stream is successively subjected to heating in the main heat exchanger, expansion in the second turbine (in particular to ambient pressure or a slightly above-atmospheric pressure in the second pressure range) and further heating (in particular to approximately ambient temperature). .
  • the further heating of the air of the excess air stream in the first operating mode is carried out using a further heat exchanger which has a heat exchanger block which is provided separately from a heat exchanger block of the main heat exchanger, and that in the further heat exchanger air of the initial air quantity in the first mode of operation is subjected to cooling.
  • a further heat exchanger which has a heat exchanger block which is provided separately from a heat exchanger block of the main heat exchanger, and that in the further heat exchanger air of the initial air quantity in the first mode of operation is subjected to cooling.
  • the first operating mode can be the only operating mode or a second operating mode can be provided in addition to the first operating mode, in which the excess air flow is not formed and in particular the further heat exchanger cannot be in operation. This can be provided in particular in cases in which a (comparatively) low level of liquid production is to take place.
  • a partial flow of the excess air to be heated can be mixed with an impure nitrogen flow from the low-pressure column after expansion in the second turbine and heated in the main heat exchanger.
  • the air subjected to cooling in the further heat exchanger is then subjected in the main heat exchanger to a combination with a further proportion of the air of the high-pressure air flow, which is fed to the main heat exchanger on the warm side, in order to form the subsequent air flow.
  • the subsequent air flow is thus formed here using two portions of the high-pressure air flow, one of which is cooled in the main heat exchanger without further pressure-influencing measures, but the other is cooled in the separate heat exchanger. Both parts are combined at a suitable intermediate temperature level in the main heat exchanger, cooled further in this and removed from it in the form of the subsequent air flow.
  • the proposed measure has the advantage that the passages relocated to the additional heat exchanger do not have to be provided in the main heat exchanger, where they would lead to unused space on the cold side of the extraction of the subsequent air flow. With certain product constellations, however, the two portions can also be routed separately through the main heat exchanger without being combined at the intermediate temperature level. This is therefore not absolutely necessary
  • At least 90% of an amount of air resulting from the combination in particular 95% of this amount of air or the entire amount of air, is used to form the subsequent air flow.
  • the air subjected to the cooling in the further heat exchanger is a portion of the air of the output air quantity at a pressure in the third pressure range which is not used to form the high-pressure air flow.
  • the main heat exchanger to form a Joule-Thomson flow in a manner known per se, is subjected to a combination with further air, not used to form the high-pressure air flow, of the initial air quantity.
  • the Joule-Thomson flow formed in this way can be further cooled, particularly in the main heat exchanger.
  • this Joule-Thomson current can also be provided in addition to any other current, for example an above-mentioned Joule-Thomson current.
  • At least 90% of an amount of air resulting from the combination can be used to form the Joule-Thomson current.
  • a first proportion of the air of the high-pressure air stream can also be used to form the follow-on stream and a second proportion of the air of the high-pressure air stream can be further cooled in the main heat exchanger and combined with the Joule-Thomson stream on the cold side thereof.
  • the air subjected to cooling in the further heat exchanger can be cooled to a temperature in a suitable temperature range, this temperature range depending in particular on the temperature range in which the second turbine is operated.
  • This temperature range can in particular be 2 to 15 K or 20 K above the outlet temperature of the second turbine.
  • the temperature range can be in particular 190 to 195 K, and in the second group of configurations in particular 195 to 200 K, in particular about 196 K.
  • the excess air flow can be supplied to the further heat exchanger, in particular at a temperature in a temperature range from 165 to 210 K, in particular at approx. 184 K, which temperature is achieved by the expansion in the second turbine, and this excess air flow can be formed in particular as a single-phase (gaseous) flow as a result of the expansion in the second turbine.
  • the air of the excess air stream before being expanded in the second turbine can start from a temperature in a temperature range of 90 to 115 K and to a temperature in a temperature range from 240 K to ambient temperature, a temperature in a temperature range from 270 to 290 K being particularly advantageous. This corresponds to the outlet temperature of the cold turbine.
  • one or more air products are provided by means of internal compression, wherein more than 35% of liquid air products, based on the (entire) quantity of internally compressed air products, are provided at least at times.
  • this also includes the exclusive provision of liquid air products without the provision of internally compressed air products.
  • the present invention also extends to an air separation plant.
  • an air separation plant For features and advantages of such an air separation plant, reference is made to the corresponding independent patent claim.
  • such an air separation plant is set up to carry out a method in one or more of the configurations explained above and has appropriately designed means for this purpose.
  • FIG. 1 shows an air separation plant configured according to one embodiment of the invention in a simplified representation.
  • FIG. 3 shows an air separation plant designed according to an embodiment of the invention in a simplified partial representation.
  • the same or comparable elements are given identical reference numbers and are not explained again for the sake of clarity.
  • Components illustrated identically in several figures are in part not provided with reference symbols again.
  • Plant components can each also stand for corresponding process steps, so that the following explanations on the air separation plants also relate to corresponding processes.
  • FIG. 1 an air separation plant according to one embodiment of the invention is illustrated in the form of a simplified process flow diagram and is labeled 100 overall.
  • air is sucked in from the atmosphere by means of a main air compressor 1 via a filter that is not designated separately and is compressed to the pressure in the third pressure range that has been mentioned several times before. This is the output air volume, which has been mentioned several times.
  • a compressed air stream A provided in this way is fed to an adsorber station 2 after cooling in heat exchangers (not designated separately) and separation of water, where it is freed from undesirable components such as water and carbon dioxide.
  • the compressed air flow A i.e. the output air volume, is divided into two partial flows B and C.
  • Partial flow B is conducted as a Joule-Thomson flow from the warm to the cold end through a main heat exchanger 3, where it is at least partially liquefied and then fed into a pressure column 11 of a column system 10, which is operated in the first pressure range mentioned several times. Liquid is withdrawn immediately below the feed point of partial stream B into the pressure column 11, which is conducted through a supercooling countercurrent flow device 14 and fed into a low-pressure column 12 of the column system 10 operated in the second pressure range mentioned several times.
  • the column system 10 which also has an argon recovery part designated as a whole by 13, is operated in a manner customary in the art.
  • the partial flow C i.e. also air of the initial air quantity
  • the partial flow C is subjected to a gradual sequential compression from the pressure in the third pressure range to a pressure in a fourth pressure range, which is above the third pressure range, to obtain a high-pressure air flow D, using air from the high-pressure air flow D, as explained further below, a follow-up air flow E is formed, which is discharged from the main heat exchanger at a pressure in the fourth pressure range and at an intermediate temperature in the mentioned range.
  • the subsequent compression of the partial flow C to form the high-pressure air flow D takes place in the specific example in succession using a first booster 4, which is driven using a first turbine 5, and using a second booster 6, which is driven using a second turbine 7 .
  • Air of the follow-up air flow E is subjected to expansion in the first turbine 5 and then, according to the configuration according to FIG.
  • an excess air flow Y is drawn off immediately above the feed of the material flow X into the pressure column 11, which is fed to the main heat exchanger 3 on the cold side and removed at an intermediate temperature level, then expanded in the second turbine 7, from the cold side to the warm side by a further one Heat exchanger 8 out and discharged, for example, to the atmosphere or otherwise used.
  • the air separation plant differs from an air separation plant not designed according to the invention in particular in that a further heat exchanger 8 is provided.
  • air from the subsequent air flow E is subjected to expansion in the first turbine 5 and then fed into the pressure column 11 in the form of a material flow X.
  • An excess air flow is formed with the substance flow Y, whereas the remainder is separated as a separation air flow in the column system 10 .
  • the (further) heating of the air of the stream Y is thus carried out using the further heat exchanger 8, which has a heat exchanger block that is provided separately from a heat exchanger block of the main heat exchanger 3, wherein in the further heat exchanger 8 air of the initial air quantity, here a partial flow D1 of the high-pressure air stream D, is subjected to cooling.
  • the configuration according to FIG. 1 thus belongs to the first group of configurations mentioned several times, in which the air subjected to cooling in the additional heat exchanger 8 is a proportion of the air of the high-pressure air flow, designated here as D1.
  • the air of the material flow D1 subjected to cooling in the further heat exchanger 8 is then subjected to a combination in the main heat exchanger 3 to form the follow-on air flow E with a further portion of the air of the high-pressure air flow, denoted here by D2, and which is fed to the main heat exchanger 3 on the warm side becomes.
  • a collecting flow formed in this way is carried out as the follow-up air flow E from the main heat exchanger 3 .
  • the union is not mandatory.
  • FIG. 2 shows an air separation plant designed according to an embodiment of the invention in a simplified partial representation, which corresponds in parts to FIG. The integration results from the identical designation of the respective plant parts and material flows.
  • the air in the follow-on air flow E is used here after expansion in the first turbine 5 and before it is still upstream of the pressure column 11 to form a separation air flow F and an excess air flow G, with the excess air flow G being essentially the same as in Figure 1 explained can be treated.
  • the configuration according to FIG. 2 also belongs to the first group of configurations, in which the air subjected to cooling in the further heat exchanger 8 is a portion of the air of the high-pressure air stream, designated D1 here.
  • the air of the material flow D1 subjected to cooling in the further heat exchanger 8 is then combined in the main heat exchanger 3 to form the subsequent air flow E with a further proportion of the air of the high-pressure air flow, which is designated here as D2, and which is fed to the main heat exchanger 3 on the hot side becomes.
  • a collecting flow formed in this way is carried out as the follow-up air flow E from the main heat exchanger 3 .
  • FIG. 3 shows an air separation plant designed according to an embodiment of the invention in a simplified partial representation, which corresponds in parts to the previously explained embodiments, with a corresponding plant being denoted by 100 .
  • the air of the subsequent air flow E according to Figure 3 is used after expansion in the first turbine 5 and before it is still upstream of the pressure column 11 to form a separation air flow F and an excess air flow G, with the excess air flow G essentially can be treated as explained with reference to FIGS.
  • a Joule-Thomson current is formed using another part of the material flow D.
  • the air of the material flow G1 which has been subjected to cooling in the further heat exchanger 8, is then combined in the main heat exchanger 3 to form a Joule-Thomson flow H1 with a further proportion of the air in the initial air quantity at a pressure in the third pressure range, which does not lead to the Formation of the high-pressure air stream is used, and which is illustrated here in the form of a stream G2.
  • a material flow H1 formed in this way is removed from the main heat exchanger 3 at the cold end.

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Abstract

Die Erfindung die Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte mittels eines Hochluftdruck-Luftzerlegungsverfahrens mit Überschussluftturbine. Luft einer Ausgangsluftmenge wird unter Erhalt eines Hochdruckluftstroms einer stufenweisen Folgeverdichtung unterworfen, wobei unter Verwendung von Luft des Hochdruckluftstroms ein Folgeluftstrom gebildet wird. Die Folgeverdichtung wird nacheinander unter Verwendung eines ersten Boosters (4), der unter Verwendung einer ersten Turbine (5) angetrieben wird, und unter Verwendung eines zweiten Boosters (6), der unter Verwendung einer zweiten Turbine (7) angetrieben wird, durchgeführt. Luft des Folgestroms wird einer Entspannung in der ersten Turbine (5) unterworfen und danach zur Bildung eines Zerlegungsluftstroms und eines Überschussluftstroms, verwendet. Eine Erwärmung der Überschussluftstroms nach dessen Entspannung wird unter Verwendung eines weiteren Wärmetauschers (8) durchgeführt wird, der einen Wärmetauscherblock aufweist, der separat zu einem Wärmetauscherblock des Hauptwärmetauschers (3) bereitgestellt ist, wobei in dem weiteren Wärmetauscher (8) Luft der Ausgangsluftmenge einer Abkühlung unterworfen wird und mindestens ein Teil der abgekühlten Luft im Hauptwärmetauscher mit einem weiteren Anteil des Hochdruckluftstroms vereinigt und dort angewärmt wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100, 200) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und Luftzerlegungsanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und eine Luftzerlegungsanlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Hintergrund der Erfindung
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
Luftzerlegungsanlagen klassischer Art weisen Kolonnensysteme auf, die beispielsweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als Doppelkolonnensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen, vorgesehen sein.
Die Rektifikationskolonnen der genannten Kolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Druckkolonne (auch als Hochdruckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (obere Kolonne) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druckniveau von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,6 bar, betrieben, die Niederdruckkolonne dagegen auf einem Druckniveau von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1 ,4 bar. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen. Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und zur Bereitstellung von Luftprodukten zu verbessern und insbesondere energetisch günstiger auszugestalten.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und eine Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Nachfolgend werden zunächst einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung erläutert und zur Beschreibung der Erfindung verwendete Begriffe definiert.
Zur Luftzerlegung können sogenannte Haupt(luft)verdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren oder sogenannte Hochluftdruck-(High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zum Einsatz.
Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Kolonnensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet wird, das wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, oberhalb des Druckniveaus der Druckkolonne, und damit dem höchsten in dem Kolonnensystem verwendeten Druckniveau, liegt. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf das Druckniveau der Druckkolonne oder ein Druckniveau, das sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar hiervon unterscheidet, verdichtet, und auf diesem ohne Entspannung in die Druckkolonne eingespeist. Ein Beispiel für ein derartiges Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt.
Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die gesamte dem Kolonnensystem insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet, das wesentlich, d.h. um 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar oberhalb des Druckniveaus der Druckkolonne und damit dem höchsten in dem Kolonnensystem verwendeten Druckniveau, liegt. Der Druckunterschied kann beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar betragen.
Hochluftdruck-Verfahren sind vielfach beschrieben worden und beispielsweise aus der EP 2 980 514 A1 und der EP 2 963 367 A1 bekannt.
Zu den in Luftzerlegungsanlagen eingesetzten Vorrichtungen bzw. Apparaten sei auf Fachliteratur wie Häring (s.o.), insbesondere Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" verwiesen. Nachfolgend werden zur Verdeutlichung und klareren Abgrenzung einige Aspekte entsprechender Vorrichtungen näher erläutert.
In Luftzerlegungsanlagen kommen zur Verdichtung der gesamten zerlegten Luft mehrstufige Turboverdichter zum Einsatz, die hier als "Hauptluftverdichter" oder kurz als "Hauptverdichter" bezeichnet werden. Der mechanische Aufbau von Turboverdichtern ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. In einem Turboverdichter erfolgt die Verdichtung des zu verdichtenden Mediums mittels Turbinenschaufeln bzw. Impellern, die auf einem Turbinenrad oder direkt auf einer Welle angeordnet sind. Ein Turboverdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch bei einem mehrstufigen Turboverdichter mehrere Verdichterstufen aufweisen kann. Eine Verdichterstufe umfasst dabei in der Regel ein Turbinenrad oder eine entsprechende Anordnung von Turbinenschaufeln. Alle dieser Verdichterstufen können von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Verdichterstufen gruppenweise mit unterschiedlichen Wellen anzutreiben, wobei die Wellen auch über Getriebe miteinander verbunden sein können.
Der Hauptluftverdichter zeichnet sich dadurch aus, dass durch diesen die gesamte in das Kolonnensystem eingespeiste und zur Herstellung von Luftprodukten verwendete und zerlegte Luftmenge, also die gesamte Einsatzluft, verdichtet wird. Entsprechend kann auch ein "Nachverdichter" vorgesehen sein, in dem aber nur ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Luftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird. Auch dieser kann Turboverdichter ausgebildet sein. Zur Verdichtung von Teilluftmengen sind typischerweise weitere Turboverdichter vorgesehen, die auch als Booster bezeichnet werden, im Vergleich zu dem Hauptluftverdichter oder dem Nachverdichter jedoch nur eine Verdichtung in relativ geringem Umfang vornehmen. Auch in einem Hochluftdruck-Verfahren kann ein Nachverdichter vorhanden sein, dieser verdichtet jedoch eine Teilmenge der Luft dann ausgehend von einem entsprechend höheren Druckniveau.
An mehreren Stellen in Luftzerlegungsanlagen kann ferner Luft entspannt werden, wozu unter anderem Entspannungsmaschinen in Form von Turboexpandern, hier auch als "Entspannungsturbinen" bezeichnet, zum Einsatz kommen können. Turboexpander können auch mit Turboverdichtern gekoppelt sein und diese antreiben. Werden ein oder mehrere Turboverdichter ohne extern zugeführte Energie, d.h. nur über einen oder mehrere Turboexpander, angetrieben, wird für eine derartige Anordnung auch der Begriff "Turbinenbooster" oder "Boosterturbine" verwendet. In einem Turbinenbooster sind der Turboexpander (die Entspannungsturbine) und der Turboverdichter (der Booster) mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein zwischengeschaltetes Getriebe) erfolgen kann.
In typischen Luftzerlegungsanlagen sind zur Kälteerzeugung und Verflüssigung von Stoffströmen an unterschiedlichen Stellen entsprechende Entspannungsturbinen vorhanden. Hierbei handelt es sich insbesondere um sogenannte Joule-Thomson- Turbinen, Claude-Turbinen und Lachmann-Turbinen. Zur Funktion und zum Zweck entsprechender Turbinen wird ergänzend auf die Fachliteratur, beispielsweise F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, insbesondere die Abschnitte 2.4, "Contemporary Liquefaction Cycles", 2.6, "Theoretical Analysis of the Claude Cycle" und 3.8.1 , "The Lachmann Principle", verwiesen.
Flüssige, gasförmige oder auch im überkritischen Zustand vorliegende Fluide können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der soeben getroffenen Definition von "reich" entsprechen, bezeichnet jedoch insbesondere einen Gehalt von mehr als 90%. Ist hier beispielsweise von "Stickstoff" die Rede, kann es sich um ein Reingas, aber auch ein an Stickstoff reiches Gas handeln. Nachfolgend werden zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau" bzw. "Druckbereich" und "Temperaturbereich" verwendet, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um ein erfinderisches Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5% oder 10% um einen Mittelwert liegen. Unterschiedliche Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten, ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke, sofern nicht anders erwähnt.
Bei einem "Hauptwärmetauscher" einer Luftzerlegungsanlage handelt es sich um einen Wärmeübertragungsapparat, in dem typischerweise sämtliche oder der überwiegende Teil der in der Luftzerlegungsanlage zu zerlegenden Luft abgekühlt wird, und zwar insbesondere im Gegenstrom zu einem zumindest überwiegenden Teil oder den gesamten mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellten gasförmigen Luftprodukte. Der Hauptwärmetauscher kann einen oder mehrere, identisch oder unterschiedlich aufgebaute Wärmetauscherblöcke bekannter Art aufweisen, die insbesondere parallel betrieben werden können.
Die in der Erfindung verwendeten Wärmetauscher bzw. Wärmetauscherblöcke sind insbesondere als gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium (Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchangers, PFHE; Bezeichnungen gemäß der deutschen und englischen Ausgabe der ISO 15547-2:3005) ausgebildet, wie sie in einer Vielzahl von verfahrenstechnischen Anlagen bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen eingesetzt werden. Gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium sind in Figur 2 der ISO 15547-2:3005 sowie auf Seite 5 der Veröffentlichung "The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association" der ALPEMA, 3. Auflage 2010, gezeigt und beschrieben.
Der Begriff "Wärmetauscherblock" steht hier insbesondere für eine durch (Vakuum-) Hartlöten hergestellte Einheit, die aus Strukturblechen, Verteilerlamellen, sogenannten Sidebars, Trennblechen und Deckblechen gebildet ist und auf die sogenannte Header aufgebracht sind. Ein entsprechender Rippen-Platten-Wärmetauscher kann insbesondere aus Fertigungsgründen aus mehreren entsprechenden quaderförmigen und miteinander verbundenen Wärmetauscherblöcken ausgebildet sein.
Zu weiteren Details bezüglich bekannter Verfahren zur Herstellung von Plattenwärmetauschern sei bei Bedarf beispielsweise auf die Veröffentlichung von W. Diery, "The Manufacture of Plate-Fin Heat Exchangers at Linde", Linde Reports on Science and Technology 37/1984, Seiten 24 bis 31 , verwiesen.
Merkmale und Vorteile der Erfindung
Während HAP-Verfahren aufgrund der geringen Anzahl an drehenden Maschinen und den höheren auftretenden Drücken typischerweise hinsichtlich der Erstellungskosten und einiger Betriebskosten kosteneffizienter sind als konventionelle MAC-BAC- Verfahren, sind zumeist Nachteile im Energiebedarf zu verzeichnen.
Bei Anlagen mit einer sehr hohen Flüssigleistung (d.h. einer vergleichsweise großen Menge an flüssig der Anlage entnommenen Luftprodukten) im Verhältnis zu innenverdichteten Strömen (zur Innenverdichtung sei ebenfalls auf die einleitend zitierte Fachliteratur verwiesen), oder bei (im Wesentlichen) ausschließlicher Flüssigproduktion, werden sogenannte "Excess Air"-Verfahren eingesetzt (siehe auch Figur 1 und die diesbezüglichen Erläuterungen).
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Modifikation eines entsprechenden "Excess Air"-Verfahrens besondere Vorteile bietet. Bei einem derartigen Verfahren wird, allgemein gesprochen, ein Teil der insgesamt verdichteten und abgekühlten Luft turbinenentspannt (in einer sogenannten Überschussluft-Turbine, aber nicht (wie in einer Joule-Thomson-Turbine) in die Druckkolonne oder (wie in einer Lachmann-Turbine) in die Niederdruckkolonne eingespeist und dort zerlegt, sondern ohne Zerlegung im Hauptwärmetauscher wieder auf ein warmseitiges Temperaturniveau desselben erwärmt und aus der Anlage ausgeleitet. Die Entspannung kann insbesondere auf Atmosphärendruck erfolgen. Da die Luft eines entsprechend erwärmten Stoffstroms bereits einer Aufreinigung unterworfen wurde, kann dieser anstelle einer Abgabe an die Atmosphäre grundsätzlich wieder zur zu verdichtenden Einsatzluft, d.h. stromauf des Hauptwärmetauschers, zugespeist werden. Entsprechende Verfahren, auch in Kombination mit den bereits erläuterten HAP-Verfahren, sind aus der US 3,905,201 A, der WO 2014/154339 A2 und der EP 3 343 158 A1 bekannt.
In einem Beispiel, das auch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, kann Luft im Hauptluftverdichter auf einen hohen Druck, z.B. 23 bar, verdichtet werden (Hochluftdruck-Verfahren). Anschließend kann die Luft in zwei in Reihe geschalteten Boostern weiter verdichtet werden. Die Booster werden von Turbinen angetrieben. Eine Turbine entspannt dabei von dem mittels der Booster erzielten Druck oberhalb des bereits hohen Austrittsdrucks des Hauptluftverdichters auf den Drucksäulendruck (z.B. 5,6 bar). Anschließend wird diese Luft auf die notwendige Drucksäulenluft (welche zur Rektifikation notwendig ist) und einen Überschussanteil aufgeteilt. Der Überschussanteil (die "Excess Air", nachfolgend auch als Überschussluft bezeichnet) wird im Hauptwärmetauscher angewärmt und einer zweiten Turbine zugeführt, welche den zweiten Booster oder (je nach Flüssigkeitsleistung im Verhältnis zur Innenverdichtungsmenge) einen Generator antreibt und auf einen Druck entspannt, welcher etwas über Umgebungsdruck liegt. Dieser Anteil wird dann im Hauptwärmetauscher angewärmt und z.B. in die Umgebung abgeblasen.
Die vorliegende Erfindung kann insbesondere in Fällen zum Einsatz kommen, in denen der Luftzerlegungsanlage zumindest zeitweise mehr als 35%, insbesondere mehr als 40% oder mehr als 50% flüssiger Luftprodukte, bezogen auf die Menge innenverdichteter Luftprodukte, entnommen werden.
Bei Hochluftdruck-Verfahren, die mit einer Überschussluft-Turbine ausgestattet sind, um eine große Menge an Flüssigkeit zu produzieren, wird das Wärmetauschervolumen mit Erhöhung der Menge der Überschussluft stark erhöht. Der Grund besteht darin, dass die in der Überschussluft-Turbine entspannte Luft (auf einem Druck in einem leicht überatmosphärischen Druckbereich von beispielsweise ca. 1 ,2 bar) mit einer Eintrittstemperatur von ca. 180 K in den Hauptwärmetauscher eintritt und auf Umgebungstemperatur angewärmt wird. Der kalte Teil der für diese Luft erforderlichen Passagen des Hauptwärmetauschers (unterhalb der genannten Eintrittstemperatur) kann nicht genutzt werden und ist damit Leervolumen. Dies macht z.B. ca. 3/4 der entsprechenden Passagen aus und damit ca. 10% des Gesamtwärmetauschervolumens. Bei größeren Anlagen führt dies zu einem sehr großen Wärmetauscher und damit zu hohen Kosten. Die vorliegende Erfindung überwindet diesen Nachteil.
Die vorliegende Erfindung kann, wie erwähnt, insbesondere bei großen Hauptwärmetauschervolumina zum Einsatz kommen, bei denen aufgrund der Größe mehrere (mindestens zwei) Wärmetauscherblöcke zum Einsatz kommen müssen, beispielsweise bei Volumina von 30 bis 100 m3 oder mehr, insbesondere 80 bis 90 m3. Insbesondere bei derart großen Hauptwärmetauschern sind die genannten Leervolumina von Nachteil, da dieses bei allen Wärmetauscherblöcken vorkommt. Die Erfindung schafft hier eine Lösung, die die Investitionskosten (CAPEX) verringert, ohne Nachteile in den Betriebskosten (OPEX) zu bewirken.
Zusammengefasst löst die vorliegende Erfindung diese Problemstellung dadurch, dass die Erwärmung der Überschussluft vom Hauptwärmetauscher abgelöst und in einem separaten Gegenstromwärmetäuscher durchgeführt wird. Im Gegenstrom muss mindestens ein warmer Strom geführt werden, wie weiter unten zu spezifischen Ausgestaltungen der Erfindung erläutert.
Ist nachfolgend von einem "separaten" Gegenstromwärmetäuscher die Rede, so sei hierunter insbesondere ein Gegenstromwärmetäuscher verstanden, dessen Wärmetauscherblock(blöcke) separat zu dem Wärmetauscherblock oder den Wärmetauscherblöcken des Hauptwärmetauschers bereitgestellt ist, wobei die Wärmetauscherblöcke lediglich über Leitungen und ggf. Befestigungsstrukturen verbunden sind, aber diese jeweils insbesondere als Rippen-Platten- Wärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher insbesondere keine gemeinsamen Wärmetauscherplatten aufweisen.
Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte vor, bei dem eine Luftzerlegungsanlage verwendet wird, die ein Kolonnensystem mit einer Druckkolonne und einer Niederdruckkolonne und einen Hauptwärmetauscher aufweist, wobei die Druckkolonne in einem ersten Druckbereich von insbesondere 4 bis 7 bar, beispielsweise 5 bis 6 bar, insbesondere bei ca. 5,6 bar, betrieben wird, und wobei die Niederdruckkolonne in einem zweiten Druckbereich von insbesondere 1 bis 2 bar, insbesondere beispielsweise bei 1 ,2 bar bis 1 ,5 bar, insbesondere bei ca. 1 ,4 bar, betrieben wird. Dem Kolonnensystem wird Luft zugeführt, die in dem Kolonnensystem zerlegt wird, und deren Menge hier als Zerlegungsluftmenge bezeichnet wird.
In dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird eine Ausgangsluftmenge, die die Zerlegungsluftmenge insbesondere vollständig umfasst, auf einen Druck in einem dritten Druckbereich verdichtet, der um mindestens 5, 10, 15 oder 20 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt, beispielsweise einem dritten Druckbereich von 20 bis 50 bar, insbesondere ca. 25 bis 40 bar. Der dritte Druckbereich kann - im Rahmen der soeben getroffenen Definition - auch Drücke umfassen, die beim 1,1- bis 1,9-fachen, insbesondere beim 1 ,3- bis 1 ,6-fachen der Drücke in dem ersten Druckbereich liegen.
Ein Anteil von mindestens 90% der in dem Kolonnensystem insgesamt zerlegten Zerlegungsluftmenge, insbesondere mehr als 95% hiervon oder die gesamte Zerlegungsluftmenge, wird durch eine erste Teilmenge der Ausgangsluftmenge gebildet, die auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichtet wird. Es wird also im Rahmen der Erfindung, wie mehrfach erwähnt, ein HAP-Verfahren eingesetzt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird Luft der Ausgangsluftmenge unter Erhalt eines Hochdruckluftstroms einer stufenweisen Folgeverdichtung von dem Druck in dem dritten Druckbereich (über einen Druck in einem Zwischendruckbereich) auf einen Druck in einem vierten Druckbereich, der oberhalb des dritten Druckbereichs liegt, unterworfen, wobei unter Verwendung von Luft dieses Hochdruckluftstroms ein nachfolgend als "Folgeluftstrom" bezeichneter Druckluftstrom gebildet wird, der aus dem Hauptwärmetauscher auf einem Druck in dem vierten Druckbereich und auf einer Zwischentemperatur in einem Temperaturbereich von 130 bis 190 K ausgeführt wird. Die Zwischentemperatur kann dabei in einer nachfolgend als "erste Gruppe" bezeichneten Gruppe von Ausgestaltungen der Erfindung bei 135 bis 145 K, insbesondere ca. 140 K, liegen, und in einer nachfolgend als "zweite Gruppe" bezeichneten Gruppe von Ausgestaltungen der Erfindung bei 140 bis 145 K, insbesondere ca. 144 K. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen konkreten Ausgestaltungen beschränkt und auch in den jeweils erläuterten Ausführungsformen nicht entsprechend festgelegt, d.h. die Temperaturen können auch in den jeweils anderen Bereichen oder dazwischen liegen. Je nach Produktkonstellation (Innenverdichtungsdruck) können unterschiedliche Varianten vorteilhaft sein. Wie ebenfalls nachfolgend ausgeführt, muss in bestimmten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung nicht der gesamte Hochdruckluftstrom zur Bildung des Folgeluftstroms verwendet werden, wohingegen in anderen Ausgestaltungen gerade dies der Fall ist. Auch kann weitere Luft der Ausgangsluftmenge beispielsweise als ein Drosselstrom ohne weitere Verdichtung, d.h. auf dem Druck in dem dritten Druckniveau, und ohne weitere druckbeeinflussende Maßnahmen wie Verdichtung und Entspannung durch den Hauptwärmetauscher geführt, danach insbesondere verflüssigt, und danach in das Kolonnensystem, insbesondere die Druckkolonne, entspannt werden.
Die erwähnte Folgeverdichtung zur Bildung des Hochdruckluftstroms wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung nacheinander unter Verwendung eines ersten Boosters und unter Verwendung eines zweiten Boosters, also seriell über einen Zwischendruck und insbesondere unter Einsatz einer Nachkühlung, insbesondere mit Wasser, stromab jedes der Booster, durchgeführt, wobei der erste und zweite Booster und die erste und zweite Turbine jeweils in beliebiger Weise, insbesondere paarweise, mechanisch miteinander gekoppelt. Dabei kann der erste Booster unter Verwendung der ersten oder zweiten Turbine angetrieben werden und der zweite Booster unter Verwendung der jeweils anderen Turbine. Es ist aber auch möglich, die erste und/oder zweite Turbinen nicht mit dem ersten und/oder zweiten Booster zu koppeln sondern beispielsweise über einen Generator oder eine Ölbremse zu bremsen. Dies schafft eine höhere Flexibilität in der Flüssigleistung durch die Entkopplung von Entspannung und Verdichtung.
Luft des Folgeluftstroms wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung einer Entspannung in der ersten Turbine unterworfen, welcher der Folgeluftstrom in auf der Temperatur in dem erwähnten Temperaturbereich, auf dem er dem Hauptwärmetauscher entnommen wird, zugeführt wird, und danach, d.h. nach der Entspannung in der ersten Turbine, zur Bildung eines Zerlegungsluftstroms verwendet, wobei Luft des Zerlegungsluftstroms in dem Kolonnensystem zerlegt wird. In einem ersten Betriebsmodus, der auch der einzige Betriebsmodus sein kann, wird weitere Luft des Folgeluftstroms einer Entspannung in der ersten Turbine unterworfen und danach zur Bildung eines Überschussluftstroms verwendet, dessen Luft ohne eine vorherige Zerlegung in dem Kolonnensystem entspannt und erwärmt wird. Die entsprechend behandelte Luft des Überschussluftstroms wird dabei in dem ersten Betriebsmodus nacheinander einer Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher, einer Entspannung in der zweiten Turbine (insbesondere auf Umgebungsdruck oder ein leicht überatmosphärischen Druck in dem zweiten Druckbereich) und einer weiteren Erwärmung (insbesondere etwa bis auf Umgebungstemperatur) unterworfen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die weitere Erwärmung der Luft des Überschussluftstroms in dem ersten Betriebsmodus unter Verwendung eines weiteren Wärmetauschers durchgeführt wird, der einen Wärmetauscherblock aufweist, der separat zu einem Wärmetauscherblock des Hauptwärmetauschers bereitgestellt ist, und dass in dem weiteren Wärmetauscher Luft der Ausgangsluftmenge in dem ersten Betriebsmodus einer Abkühlung unterworfen wird. Durch diese Maßnahmen können insbesondere die erwähnten Leervolumina im Hauptwärmetauscher verringert bzw. eliminiert werden. Wie sich herausgestellt hat, weisen bekannte Verfahren und Anlagen einen Energienachteil von ca. 10% gegenüber dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren und seinen Ausgestaltungen auf.
Nachfolgend wird stillschweigend immer dann, wenn von der Bildung des Überschussluftstroms und dem Betrieb des weiteren Wärmetauschers die Rede ist, davon ausgegangen, dass der erste Betriebsmodus vorliegt, auch wenn dies jeweils nicht explizit erwähnt werden sollte. Wie erwähnt, kann der erste Betriebsmodus der einzige Betriebsmodus sein oder es kann neben dem ersten Betriebsmodus ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen sein, in der der Überschussluftstrom nicht gebildet wird und insbesondere auch der weitere Wärmetauscher nicht in Betrieb sein kann. Dies kann insbesondere in Fällen vorgesehen sein, in denen eine (vergleichsweise) geringe Flüssigproduktion erfolgen soll.
In allen Fällen, in denen der Überschussluftstrom gebildet wird, kann ein Teilstrom der anzuwärmenden Überschussluft nach der Entspannung in der zweiten Turbine mit einem Unreinstickstoffstrom aus der Niederdruckkolonne gemischt und im Hauptwärmetauscher angewärmt werden.
In dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist in der bereits erwähnten ersten Gruppe von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung die in dem weiteren Wärmetauscher der Abkühlung unterworfene Luft ein Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms.
In der ersten Gruppe von Ausgestaltungen wird dabei insbesondere zumindest ein Teil der in dem weiteren Wärmetauscher der Abkühlung unterworfenen Luft danach in dem Hauptwärmetauscher zur Bildung des Folgeluftstroms einer Vereinigung mit einem weiteren Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms unterworfen, der dem Hauptwärmetauscher warmseitig zugeführt wird. Der Folgeluftstrom wird also hier unter Verwendung zweier Anteile des Hochdruckluftstroms gebildet, von denen einer ohne weitere druckbeeinflussende Maßnahmen im Hauptwärmetauscher, der andere aber in dem separaten Wärmetauscher abgekühlt werden. Beide Anteile werden auf einem geeigneten Zwischentemperaturniveau im Hauptwärmetauscher vereinigt, in diesem weiter abgekühlt und diesem in Form des Folgeluftstroms entnommen. Die vorgeschlagene Maßnahme hat den Vorteil, dass die in den zusätzlichen Wärmetauscher ausgelagerten Passagen nicht im Hauptwärmetauscher bereitgestellt werden müssen, wo sie zu ungenutztem Raum kaltseitig der Entnahme des Folgeluftstroms führen würden. Bei bestimmten Produktkonstellationen kann aber auch eine separate Führung der beiden Anteile ohne Vereinigung auf dem Zwischentemperaturniveau durch den Hauptwärmetauscher erfolgen. Diese ist also nicht zwingend erforderlich,
In der ersten Gruppe von Ausgestaltungen werden zumindest 90% einer aus der Vereinigung resultierenden Luftmenge, insbesondere 95% dieser Luftmenge oder die gesamte Luftmenge zur Bildung des Folgeluftstroms verwendet.
In der erwähnten zweiten Gruppe von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist die in dem weiteren Wärmetauscher der Abkühlung unterworfene Luft ein Anteil der Luft der Ausgangsluftmenge auf einem Druck in dem dritten Druckbereich, der nicht zur Bildung des Hochdruckluftstroms verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass der Designdruck des gesplitteten Wärmetauschers verringert werden kann, da der warme abzukühlende Luftstrom mit geringerem Druck bereitgestellt wird. Im Weiteren kann die Temperatur der kalten (ersten) Turbine freier gewählt werden.
In der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen kann zumindest ein Teil der in dem weiteren Wärmetauscher der Abkühlung unterworfenen Luft danach, d.h. nach dieser Abkühlung, in dem Hauptwärmetauscher zur Bildung eines Joule-Thomson-Stroms an sich bekannter Art einer Vereinigung einer Vereinigung mit weiterer, nicht zur Bildung des Hochdruckluftstroms verwendeter Luft der Ausgangsluftmenge unterworfen werden. Der auf diese Weise gebildete Joule-Thomson-Strom kann insbesondere in dem Hauptwärmetauscher weiter abgekühlt werden. Insbesondere kann dieser Joule- Thomson-Strom dabei auch zusätzlich zu beliebigen weiteren, beispielsweise einem oben erwähnten Joule-Thomson-Strom, bereitgestellt werden.
In der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen können insbesondere zumindest 90% einer aus der Vereinigung resultierenden Luftmenge zur Bildung des Joule-Thomson- Stroms verwendet werden.
In der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen kann ferner ein erster Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms zur Bildung des Folgestroms verwendet wird und ein zweiter Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms in dem Hauptwärmetauscher weiter abgekühlt und kaltseitig desselben mit dem Joule-Thomson-Strom vereinigt werden.
In allen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die in dem weiteren Wärmetauscher der Abkühlung unterworfene Luft auf eine Temperatur in einem geeigneten Temperaturbereich abgekühlt werden, wobei dieser Temperaturbereich insbesondere von dem Temperaturbereich abhängt, in dem die zweite Turbine betrieben wird. Dieser Temperaturbereich kann insbesondere bei 2 bis 15 K oder 20 K oberhalb der Austrittstemperatur der zweiten Turbine liegen. Der Temperaturbereich kann in der ersten Gruppe von Ausgestaltungen insbesondere bei 190 bis 195 K, und in der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen insbesondere bei 195 bis 200 K, insbesondere bei ca. 196 K, liegen kann. In der ersten und zweiten Gruppe von Ausgestaltungen kann der Überschussluftstrom dem weiteren Wärmetauscher insbesondere auf einer Temperatur in einem Temperaturbereich von 165 bis 210 K, insbesondere mit ca. 184 K, zugeführt werden, welche Temperatur durch die Entspannung in der zweiten Turbine erreicht wird, und dieser Überschussluftstrom kann durch die Entspannung in der zweiten Turbine insbesondere als einphasiger (gasförmiger) Strom gebildet werden.
In allen Fällen kann die Luft des Überschussluftstroms vor der Entspannung in der zweiten Turbine ausgehend von einer Temperatur in einem Temperaturbereich von 90 bis 115 K und bis auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich von 240 K bis Umgebungstemperatur erwärmt werden, wobei insbesondere eine Temperatur in einem Temperaturbereich von 270 bis 290 K vorteilhaft ist. Dies entspricht der Austrittstemperatur der kalten Turbine.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden ein oder mehrere Luftprodukte mittels Innenverdichtung bereitgestellt, wobei zumindest zeitweise mehr als 35% flüssiger Luftprodukte, bezogen auf die (gesamte) Menge innenverdichteter Luftprodukte, bereitgestellt werden. Dies umfasst insbesondere auch die ausschließliche Bereitstellung flüssiger Luftprodukte ohne die Bereitstellung innenverdichteter Luftprodukte.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage. Zu Merkmalen und Vorteilen einer derartigen Luftzerlegungsanlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch verwiesen. Insbesondere ist eine derartige Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet, ein Verfahren in einer oder mehreren der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen und weist hierzu entsprechend ausgebildete Mittel auf. Zu Merkmalen und Vorteilen sei daher ausdrücklich auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die die bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Darstellung.
Figur 2 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Teildarstellung.
Figur 3 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Teildarstellung. In den Figuren sind jeweils gleiche oder vergleichbare Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. In mehreren Figuren identisch veranschaulichte Komponenten sind zum Teil nicht erneut mit Bezugszeichen versehen. Anlagenkomponenten können jeweils auch für entsprechende Verfahrensschritte stehen, so dass die nachfolgenden Erläuterungen zu den Luftzerlegungsanlagen auch entsprechende Verfahren betreffen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in Form eines vereinfachten Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet.
In der Luftzerlegungsanlage gemäß Figur 1 wird Luft aus der Atmosphäre mittels eines Hauptluftverdichters 1 über einen nicht gesondert bezeichneten Filter angesaugt und auf den zuvor mehrfach erwähnten Druck in dem dritten Druckbereich verdichtet. Es handelt sich um die mehrfach erwähnte Ausgangsluftmenge. Ein auf diese Weise bereitgestellter Druckluftstrom A wird nach einer Kühlung in nicht gesondert bezeichneten Wärmetauschern und einer Abscheidung von Wasser einer Adsorberstation 2 zugeführt und dort von unerwünschten Komponenten wie Wasser und Kohlendioxid befreit. Der Druckluftstrom A, also die Ausgangsluftmenge, wird in zwei Teilströme B und C aufgeteilt.
Der Teilstrom B wird als Joule-Thomson-Strom vom warmen zum kalten Ende durch einen Hauptwärmetauscher 3 geführt, dort zumindest teilweise verflüssigt und danach in eine Druckkolonne 11 eines Kolonnensystems 10 eingespeist, die in dem mehrfach erwähnten ersten Druckbereich betrieben wird. Unmittelbar unterhalb der Einspeisestelle des Teilstroms B in die Druckkolonne 11 wird Flüssigkeit entnommen, die durch einen Unterkühlungsgegenströmer 14 geführt und in eine in dem mehrfach erwähnten zweiten Druckbereich betriebene Niederdruckkolonne 12 des Kolonnensystems 10 eingespeist. Das Kolonnensystem 10, das ferner einen insgesamt mit 13 bezeichneten Argongewinnungsteil aufweist, wird in an sich fachüblicher Art betrieben. Zu Details sei daher auf einschlägige Fachliteratur, wie sie eingangs zitiert wurde, beispielsweise die Erläuterungen zu Figur 2.3A bei Haering, verwiesen. Der Teilstrom C, also ebenfalls Luft der Ausgangsluftmenge, wird unter Erhalt eines Hochdruckluftstroms D einer stufenweisen Folgeverdichtung von dem Druck in dem dritten Druckbereich auf einen Druck in einem vierten Druckbereich, der oberhalb des dritten Druckbereichs liegt, unterworfen, wobei unter Verwendung von Luft des Hochdruckluftstroms D, wie weiter unten erläutert, ein Folgeluftstrom E gebildet wird, der aus dem Hauptwärmetauscher auf einem Druck in dem vierten Druckbereich und auf einer Zwischentemperatur im erwähnten Bereich ausgeführt wird.
Die Folgeverdichtung des Teilstroms C zur Bildung des Hochdruckluftstroms D erfolgt in dem spezifischen Beispiel nacheinander unter Verwendung eines ersten Boosters 4, der unter Verwendung einer ersten Turbine 5 angetrieben wird, und unter Verwendung eines zweiten Boosters 6, der unter Verwendung einer zweiten Turbine 7 angetrieben wird. Luft des Folgeluftstroms E wird einer Entspannung in der ersten Turbine 5 unterworfen und danach gemäß der Ausgestaltung gemäß Figur 1 vollständig in Form des Stoffstroms X in die Druckkolonne 11 eingespeist.
Unmittelbar oberhalb der Einspeisung des Stoffstroms X in die Druckkolonne 11 wird in der Ausgestaltung gemäß Figur 1 ein Überschussluftstrom Y abgezogen, der dem Hauptwärmetauscher 3 kaltseitig zugeführt und auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, danach in der zweiten Turbine 7 entspannt, von kaltseitig nach warmseitig durch einen weiteren Wärmetauscher 8 geführt und beispielsweise an die Atmosphäre abgegeben oder anderweitig verwendet wird.
Die Luftzerlegungsanlage unterscheidet sich dadurch von einer nicht erfindungsgemäß ausgebildeten Luftzerlegungsanlage insbesondre dadurch, dass ein weiterer Wärmetauscher 8 bereitgestellt ist. Wie veranschaulicht und erläutert, wird hier Luft des Folgeluftstroms E einer Entspannung in der ersten Turbine 5 unterworfen und danach in Form eines Stoffstroms X in die Druckkolonne 11 eingespeist. Mit dem Stoffstrom Y wird ein Überschussluftstrom gebildet, wohingegen der Rest als Zerlegungsluftstrom in dem Kolonnensystem 10 zerlegt wird. Die (weitere) Erwärmung der Luft des Stoffstroms Y wird also unter Verwendung des weiteren Wärmetauschers 8 durchgeführt, der einen Wärmetauscherblock aufweist, der separat zu einem Wärmetauscherblock des Hauptwärmetauschers 3 bereitgestellt ist, wobei in dem weiteren Wärmetauscher 8 Luft der Ausgangsluftmenge, hier ein Teilstrom D1 des Hochdruckluftstroms D, einer Abkühlung unterworfen wird. Die Ausgestaltung gemäß Figur 1 gehört damit der mehrfach erwähnten ersten Gruppe von Ausgestaltungen an, in der die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfene Luft ein hier mit D1 bezeichneter Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms ist. Die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfenen Luft des Stoffstroms D1 wird danach in dem Hauptwärmetauscher 3 zur Bildung des Folgeluftstroms E einer Vereinigung mit einem weiteren Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms unterworfen wird, hier mit D2 bezeichnet ist, und der dem Hauptwärmetauscher 3 warmseitig zugeführt wird. Nach Vereinigung und weiterer Abkühlung wird ein auf diese Weise gebildeter Sammelstrom als der Folgeluftstrom E aus dem Hauptwärmetauscher 3 ausgeführt. Wie erwähnt, ist die Vereinigung nicht zwingend notwendig.
Figur 2 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Teildarstellung, die in Teilen der Figur 1 entspricht, wobei eine entsprechende Anlage mit 100 bezeichnet sein soll. Die Einbindung ergibt sich durch die identische Bezeichnung der jeweiligen Anlagenteile und Stoffströme.
Wie in Figur 2 veranschaulicht, wird die Luft des Folgeluftstroms E hier nach der Entspannung in der ersten Turbine 5 und vor der noch stromauf der Druckkolonne 11 zur Bildung eines Zerlegungsluftstroms F und eines Überschussluftstroms G verwendet, wobei der Überschussluftstrom G im Wesentlichen wie zu Figur 1 erläutert behandelt werden kann.
Wie die in Figur 1 veranschaulichte Ausgestaltung gehört auch die Ausgestaltung gemäß Figur 2 der ersten Gruppe von Ausgestaltungen an, in der die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfene Luft ein hier mit D1 bezeichneter Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms ist. Die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfenen Luft des Stoffstroms D1 wird danach in dem Hauptwärmetauscher 3 zur Bildung des Folgeluftstroms E einer Vereinigung mit einem weiteren Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms unterworfen, der hier mit D2 bezeichnet ist, und der dem Hauptwärmetauscher 3 warmseitig zugeführt wird. Nach Vereinigung und weiterer Abkühlung wird ein auf diese Weise gebildeter Sammelstrom als der Folgeluftstrom E aus dem Hauptwärmetauscher 3 ausgeführt. Zu weiteren Details, insbesondere Drücken, Temperaturen und dergleichen, sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich der ersten Gruppe von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ausdrücklich verwiesen.
Figur 3 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Teildarstellung, die in Teilen den zuvor erläuterten Ausgestaltungen entspricht, wobei eine entsprechende Anlage mit 100 bezeichnet sein soll.
Wie auch bereits in Figur 2 veranschaulicht, wird die Luft des Folgeluftstroms E gemäß Figur 3 nach der Entspannung in der ersten Turbine 5 und vor der noch stromauf der Druckkolonne 11 zur Bildung eines Zerlegungsluftstroms F und eines Überschussluftstroms G verwendet, wobei der Überschussluftstrom G im Wesentlichen wie zu Figur 1 und 2 erläutert behandelt werden kann. Ein Joule-Thomson-Strom wird unter Verwendung eines weiteren Teils des Stoffstroms D gebildet.
Anders als die in den Figuren 2 und 3 veranschaulichten Ausgestaltungen gehört die Ausgestaltung gemäß Figur 4 der mehrfach erwähnten zweiten Gruppe von Ausgestaltungen an, in der die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfene Luft ein Anteil der Luft der Ausgangsluftmenge auf einem Druck in dem dritten Druckbereich, und damit des Stoffstroms C, ist, der nicht zur Bildung des Hochdruckluftstroms verwendet wird, und der hier in Form eines Stoffstroms G1 veranschaulicht ist. Die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfenen Luft des Stoffstroms G1 wird danach in dem Hauptwärmetauscher 3 zur Bildung eines Joule-Thomson-Stroms H1 einer Vereinigung mit einem weiteren Anteil der Luft der Ausgangsluftmenge auf einem Druck in dem dritten Druckbereich vereinigt, der nicht zur Bildung des Hochdruckluftstroms verwendet wird, und der hier in Form eines Stoffstroms G2 veranschaulicht ist. Nach Vereinigung und weiterer Abkühlung wird ein auf diese Weise gebildeter Stoffstrom H1 am kalten Ende aus dem Hauptwärmetauscher 3 entnommen. Ferner wird hier nur ein erster Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms D zur Bildung des Folgestroms verwendet und ein zweiter Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms in Form eines Stoffstroms H2 in dem Hauptwärmetauscher 3 weiter abgekühlt und mit dem Joule-Thomson-Strom H1 vereinigt. Zu weiteren Details, insbesondere Drücken, Temperaturen und dergleichen, sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ausdrücklich verwiesen.

Claims
Patentansprüche Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte, bei dem eine Luftzerlegungsanlage verwendet wird, die ein Kolonnensystem (10) mit einer Druckkolonne (11) und einer Niederdruckkolonne (12) und einen Hauptwärmetauscher (3) aufweist,
- wobei die Druckkolonne (11) in einem ersten Druckbereich und die Niederdruckkolonne (12) in einem zweiten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs liegt, betrieben wird,
- wobei eine Ausgangsluftmenge einer Anfangsverdichtung auf einen Druck in einem dritten Druckbereich, welcher um mindestens 5 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt, unterworfen wird,
- wobei ein Anteil von mindestens 90% einer in dem Kolonnensystem (10) insgesamt zerlegten Zerlegungsluftmenge durch eine erste Teilmenge der Ausgangsluftmenge gebildet wird,
- wobei Luft der Ausgangsluftmenge unter Erhalt eines Hochdruckluftstroms einer stufenweisen Folgeverdichtung von dem Druck in dem dritten Druckbereich auf einen Druck in einem vierten Druckbereich, der oberhalb des dritten Druckbereichs liegt, unterworfen wird,
- wobei unter Verwendung von Luft des Hochdruckluftstroms ein Folgeluftstrom gebildet wird, der aus dem Hauptwärmetauscher (3) auf einem Druck in dem vierten Druckbereich und auf einer Zwischentemperatur in einem Temperaturbereich von 130 bis 190 K ausgeführt wird,
- wobei die Folgeverdichtung nacheinander unter Verwendung eines ersten Boosters (4) und eines zweiten Boosters (6) durchgeführt wird,
- wobei Luft des Folgeluftstroms einer Entspannung in der ersten Turbine (5) unterworfen und danach zur Bildung eines Zerlegungsluftstroms verwendet wird, dessen Luft in dem Kolonnensystem (10) zerlegt wird, - wobei in einem ersten Betriebsmodus weitere Luft des Folgeluftstroms einer Entspannung in der ersten Turbine (5) unterworfen und danach zur Bildung eines Überschussluftstroms verwendet wird, dessen Luft ohne eine vorherige Zerlegung in dem Kolonnensystem (10) entspannt und erwärmt wird,
- wobei die Luft des Überschussluftstroms in dem ersten Betriebsmodus nacheinander einer Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher (3), einer Entspannung in der zweiten Turbine (7) und einer weiteren Erwärmung unterworfen wird,
- wobei die weitere Erwärmung der Luft des Überschussluftstroms in dem ersten Betriebsmodus unter Verwendung eines weiteren Wärmetauschers (8) durchgeführt wird, der einen Wärmetauscherblock aufweist, der separat zu einem Wärmetauscherblock des Hauptwärmetauschers (3) bereitgestellt ist,
- und wobei in dem weiteren Wärmetauscher (8) in dem ersten Betriebsmodus Luft der Ausgangsluftmenge einer Abkühlung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem weiteren Wärmetauscher (8) in dem ersten Betriebsmodus der Abkühlung unterworfene Luft ein Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms ist und und zumindest ein Teil der in dem weiteren Wärmetauscher (8) in dem ersten Betriebsmodus der Abkühlung unterworfenen Luft danach in dem Hauptwärmetauscher (3) zur Bildung des Folgeluftstroms einer Vereinigung mit einem weiteren Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms unterworfen wird, wobei dieser weitere Anteil der Luft dem Hauptwärmetauscher (3) warmseitig zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die erste und die zweite Turbine (5, 7) auf eine der folgenden Weisen gebremst wird: - unter Verwendung des ersten Boosters (4),
- unter Verwendung deszweiten Boosters (6),
- unter Verwendung eines Generators
- oder unter Verwendung einer Ölbremse.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Betriebsmodus der einzige Betriebsmodus ist oder bei dem neben dem ersten Betriebsmodus ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen ist, in der der Überschussluftstrom nicht gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest 90% einer aus der Vereinigung resultierenden Luftmenge in dem ersten Betriebsmodus zur Bildung des Folgeluftstroms verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Teil der in dem weiteren Wärmetauscher (8) in dem ersten Betriebsmodus der Abkühlung unterworfenen Luft danach in dem Hauptwärmetauscher (3) zur Bildung eines Joule-Thomson-Stroms einer Vereinigung einer Vereinigung mit weiterer, nicht zur Bildung des Hochdruckluftstroms verwendeter Luft der Ausgangsluftmenge unterworfen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem zumindest 90% einer aus der Vereinigung resultierenden Luftmenge in dem ersten Betriebsmodus zur Bildung des Joule- Thomson-Stroms verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein erster Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms zur Bildung des Folgestroms verwendet wird und ein zweiter Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms in dem Hauptwärmetauscher (3) weiter abgekühlt und mit dem Joule-Thomson-Strom vereinigt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die in dem weiteren Wärmetauscher (8) der Abkühlung unterworfene Luft auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich abgekühlt wird, die 1 bis 20 K oberhalb einer Austrittstemperatur aus der zweiten Turbine (7) liegt.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Luft des Überschussluftstroms vor der Entspannung in der zweiten Turbine (7) ausgehend von einer Temperatur in einem Temperaturbereich von 90 bis 120 K erwärmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein oder mehrere Luftprodukte mittels Innenverdichtung bereitgestellt werden, wobei zumindest zeitweise mehr als 35% flüssiger Luftprodukte, bezogen auf die Menge innenverdichteter Luftprodukte, bereitgestellt werden.
11. Luftzerlegungsanlage (100, 200), die ein Kolonnensystem (10) mit einer Druckkolonne (11) und einer Niederdruckkolonne (12) und einen Hauptwärmetauscher (3) aufweist, und die dafür eingerichtet ist,
- die Druckkolonne (11) in einem ersten Druckbereich und die Niederdruckkolonne (12) in einem zweiten Druckbereich, der unterhalb des ersten Druckbereichs liegt, zu betreiben,
- eine Ausgangsluftmenge einer Anfangsverdichtung auf einen Druck in einem dritten Druckbereich, welcher um mindestens 5 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt, zu unterwerfen,
- einen Anteil von mindestens 90% einer in dem Kolonnensystem (10) insgesamt zerlegten Zerlegungsluftmenge durch eine erste Teilmenge der Ausgangsluftmenge zu bilden,
- Luft der Ausgangsluftmenge unter Erhalt eines Hochdruckluftstroms einer stufenweisen Folgeverdichtung von dem Druck in dem dritten Druckbereich auf einen Druck in einem vierten Druckbereich, der oberhalb des dritten Druckbereichs liegt, zu unterwerfen,
- unter Verwendung von Luft des Hochdruckluftstroms einen Folgeluftstrom zu bilden und diesen aus dem Hauptwärmetauscher (3) auf einem Druck in dem vierten Druckbereich und auf einer Zwischentemperatur in einem Temperaturbereich von 130 bis 190 K auszuführen, - die Folgeverdichtung nacheinander unter Verwendung eines ersten Boosters (4) und eines zweiten Boosters (6) durchzuführen,
- Luft des Folgestroms einer Entspannung in der ersten Turbine (5) zu unterwerfen und danach zur Bildung eines Zerlegungsluftstroms zu verwenden, und dessen Luft in dem Kolonnensystem (10) zu zerlegen,
- in einem zweiten Betriebsmodus weitere Luft des Folgestroms einer Entspannung in der ersten Turbine (5) zu unterwerfen und danach zur Bildung eines Überschussluftstroms zu verwenden, und dessen Luft ohne eine vorherige Zerlegung in dem Kolonnensystem (10) zu erwärmen, und
- die Luft des Überschussluftstroms in dem ersten Betriebsmodus nacheinander einer Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher (3), einer Entspannung in der zweiten Turbine (7) und einer weiteren Erwärmung zu unterwerfen, dadurch gekennzeichnet,
- dass zur weiteren Erwärmung der Luft des Überschussluftstroms in dem ersten Betriebsmodus ein weiterer Wärmetauscher (8) bereitgestellt und eingerichtet ist, der einen Wärmetauscherblock aufweist, der separat zu einem Wärmetauscherblock des Hauptwärmetauschers (3) bereitgestellt ist,
- dass der weitere Wärmetauscher (8) dafür eingerichtet ist, in dem ersten Betriebsmodus Luft der Ausgangsluftmenge einer Abkühlung zu unterwerfen. gekennzeichnet durch
Mittel zum Einleiten eines Anteils der Luft des Hochdruckluftstroms in den weiteren Wärmetauscher als in dem ersten Betriebsmodus der Abkühlung unterworfene Luft,
Mittel zum Einleiten von der in dem weiteren Wärmetauscher (8) in dem ersten Betriebsmodus der Abkühlung unterworfenen Luft in den Hauptwärmetauscher (3) Mittel zur Bildung des Folgeluftstroms durch Vereinigung mit einem weiteren Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms im Hauptwärmetauscher (3) und durch
Mittel zur warmseitigen Zuführung dieses weiteren Anteils der Luft zum Hauptwärmetauscher (3).
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