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WO2020048634A1 - Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft und luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft und luftzerlegungsanlage Download PDF

Info

Publication number
WO2020048634A1
WO2020048634A1 PCT/EP2019/025280 EP2019025280W WO2020048634A1 WO 2020048634 A1 WO2020048634 A1 WO 2020048634A1 EP 2019025280 W EP2019025280 W EP 2019025280W WO 2020048634 A1 WO2020048634 A1 WO 2020048634A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure level
compressed air
pressure
air
stream
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/025280
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Alekseev
Dimitri GOLUBEV
Patrick Brandl
Original Assignee
Linde Aktiengesellschaft
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 Aktiengesellschaft filed Critical Linde Aktiengesellschaft
Publication of WO2020048634A1 publication Critical patent/WO2020048634A1/de

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Classifications

    • 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
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
    • F25J3/04078—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
    • F25J3/0409—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression of oxygen
    • 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
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    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04375—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc.
    • F25J3/04387—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc. using liquid or hydraulic turbine expansion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J3/04406—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system
    • F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
    • 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
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/10—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream 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
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    • 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
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    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/12—Particular process parameters like pressure, temperature, ratios

Definitions

  • the invention relates to a method and a plant for obtaining an air product according to the respective preambles of the independent claims.
  • Air separation plants have rectification column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • rectification column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • Rectification columns for the production of nitrogen and / or oxygen in a liquid and / or gaseous state ie the rectification columns for nitrogen-oxygen separation, rectification columns for the production of further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon, can be provided. Even if corresponding rectification columns for the extraction of further air components are not specifically discussed below, they can also be the subject of the present invention.
  • the rectification columns of the rectification column systems mentioned are operated at different pressure levels.
  • Double column systems have a so-called high pressure column (also referred to as a pressure column, medium pressure column or lower column) and a so-called low pressure column (also referred to as an upper column).
  • the pressure level of the high pressure column is, for example, 4 to 6 bar, preferably about 5.5 bar.
  • the low pressure column is operated at a pressure level of, for example, 1.3 to 1.7 bar, preferably approximately 1.5 bar.
  • the pressure levels given here and below are absolute pressures which are present at the top of the columns mentioned. The values mentioned are only examples that can be changed if necessary.
  • So-called main compressors / post-compressors Mainn Air Compressor / Booster Air Compressor, MAC-BAC processes or so-called
  • High air pressure (HAP) processes can be used.
  • the main compressor / post-compressor process is the rather
  • the main compressor / post-compressor process is characterized in that only a part of the total amount of feed air supplied to the rectification column system is compressed to a pressure level that is significant, i.e. is at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar, above the pressure level of the high pressure column. Another part of the amount of air used is only the pressure level of the high pressure column or a pressure level that is not more than 1 to 2 bar from the pressure level of the
  • High-pressure column differentiates, compresses, and is fed into the high-pressure column at this lower pressure level.
  • An example of a main compressor / post-compressor process is shown by Häring (see above) in Figure 2.3A.
  • Rectification column system total amount of feed air supplied
  • Compressed pressure level that is, i.e. is at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar above the pressure level of the high pressure column.
  • the pressure difference can be up to 14, 16, 18 or 20 bar, for example.
  • High air pressure processes are known for example from EP 2 980 514 A1 and EP 2 963 367 A1.
  • the present invention is used in particular in air separation plants with so-called internal compression (IV, internal compression, IC).
  • IV internal compression
  • internally compressed gaseous oxygen GOX IV, GOX IC
  • GAN IV, GAN IC internally compressed gaseous nitrogen
  • GAR IV, GAR IC internally compressed gaseous argon
  • the internal compression offers a number of technical advantages over an external compression of corresponding products, which is also possible in principle, and is explained in the specialist literature, for example from Häring (see above), Section 2.2.5.2, "Internal Compression".
  • EP 0 869 322 A1 discloses an air separation plant in which a single expansion turbine is used. In this a liquid stream is formed, which has a gas content of less than 5%. It is therefore a classic liquid turbine, as will be explained further below.
  • DE 32 16 502 A1 also discloses an air separation plant with a turbine, at the outlet of which there is essentially a liquid. A gas percentage should be a maximum of 10%. This turbine is one of several turbines. Another method in which a turbine is used, a small one at the outlet
  • the proportion of gas to be present is known from EP 3 312 533 A1. Further methods for air separation are disclosed in EP 1 189 003 A1 and EP 1 310 753 A1.
  • a turbine in which a two-phase mixture with a gas content of 10 to 50 mole percent, in particular 15 to 30 mole percent, is formed at the outlet is known from US Pat. No. 5,564,290 A.
  • the turbine has geometrical changes that allow a corresponding proportion of gas.
  • the turbine is one of several turbines and is to be fed with a fluid which is cooled to a temperature which is just below the liquefaction temperature when compressed to a subcritical pressure or just below the critical temperature when compressed to a supercritical pressure.
  • the object of the present invention is to improve the extraction of air products using air separation plants which are set up for internal compression and to make them simpler and less expensive.
  • a high-pressure air stream is expanded in an air separation plant. This stream is for vaporizing and warming up
  • the Joule-Thomson turbine thus takes on the role of an expansion valve, by means of which a so-called throttle flow into the conventional systems
  • a Claude turbine In the case of a double-column system, a Claude turbine is used to release compressed air that has cooled down from a higher pressure level to the pressure level of the high-pressure column and feed it into it.
  • cooled compressed air is expanded to the pressure level of the low pressure column and fed into it.
  • a Claude turbine is also referred to as a medium pressure turbine and a Lachmann turbine is also referred to as a low pressure turbine.
  • Claude and Lachmann turbines are supplied with compressed air at higher temperature levels than Joule-Thomson turbines, so that no (significant) liquefaction occurs during expansion.
  • the two turbines are also used in connection with air separation plants Called "gas turbines".
  • a Joule-Thomson turbine is used in conjunction with either a Claude turbine or a Lachmann turbine in air separation plants designed for internal compression. Even without a Joule-Thomson turbine, only a Claude or a Lachmann turbine can be used. In all cases, the use of appropriate turbines serves to compensate for
  • Liquids and gases can be rich or poor in one or more components in the language used here, "rich” for a content of at least 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99 % and "poor” for a content of at most 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on mole, weight or
  • Liquids and gases can be enriched or depleted in one or more components, these terms refer to a content in a starting liquid or gas from which the liquid or gas in question was obtained.
  • the Liquid or gas is "enriched” if it contains at least 1, 1, 1, 5, 2, 5, 10, 100 or 1,000 times, and “depleted "if this or this contains at most 0.9 times, 0.5 times, 0.1 times, 0.01 times or 0.001 times the content of a corresponding component, based on the starting liquid or gas. If, for example, “oxygen” or “nitrogen” is used here, this should also be understood to mean a liquid or a gas which is rich in oxygen or nitrogen, but does not necessarily have to consist exclusively of it.
  • Pressure levels and temperature levels can lie in disjoint areas or in areas that overlap one another.
  • pressure levels include, for example, unavoidable or expected pressure drops.
  • temperature levels The pressure levels given here in bar are absolute pressures.
  • Turbines contribute significantly to the construction costs of an air separation plant. Therefore, the number of turbines should be as low as possible from a manufacturing cost perspective. However, due to the energy savings that can be achieved, turbines reduce the operating costs of a corresponding system, so that there is a conflict of objectives. This is solved by the measures proposed according to the invention. By using the present invention, a reduction in the number of
  • the gas or steam content at the outlet of a Claude turbine or a Lachmann turbine is typically at least 90% (there is therefore a maximum of 10% liquid content).
  • Joule-Thomson turbines specifically designed as liquid turbines are typically operated without any gas or steam at the outlet, ie they are completely liquefied.
  • An essential aspect of the present invention is to use the Joule-Thomson turbine as the only turbine in a corresponding process, but to use it to expand into the two-phase area.
  • the present invention achieves the advantages already mentioned.
  • the present invention is particularly suitable for applications with a comparatively low cooling requirement, that is to say those processes in which comparatively small quantities of liquid products are provided and in which comparatively low internal compression pressures are present.
  • the present invention can be used in particular when forced rectification conditions are used, for example when comparatively large amounts of nitrogen-rich fluids are withdrawn from the high-pressure column.
  • blowing-in equivalent denotes the amount (in particular in mole fractions) of the air fed into the low-pressure column plus the nitrogen removed from the high-pressure column and exported from the air separation unit, in relation to the total, the
  • blowing-in equivalent is therefore defined as the amount of compressed air compressed and expanded by means of a blowing-in turbine into the low-pressure column of an air separation plant, plus the amount of nitrogen, possibly the high-pressure column
  • Air separation plant relaxed compressed air or the amount of nitrogen taken from the high pressure column and neither returned as a liquid return to the high pressure column itself nor given as a liquid return to the low pressure column can also be zero at a time.
  • the nitrogen withdrawn from the high pressure column can be pure or substantially pure nitrogen from the top of the high pressure column, but also a gas enriched with nitrogen or a corresponding one
  • Liquid that can be withdrawn from the high-pressure column from a region below the head with a lower nitrogen content Liquid that can be withdrawn from the high-pressure column from a region below the head with a lower nitrogen content.
  • a blowing-in turbine is used in a corresponding air separation plant and a quantity M1 of compressed air is expanded in this, a quantity M2 nitrogen is removed from the high-pressure column and removed as a liquid and / or gaseous nitrogen product from the air separation plant, i.e. not used as a return to the high and / or low pressure column, and a lot of M3 the compressed air
  • the present invention proposes a method of recovering an air product using an air separation plant with a rectification column system having a high pressure column operating at a first pressure level and a low pressure column operating at a second pressure level below the first pressure level.
  • the rectification column system can be designed in a basically known manner, in particular as a double column, or can comprise a corresponding double column.
  • the high and low pressure columns are connected via a main condenser, the top gas of the high pressure column is partially liquefied so that it can be returned to the high pressure column as a return line, and the bottom liquid of the low pressure column evaporates.
  • Main capacitor can be designed as an internal or external main capacitor.
  • Other configurations of the rectification column system are also possible in principle.
  • the rectification column system can be further
  • a first compressed air flow at a first pressure level and a second compressed air flow at a third pressure level which is above the first pressure level are provided and in each case at the first or third pressure level is subjected to cooling.
  • the usable pressure levels are explained in detail below.
  • the cooling can be particularly in one
  • Main heat exchanger of the air separation plant are carried out, from which the first and the second compressed air stream are supplied on the warm side and removed on the cold side.
  • the cooling takes place in particular at different temperature levels and in different passages of the main heat exchanger.
  • the first compressed air flow at the first pressure level can be subjected to cooling to a lower pressure level than the second compressed air flow at the third pressure level.
  • Compressed air streams are compressed in particular by means of a main air compressor on the one hand or by means of the main air compressor and a secondary compressor on the other hand, as also explained in detail below.
  • the first and the second compressed air stream consist of purified compressed air, which has been dried in a known manner and in particular has been freed from carbon dioxide and possibly other impurities.
  • the first compressed air stream is in the context of the present invention.
  • Rectification column system fed The feed is particularly in the high pressure column.
  • the second stream of compressed air is used using a
  • a material flow for example a compressed air flow
  • this material flow can also be subjected to part of these process steps as part of a material flow with a larger volume or volume flow.
  • the material flow mentioned in each case can be branched off at any point from the material flow with the larger volume or volume flow or at any point with a further material flow to the material flow with the larger volume or
  • Volume flow can be combined. It is also possible, for example, that a
  • Material flow with a larger volume or volume flow is first divided to form the material flow mentioned and the material flow mentioned is then combined again with other material flows to form a material flow with a larger volume or volume flow.
  • at least one more can Material flow together with the respective material flow are subjected to part of the specified process steps.
  • the first compressed air flow is fed into the rectification column system, which does not exclude that this first compressed air flow is initially part of a compressed air flow provided at the first pressure level with a larger volume or volume flow, of which the first compressed air flow before or after cooling is branched off.
  • the first compressed air flow is fed in particular into the high-pressure column, but this does not rule out that further compressed air at the first pressure level is also fed into the low-pressure column, even after a corresponding cooling.
  • the second stream of compressed air is blown onto the first using an expansion turbine
  • the pressure level is relaxed and fed into the rectification column system. This in turn does not preclude further compressed air from being treated in a similar manner and fed into the rectification column system.
  • part of the second compressed air flow can be generated by means of the expansion turbine and another part by means of a
  • Relaxation valve can be relaxed. This is intended to include the statement that the second compressed air stream is expanded "using" an expansion turbine, since this formulation does not indicate that the expansion is carried out using the expansion machine exclusively. In particular, however, the entire second compressed air stream is expanded to the first pressure level by means of an expansion turbine. However, this does not rule out that parts of it can then be further relaxed. In particular, the entire second compressed air stream can be fed into the rectification column system, in particular completely into the high-pressure column, but also partly into the high-pressure column and partly, after further relaxation, into the low-pressure column, previously also in particular in the high-pressure column Phase separation can take place and a liquid phase which forms in the process is immediate, ie especially in unchanged material composition as in the
  • High pressure column removed again, supercooled and can be relaxed in the low pressure column. This can already be the case in the prior art, as is the case is illustrated, for example, in FIG. 1, even if this is not explicitly shown in FIG. 1.
  • the expansion turbine which is used in the context of the present invention for expanding the second compressed air stream, can in particular be coupled or braked to a generator in order to be able to obtain electrical current in this way.
  • a generator in order to be able to obtain electrical current in this way.
  • the expansion turbine does not relax air to a pressure level below the first pressure level, the first
  • Pressure level could be passed.
  • the present invention is particularly suitable for use in processes by means of which internally compressed air products are provided.
  • the present invention therefore includes that a liquid stream from the rectification column system (the high-pressure column, the low-pressure column or a possibly existing crude or crude and pure argon column) is carried out, then increased in the liquid state by heating in the gaseous or
  • Air separation plant is diverted.
  • the liquid material flow can initially be part of a liquid material flow with a larger volume or volume flow, for example.
  • so-called internally compressed oxygen, internally compressed nitrogen or internally compressed argon can be provided in the context of the present invention.
  • a corresponding air separation plant can in particular also have units for known types of argon. Also a deployment of
  • a temperature level to which the second compressed air stream is fed to the expansion machine is at least 10 K, in particular at least 15 K or at least 20 K, below the critical level
  • the second compressed air stream is fed to the expansion machine at a supercritical pressure.
  • the two-phase mixture formed comprises a liquid phase and a gaseous phase. In principle, these phases can be separated from one another, for example after a settling in a separator. In the context of the present invention, the addressed
  • Expansion turbine which is otherwise basically comparable to a known so-called liquid turbine, as it can be used to expand a throttle current in a conventional system, so not completely
  • the expansion turbine which is used to expand the second compressed air flow or its portion, is the only expansion turbine that is used in a corresponding air separation plant.
  • the expansion turbine advantageously, in addition to the expansion turbine, in particular for
  • Expansion turbines are used which are operated in such a way that a pure gas phase or a two-phase mixture with a gas fraction of more than 80% is present at their outlet.
  • an air separation plant designed according to the invention can be constructed and operated particularly cost-effectively.
  • Total flow (which includes the gas portion and the liquid portion). A corresponding percentage is calculated, for example, from the quotient of gas flow and total flow (each in standard cubic meters per hour) multiplied by 100%.
  • Corresponding expansion turbine which relaxes in the two-phase region in the context of the present invention, requires a certain (extremely low) temperature at the turbine inlet. This can only be achieved by means of the Joule-Thomson effect during slow cooling of the system with reduced air flow and without the internal compression pumps being operated.
  • EP 0 869 322 A1 discloses an air separation plant in which a single expansion turbine is used. However, in this one
  • DE 32 16 502 A1 also discloses an air separation plant with a turbine, at the outlet of which there is essentially a liquid.
  • This turbine is also one of several turbines, so that there is no suggestion to make a change in the direction of the invention, in particular not to operate a single turbine as a Joule-Thomson turbine with an increased proportion of gas at the outlet.
  • a method or a corresponding system can be created within the scope of the present invention, which can manage with significantly lower investment costs and a comparable energy requirement. This is especially true when compared to a system with two turbines, namely a gas turbine (Claude or Lachmann turbine) in combination with a Joule-Thomson turbine that replaces the classic Joule-Thomson valve. Compared to a conventional configuration with only a gas turbine and a Joule-Thomson valve (i.e. without a Joule-Thomson turbine), there are even significant energy savings within the scope of the present invention.
  • a method according to a particularly preferred embodiment of the invention comprises either no liquid air products or liquid air products in an amount of not more than 1 mole percent, in particular not more than 0.5 mole percent, of that
  • Rectification column system total air supplied are discharged from the air separation plant. Such a comparatively low liquid production leads to the corresponding system having comparatively small amounts of cold is "withdrawn” by these air products and therefore the process or the system manages with relatively small amounts of additionally produced cold.
  • an “air product that is discharged from an air separation plant” is understood to mean a fluid that no longer participates in internal circuits, but rather leaves the plant completely.
  • Rectification column system total air supplied.
  • the present invention is particularly suitable for processes in which internally compressed air products are provided at comparatively moderate pressure levels.
  • a particularly advantageous embodiment of the present invention therefore includes that the air product described in the
  • Internal compression process is provided, is discharged from the air separation plant at a pressure level of not more than 50 bar, in particular not more than 40 or not more than 30 bar.
  • the present invention is used in particular in so-called main compressor / post-compressor processes, as have also been explained above.
  • the first compressed air stream is compressed to the first pressure level by means of a first compression device, or the air is provided at this first pressure level from the outside of the air separation system, for example by means of a so-called air rail at the installation site.
  • the second compressed air stream is first brought to the first pressure level by means of the first compression device or likewise provided externally at the first pressure level and then to the pressure device by means of a second compression device third pressure level further compressed.
  • Compression device if present, can, in the context of the present invention, in particular be separate compressors in the form of a
  • main air compressor and the post-compressor or the first compression device and the second compression device can also be integrated together in one machine.
  • a multi-stage compressor can be used within the scope of the present invention, from which the first compressed air flow at an intermediate pressure level and the second compressed air flow at an end pressure level can be taken. In this case it is the first
  • the compressor stages can in particular be driven in synchronism with speed or at different speeds using a common drive.
  • any combination of compression devices or compressors is possible within the scope of the present invention, by means of which a corresponding compression can be carried out.
  • a temperature level to which the second compressed air stream is cooled is in the context of the present invention at the outlet from the
  • the second compressed air stream is cooled to a temperature level below the condensing temperature at a corresponding pressure level or to a temperature level significantly below the critical temperature for supercritical pressures.
  • the first compressed air stream is particularly close to the liquefaction temperature of air on the first
  • Pressure level but cooled at a certain distance, for example from 0.5 to 10 K above this.
  • the second compressed air stream already experiences liquefaction or cooling due to its higher pressure.
  • the first compressed air flow at the first pressure level is cooled in particular more deeply than the second compressed air flow at the third pressure level.
  • the first pressure level is in particular 5 to 7 bar absolute pressure.
  • the second pressure level can be in particular 1.1 to 2 bar absolute pressure.
  • the third pressure level can be, for example, approximately 50 to 90 bar absolute pressure, in particular approximately 80 bar absolute pressure.
  • the third pressure level is therefore in particular at a clearly supercritical pressure of at least 10 bar above the critical pressure.
  • the first and second pressure levels are typical pressure levels as they exist in the high and low pressure columns of known double column systems of air separation plants; the third pressure level corresponds to a typically used post-compressor pressure in one
  • Forms expansion turbine which is used in the at least partial expansion of the second compressed air flow to the first pressure level, is partially or completely fed into the high-pressure column and a liquid fraction is separated therefrom in the high-pressure column, and that the liquid fraction is partly or completely passed through a supercooling counterflow the second
  • the second compressed air stream is expanded to the first pressure level partly using the expansion turbine and partly using an expansion valve.
  • Pressure levels in corresponding relaxation devices arranged in parallel can in particular also take place in different, variable proportions as required.
  • the first and the second compressed air stream are completely into the rectification column system
  • the first compressed air stream in the context of the present invention can comprise 60 to 80 mole percent and the second compressed air stream can comprise the rest of the total air fed into the rectification column system.
  • the present invention also extends to an air separation plant for obtaining an air product, comprising a rectification column system comprising a high pressure column configured to operate at a first pressure level and a low pressure column configured to operate at a second pressure level below the first pressure level is.
  • a rectification column system comprising a high pressure column configured to operate at a first pressure level and a low pressure column configured to operate at a second pressure level below the first pressure level is.
  • FIG. 1 shows an air separation plant according to an embodiment not in accordance with the invention in the form of a simplified process flow diagram.
  • FIG. 2 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in the form of a simplified process flow diagram.
  • liquid material flows are illustrated by means of filled (black) and gaseous material flows by means of unfilled (white) flow arrows.
  • FIG. 1 An air separation plant according to an embodiment not according to the invention is illustrated in FIG. 1 and designated 200 overall.
  • FIG. 1 An air separation plant according to an embodiment not according to the invention is illustrated in FIG. 1 and designated 200 overall.
  • Air separation plant 200 a compressed air flow a is provided and in two
  • Partial streams b and c divided.
  • partial flow b After dividing the partial flow b into partial flows d and e, these are fed to a main heat exchanger 3 of the air separation plant 200 on the warm side.
  • the partial flow d is taken from the main heat exchanger 3 at an intermediate temperature level, expanded in a expansion turbine 210, which can in particular be mechanically coupled to a generator or an oil brake, and into one
  • High pressure column and a main condenser 13 which connects the high pressure column 11 and low pressure column 12 in a heat-exchanging manner.
  • the expansion turbine 210 is therefore a typical Lachmann turbine, for which reference is made to the introductory explanations.
  • the partial stream e is led to the cold end through the main heat exchanger of the air separation plant 200 and then fed into a lower region of the high-pressure column 11.
  • the partial flow c is subjected to a post-compression in a post-compressor 4, which is followed by an after-cooler (not designated separately).
  • Sub-stream c is then divided into further sub-streams f and g, which are each fed to the main heat exchanger 3 on the warm side.
  • the partial flow f is led to the cold end through the main heat exchanger 3 and expanded by means of an expansion turbine 5 or an expansion valve 6.
  • the expansion turbine 5 is a so-called Joule-Thomson expansion turbine, for which reference is also made to the above explanations.
  • the partial flow g is the main heat exchanger 3 on one
  • the expansion turbine 220 is a classic Claude expansion turbine and is shown in the conventional one
  • Turbine outlet operated. After its expansion, the material flow g is combined with the material flow e in the expansion turbine 220 and fed into the lower region of the high-pressure column 11.
  • a material stream h is removed from the sump of the high-pressure column 11, passed through a supercooling countercurrent 8, and expanded into the low-pressure column 12.
  • Nitrogen-rich overhead gas in the form of a stream i is drawn off from the top of the high-pressure column 11, which is partly passed through the main condenser 11 in the form of a stream k and is at least partially liquefied in the process. Again a part of it is fed back in the form of a material flow I to the high pressure column 11, a further part is led in the form of a material flow m through the supercooling countercurrent 8 and fed in at the top of the low pressure column 12 as a return.
  • PAN pressurized nitrogen
  • Main heat exchanger 3 heated and thereby converted into the gaseous or supercritical state. In this way, one that is internally compressed here
  • Pressurized oxygen product (PGOX) can be provided.
  • a gaseous stream p is discharged from an intermediate region of the low-pressure column 12, through which
  • a liquid retention device in the head region of the low-pressure column 12 separates out nitrogen-rich liquid, which can be drawn off in the form of a material flow r and made available as a liquid nitrogen product (LIN).
  • a gaseous fluid drawn off from the top of the high-pressure column 12 can be conducted in the form of a material flow s through the supercooling countercurrent and through the main heat exchanger 3, heated, and provided as a low-pressure nitrogen product (LPGAN).
  • FIG. 2 An air separation plant according to an embodiment of the invention is schematically illustrated in FIG. 2 and designated 100 overall. Components already illustrated in FIG. 1 and present here for a comparable purpose are indicated in FIG. 2 with identical reference symbols and become the
  • ambient air (A) is also drawn in here by means of a main air compressor 1 via a filter 2 and compressed to a pressure level, which is referred to here as the “first” pressure level.
  • Preparation steps 20 which can include cooling and purification, the compressed compressed air, which is illustrated here in the form of a stream a as shown in FIG. 1, is divided into sub-streams b and c, the first sub-stream b being here as the "first" throughout Compressed air flow and the partial flow c
  • second compressed air flow are hereby referred to as "second" compressed air flow.
  • first compressed air stream b is passed through without further division into two partial streams
  • Compressed air flow c is from the warm end to the cold end through the
  • Main heat exchanger 3 out.
  • Compressed air stream c are thus cooled in the main heat exchanger 3 in separate passages, as explained above.
  • the first compressed air flow b is fed into the lower region of the high pressure column 11 of the rectification column system 10, the second compressed air flow c is generated using the expansion turbine 5 and the
  • Relief valve 6 to the first pressure level, but not to a lower pressure level than the first pressure level, relaxed.
  • the relaxed compressed air flow c here denoted by t, is fed here into the high-pressure column 11 as a two-phase mixture that forms at the outlet of the at least one expansion turbine 5.
  • a liquid fraction is separated therefrom in a suitable liquid retention device. This liquid fraction, here designated u, is at least partially withdrawn from the high pressure column 11 through which
  • the operation of the air separation plant 100 illustrated in FIG. 2 otherwise corresponds to the operation of the air separation plant 100 illustrated in FIG. 1. However, no further expansion turbines 210 and 220 are used, and expansion takes place in the expansion turbine 5 in such a way that a considerable proportion of gas is present at the outlet of the expansion turbine .
  • in particular low-oxygen nitrogen can be used on a
  • Pressure levels of 5 to 6 bar are subtracted in the form of stream i and partially made available as a product.
  • the pressure of the pump 9 of the material flow o is increased in particular to a pressure level of 20 to 40 bar.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Gewinnung eines Luftprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Rektifikationssäulensystem (10), das eine Hochdrucksäule (11), die auf einem ersten Druckniveau betrieben wird, und eine Niederdrucksäule (12), die auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben wird aufweist, vor. Es ist vorgesehen, dass ein erster Druckluftstrom auf einem ersten Druckniveau und ein zweiter Druckluftstrom auf einem dritten Druckniveau oberhalb des ersten Druckniveaus bereitgestellt und einer Abkühlung unterworfen werden, der erste Druckluftstrom in das Rektifikationssäulensystem (11) eingespeist wird und der zweite Druckluftstrom unter Verwendung einer Entspannungsturbine (5) auf das erste Druckniveau, aber nicht auf ein geringeres Druckniveau als das erste Druckniveau, entspannt in das Rektifikationssäulensystem (11) eingespeist wird, und ein flüssiger Stoffstrom aus dem Rektifikationssäulensystem (10) ausgeführt und in flüssigem Zustand druckerhöht, in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und als das wenigstens eine Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Druckluftstrom der Entspannungsturbine (5), die bei der Entspannung des zweiten Druckluftstroms auf das erste Druckniveau verwendet wird, auf einem Temperaturniveau, das mindestens 10 K unterhalb der kritischen Temperatur liegt, zu geführt wird, dass diese Entspannungsturbine (5) derart betrieben wird, dass sich an deren Austritt ein Zweiphasengemisch bildet, das am Austritt einen Gasanteil von 5 bis 25%, bezogen auf das gesamte Zweiphasengemisch, aufweist, und dass keine weiteren Entspannungsturbinen zur Entspannung von Druckluft in dem Verfahren verwendet werden. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Tieftemperaturzerleauna von Luft und Luftzerleaunasanlaae
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Gewinnung eines Luftprodukts gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und
beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH,
2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den
Rektifikationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung, können Rektifikationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Auch wenn entsprechende Rektifikationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten nachfolgend nicht konkret thematisiert werden, können sie auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein.
Die Rektifikationssäulen der genannten Rektifikationssäulensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Doppelsäulensysteme weisen eine sogenannte Hochdrucksäule (auch als Drucksäule, Mitteldrucksäule oder untere Säule bezeichnet) und eine sogenannte Niederdrucksäule (auch als obere Säule bezeichnet) auf. Das Druckniveau der Hochdrucksäule liegt beispielsweise bei 4 bis 6 bar, vorzugsweise etwa 5,5 bar. Die Niederdrucksäule wird auf einem Druckniveau von beispielsweise 1 ,3 bis 1 ,7 bar, vorzugsweise etwa 1 ,5 bar, betrieben. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Druckniveaus handelt es sich jeweils um Absolutdrücke, die am Kopf der jeweils genannten Säulen vorliegen. Die genannten Werte stellen lediglich Beispiele dar, die bei Bedarf verändert werden können. Zur Luftzerlegung können sogenannte Hauptverdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren oder sogenannte
Hochluftdruck-( High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher
konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zum Einsatz.
Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Rektifikationssäulensystem 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 Hochdrucksäule liegt. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf das Druckniveau der Hochdrucksäule oder ein Druckniveau, das sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar von dem Druckniveau der
Hochdrucksäule unterscheidet, verdichtet, und auf diesem niedrigeren Druckniveau in die Hochdrucksäule eingespeist. Ein Beispiel für ein Hauptverdichter/Nachverdichter- Verfahren ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt.
Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die gesamte dem
Rektifikationssäulensystem insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf ein
Druckniveau verdichtet, das wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar oberhalb des Druckniveaus der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied kann beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar betragen. Hochluftdruck-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 980 514 A1 und der EP 2 963 367 A1 bekannt.
Die vorliegende Erfindung kommt insbesondere bei Luftzerlegungsanlagen mit sogenannter Innenverdichtung (IV, Internal Compression, IC) zum Einsatz. Hierbei wird wenigstens ein Produkt, das mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, dadurch gebildet, dass dem Rektifikationssäulensystem eine tiefkalte Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung unterworfen, und, je nach dem vorliegenden Druck, durch Erwärmen entweder in den gasförmigen oder in den überkritischen Zustand überführt wird. Beispielsweise kann mittels Innenverdichtung innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff (GOX IV, GOX IC), innenverdichteter gasförmiger Stickstoff (GAN IV, GAN IC) oder innenverdichtetes gasförmiges Argon (GAR IV, GAR IC) erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von technischen Vorteilen gegenüber einer grundsätzlich ebenfalls möglichen externen Verdichtung entsprechender Produkte und ist in der Fachliteratur, beispielsweise bei Häring (s.o.), Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert.
In der EP 0 869 322 A1 ist eine Luftzerlegungsanlage offenbart, in der eine einzige Entspannungsturbine verwendet wird. In dieser wird ein Flüssigstrom gebildet, der einen Gasanteil von weniger als 5% aufweist. Es handelt sich somit um eine klassische Flüssigturbine, wie sie auch weiter unten noch erläutert ist.
Auch in der DE 32 16 502 A1 ist eine Luftzerlegungsanlage mit einer Turbine offenbart, an deren Austritt im Wesentlichen eine Flüssigkeit vorliegt. Ein Gasanteil soll bei maximal 10% liegen. Diese Turbine ist eine von mehreren Turbinen. Ein weiteres Verfahren, in dem eine Turbine verwendet wird, an deren Austritt ein geringer
Gasanteil vorliegen soll, ist aus der EP 3 312 533 A1 bekannt. Weitere Verfahren zur Luftzerlegung sind in der EP 1 189 003 A1 und der EP 1 310 753 A1 offenbart.
Eine Turbine, in der am Austritt ein Zweiphasengemisch mit einem Gasanteil von 10 bis 50 Molprozent, insbesondere von 15 bis 30 Molprozent, gebildet wird, ist aus der US 5,564,290 A bekannt. Die Turbine weist geometrische Änderungen auf, die einen entsprechenden Gasanteil erlauben. Die Turbine ist eine von mehreren Turbinen und soll mit einem Fluid gespeist werden, das auf eine Temperatur abgekühlt wird, die gerade unterhalb der Verflüssigungstemperatur bei einer Verdichtung auf einen unterkritischen Druck bzw. gerade unterhalb der kritischen Temperatur bei einer Verdichtung auf einen überkritischen Druck liegt.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Gewinnung von Luftprodukten unter Verwendung von Luftzerlegungsanlagen, die zur Innenverdichtung eingerichtet sind, zu verbessern und einfacher und kostengünstiger auszugestalten.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage zur Gewinnung eines Luftprodukts mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen
Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Nachfolgend werden zunächst einige bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile verwendete Begriffe sowie der zugrunde liegende technische
Hintergrund näher erläutert.
Wie unter Bezugnahme auf die unten weiter erläuterte Figur 1 veranschaulicht, können in typischen, zur Innenverdichtung eingerichteten Luftzerlegungsanlagen zur
Kälteerzeugung und Verflüssigung von Stoffströmen an unterschiedlichen Stellen Turboexpander, kurz auch als "Turbinen" bezeichnet, eingesetzt werden, wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Nachfolgend ist insbesondere von "Joule-Thomson- Turbinen", "Claude-Turbinen", "Lachmann-Turbinen" und "Druckstickstoff-Turbinen" die Rede. Zur Funktion und zum Zweck entsprechender Turbinen wird ergänzend zu den nachfolgenden Erläuterungen 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.
In einer Joule-Thomson-Turbine wird in einer Luftzerlegungsanlage ein Hochdruck- Luftstrom entspannt. Dieser Strom ist zum Verdampfen und Anwärmen von
innenverdichteten Produkten notwendig. In den meisten Fällen wird diese Druckluft vor Entspannung spürbar unterkühlt bzw. relativ tief im überkritischen Zustand abgekühlt und nach Entspannung in die Hochdrucksäule eines Doppelsäulensystems geleitet.
Die Joule-Thomson-Turbine übernimmt damit die Rolle eines Entspannungsventils, mittels dessen in herkömmlichen Anlagen ein sogenannter Drosselstrom in die
Hochdrucksäule entspannt wird.
Mittels einer Claude-Turbine wird im Fall eines Doppelsäulensystems abgekühlte Druckluft von einem höheren Druckniveau auf das Druckniveau der Hochdrucksäule entspannt und in diese eingespeist. Mittels einer Lachmann-Turbine wird abgekühlte Druckluft hingegen auf das Druckniveau der Niederdrucksäule entspannt und in diese eingespeist. Eine Claude-Turbine wird auch als Mitteldruckturbine und eine Lachmann- Turbine auch als Niederdruckturbine bezeichnet. Claude- und Lachmann-Turbinen wird die Druckluft auf höheren Temperaturniveaus zugeführt als Joule-Thomson-Turbinen, so dass sich bei der Entspannung keine (nennenswerte) Verflüssigung einstellt. Die beiden Turbinen werden im Zusammenhang mit Luftzerlegungsanlagen auch als "Gasturbinen" bezeichnet. Mittels einer Druckstickstoff-Turbine wird schließlich
Stickstoff bzw. ein stickstoffreiches Fluid aus der Hochdrucksäule entspannt.
Typischerweise werden in zur Innenverdichtung eingerichteten Luftzerlegungsanlagen eine Joule-Thomson-Turbine zusammen mit entweder einer Claude-Turbine oder einer Lachmann-Turbine eingesetzt. Es kann auch unter Verzicht auf eine Joule-Thomson- Turbine lediglich eine Claude- oder eine Lachmann-Turbine eingesetzt werden. In allen Fällen dient die Verwendung entsprechender Turbinen zur Kompensation von
Exergieverlusten und Wärmelecks. Die Verwendung einer Joule-Thomson-Turbine zusammen mit entweder einer Claude-Turbine oder einer Lachmann-Turbine hat energetische Vorteile, führt jedoch gegenüber einer Anordnung, bei der lediglich eine Claude-Turbine oder einer Lachmann-Turbine eingesetzt wird, offensichtlich zu deutlich höheren Investitionskosten.
Das von F. Linde zu Beginn des 20. Jahrhunderts vorgeschlagene Verfahren zur Luftverflüssigung kommt völlig ohne Turbinen aus und bedient sich lediglich des Joule- Thomson-Effekts. Allerdings wird hier keine Innenverdichtung vorgenommen und das Verfahren benötigt Drücke von über 100 bar. Details sind bei Kerry (s.o.), Abschnitt 2.5, "Linde Cycle (Free Expansion through a Valve)", angegeben.
Die weiteren in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus", beschrieben. Sofern die nachfolgenden Definitionen nicht hiervon abweichen, wird daher zum Sprachgebrauch, der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, ausdrücklich auf die zitierte Fachliteratur verwiesen.
Flüssigkeiten und Gase können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder an mehreren Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 10%, 5%, 1%, 0,1 % oder 0,01 % auf Mol-, Gewichts- oder
Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der Definition von "reich" entsprechen. Flüssigkeiten und Gase können angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen Gehalt in einer Ausgangsflüssigkeit oder einem Ausgangsgas beziehen, aus der oder dem die jeweils betrachtete Flüssigkeit oder das jeweils betrachtete Gas gewonnen wurde. Die Flüssigkeit oder das Gas ist "angereichert", wenn diese oder dieses zumindest den 1 ,1 -fachen, 1 ,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, und "abgereichert", wenn diese oder dieses höchstens den 0,9-fachen, 0,5- fachen, 0,1-fachen, 0,01-fachen oder 0,001 -fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf die Ausgangsflüssigkeit oder das Ausgangsgas enthält. Ist hier beispielsweise von "Sauerstoff" oder "Stickstoff" die Rede, sei hierunter auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, die oder das reich an Sauerstoff oder Stickstoff ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss.
Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und
Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen in einer
entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5% oder 10% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende
Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei dem hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
Vorteile der Erfindung
Turbinen tragen signifikant zu den Erstellungskosten einer Luftzerlegungsanlage bei. Daher sollte die Anzahl von Turbinen aus Erstellungskostensicht so gering wie möglich sein. Allerdings verringern Turbinen durch die erzielbaren Energieeinsparungen die Betriebskosten einer entsprechenden Anlage, so dass hier ein Zielkonflikt besteht. Dieser wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen gelöst. Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung wird eine Reduzierung der Anzahl von
Turbinen möglich, ohne den Energieverbrauch einer entsprechenden Anlage auf diese Weise signifikant negativ zu beeinflussen.
Die Auslegung entsprechender Verfahren ist herkömmlicherweise durch die
geforderten Austrittsbedingungen an den Turbinen limitiert: Der geforderte minimale Gas- bzw. Dampfanteil am Austritt einer Claude-Turbine oder einer Lachmann-Turbine liegt typischerweise bei mindestens 90% (es sind also maximal 10% Flüssiganteil vorhanden). Spezifisch als Flüssigturbinen ausgebildete Joule-Thomson-Turbinen werden hingegen typischerweise völlig ohne Gas- bzw. Dampfanteil am Austritt betrieben, d.h. in ihnen erfolgt eine vollständige Verflüssigung.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, die Joule-Thomson-Turbine als einzige Turbine in einem entsprechenden Verfahren einzusetzen, an dieser aber eine Expansion ins Zweiphasengebiet vorzunehmen. Die vorliegende Erfindung erzielt auf diese Weise die bereits angesprochenen Vorteile. Die vorliegende Erfindung eignet sich dabei insbesondere für Anwendungen mit vergleichsweise geringem Kältebedarf, also solche Verfahren, in denen vergleichsweise geringe Mengen an Flüssigprodukten bereitgestellt werden, und bei denen vergleichsweise geringe Innenverdichtungsdrücke vorliegen. Ferner ist die vorliegende Erfindung insbesondere bei Einsatz forcierter Rektifikationsbedingungen verwendbar, beispielsweise wenn der Hochdrucksäule vergleichsweise große Mengen stickstoffreicher Fluide entnommen werden.
Entsprechende "forcierte Rektifikationsbedingungen" liegen im hier verwendeten Sprachgebrauch insbesondere dann vor, wenn ein sogenanntes Einblaseäquivalent mehr als 10 oder mehr als 15% beträgt. Das Einblaseäquivalent bezeichnet dabei die Menge (insbesondere in Molanteilen) der in die Niederdrucksäule eingespeisten Luft zuzüglich des der Hochdrucksäule entnommenen und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführten Stickstoffs, und zwar im Verhältnis zur gesamten, dem
Destillationssäulensystem zugeführten Luft.
Das Einblaseäquivalent ist also definiert als die Menge der verdichteten und mittels einer Einblaseturbine in die Niederdrucksäule einer Luftzerlegungsanlage entspannten Druckluft zuzüglich der Menge des Stickstoffs, der ggf. der Hochdrucksäule
entnommen und weder als flüssiger Rücklauf in die Hochdrucksäule selbst
zurückgeführt noch als flüssiger Rücklauf auf die Niederdrucksäule aufgegeben wird, bezogen auf die gesamte in das Destillationssäulensystem eingespeiste Druckluft. Es versteht sich, dass entweder die Menge der in die Niederdrucksäule einer
Luftzerlegungsanlage entspannten Druckluft oder die Menge des Stickstoffs, der der Hochdrucksäule entnommen und weder als flüssiger Rücklauf in die Hochdrucksäule selbst zurückgeführt noch als flüssiger Rücklauf auf die Niederdrucksäule aufgegeben wird, auch jeweils null sein kann. Der Stickstoff, der der Hochdrucksäule entnommen wird, kann reiner oder im Wesentlichen reiner Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule sein, aber auch ein an Stickstoff angereichertes Gas oder eine entsprechende
Flüssigkeit, das oder die mit geringerem Stickstoffgehalt aus einem Bereich unterhalb des Kopfs aus der Hochdrucksäule abgezogen werden kann.
Wird in einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage eine Einblaseturbine eingesetzt und in dieser eine Menge M1 an Druckluft entspannt, eine Menge M2 Stickstoff der Hochdrucksäule entnommen und als flüssiges und/oder gasförmiges Stickstoffprodukt der Luftzerlegungsanlage entnommen, d.h. nicht als Rücklauf auf die Hoch- und/oder die Niederdrucksäule verwendet, und eine Menge M3 an Druckluft dem
Destillationssäulensystem insgesamt zugeführt, ergibt sich das Einblaseäquivalent E in einer entsprechenden Anlage zu E = (M1 + M2) / M3. Grundsätzlich ermöglicht die Erhöhung des Einblaseäquivalents in einer Luftzerlegungsanlage eine Verringerung des Energiebedarfs.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Gewinnung eines Luftprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage mit einem Rektifikationssäulensystem vor, das eine Hochdrucksäule, die auf einem ersten Druckniveau betrieben wird, und eine Niederdrucksäule, die auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben wird aufweist. Das Rektifikationssäulensystem kann in grundsätzlich bekannter Weise, insbesondere als Doppelsäule, ausgebildet sein oder eine entsprechende Doppelsäule umfassen. Die Hoch- und die Niederdrucksäule sind dabei über einen Hauptkondensator verbunden, der Kopfgas der Hochdrucksäule teilweise verflüssigt, um dieses als Rücklauf auf die Hochdrucksäule zurückführen zu können, und der Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule verdampft. Der
Hauptkondensator kann als innen- oder außenliegender Hauptkondensator ausgebildet sein. Auch andere Konfigurationen des Rektifikationssäulensystems sind grundsätzlich möglich. Insbesondere kann das Rektifikationssäulensystem weitere
Rektifikationssäulen, insbesondere zur Argongewinnung, aufweisen. Zu Details sei auf die zitierte Fachliteratur verwiesen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein erster Druckluftstrom auf einem ersten Druckniveau und ein zweiter Druckluftstrom auf einem dritten Druckniveau, das oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, bereitgestellt und jeweils auf dem ersten bzw. dritten Druckniveau einer Abkühlung unterworfen. Die verwendbaren Druckniveaus werden unten im Detail erläutert. Die Abkühlung kann insbesondere in einem
Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage durchgeführt werden, dem der erste und der zweite Druckluftstrom warmseitig zugeführt und kaltseitig entnommen werden. Die Abkühlung erfolgt dabei insbesondere auf unterschiedliche Temperaturniveaus und in unterschiedlichen Passagen des Hauptwärmetauschers. Auch hierzu sind Details unten angegeben. Insbesondere kann der erste Druckluftstrom auf dem ersten Druckniveau einer Abkühlung auf ein tieferes Druckniveau unterworfen werden als der zweite Druckluftstrom auf dem dritten Druckniveau. Der erste und der zweite
Druckluftstrom werden insbesondere mittels eines Hauptluftverdichters einerseits bzw. mittels des Hauptluftverdichters und eines Nachverdichters andererseits verdichtet, wie ebenfalls unten im Detail erläutert. Der erste und der zweite Druckluftstrom bestehen aus aufgereinigter Druckluft, die auf bekannte Weise getrocknet und insbesondere von Kohlendioxid und ggf. weiteren Verunreinigungen befreit wurde.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der erste Druckluftstrom in das
Rektifikationssäulensystem eingespeist. Die Einspeisung erfolgt insbesondere in die Hochdrucksäule. Der zweite Druckluftstrom wird unter Verwendung einer
Entspannungsturbine auf das erste Druckniveau aber nicht auf ein geringeres
Druckniveau als das erste Druckniveau entspannt und in das
Rektifikationssäulensystem eingespeist.
Ist hier davon die Rede, dass ein Stoffstrom, beispielsweise ein Druckluftstrom, bestimmten Verfahrensschritten unterworfen wird, schließt dies jeweils nicht aus, dass dieser Stoffstrom einem Teil dieser Verfahrensschritte auch als Teil eines Stoffstroms mit größerem Volumen- oder Mengenstrom unterworfen werden kann. Der jeweils genannte Stoffstrom kann dabei an beliebiger Stelle von dem Stoffstrom mit dem größerem Volumen- oder Mengenstrom abgezweigt oder an beliebiger Stelle mit einem weiteren Stoffstrom zu dem Stoffstrom mit dem größerem Volumen- oder
Mengenstrom vereinigt werden. Es ist beispielsweise auch möglich, dass ein
Stoffstrom mit größerem Volumen- oder Mengenstrom zunächst unter Bildung des genannten Stoffstroms aufgeteilt wird und der genannte Stoffstrom anschließend wieder mit weiteren Stoffströmen zu einem Stoffstrom mit größerem Volumen- oder Mengenstrom vereinigt wird. Anders ausgedrückt kann wenigstens ein weiterer Stoffstrom zusammen mit dem jeweils genannten Stoffstrom einem Teil der angegebenen Verfahrensschritte unterworfen werden.
So wird, wie erwähnt, der erste Druckluftstrom in das Rektifikationssäulensystem eingespeist, was nicht ausschließt, dass dieser erste Druckluftstrom zunächst ein Teil eines auf dem ersten Druckniveau bereitgestellten Druckluftstroms mit größerem Volumen- oder Mengenstrom ist, von dem der erste Druckluftstrom vor oder nach der Abkühlung abgezweigt wird. Die Einspeisung des ersten Druckluftstroms erfolgt, wie ferner erwähnt, insbesondere in die Hochdrucksäule, was aber nicht ausschließt, dass weitere Druckluft auf dem ersten Druckniveau, auch nach einer entsprechenden Abkühlung, in die Niederdrucksäule eingespeist wird. Wie erwähnt, wird der zweite Druckluftstrom unter Verwendung einer Entspannungsturbine auf das erste
Druckniveau entspannt und in das Rektifikationssäulensystem eingespeist. Dies wiederum schließt nicht aus, dass weitere Druckluft in ähnlicher Weise behandelt und in das Rektifikationssäulensystem eingespeist wird.
Wie auch unten erläutert, kann insbesondere ein Teil des zweiten Druckluftstroms mittels der Entspannungsturbine und ein weiterer Teil mittels eines
Entspannungsventils entspannt werden. Dies soll von der Angabe umfasst sein, wonach der zweite Druckluftstrom "unter Verwendung" einer Entspannungsturbine entspannt wird, da diese Formulierung nicht angibt, dass die Entspannung unter ausschließlicher Verwendung der Entspannungsmaschine erfolgt. Insbesondere wird aber der gesamte zweite Druckluftstrom mittels einer Entspannungsturbine auf das erste Druckniveau entspannt. Dies schließt aber wiederum nicht aus, dass Teile hiervon anschließend weiter entspannt werden können. Insbesondere kann der gesamte zweite Druckluftstrom in das Rektifikationssäulensystem eingespeist werden, und zwar insbesondere vollständig in die Hochdrucksäule, aber auch zu einem Teil in die Hochdrucksäule und zu einem anderen Teil, nach weiterer Entspannung, in die Niederdrucksäule, wobei zuvor auch insbesondere in der Hochdrucksäule eine Phasentrennung erfolgen kann und eine sich dabei bildende Flüssigphase unmittelbar, d.h. insbesondere in unveränderter stofflicher Zusammensetzung wie in dem
Zweiphasengemisch des zweiten Druckluftstroms oder auch nach Mischung mit der in der Hochdrucksäule herabfließenden Flüssigkeit an der gleichen Stelle der
Hochdrucksäule, wieder abgezogen, unterkühlt und in die Niederdrucksäule entspannt werden kann. Dies kann auch im Stand der Technik bereits der Fall sein, wie er beispielsweise in Figur 1 veranschaulicht ist, auch wenn dies in Figur 1 nicht explizit gezeigt ist. Die Entspannungsturbine, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Entspannung des zweiten Druckluftstroms eingesetzt wird, kann insbesondere mit einem Generator gekoppelt bzw. gebremst werden, um auf diese Weise elektrischen Strom gewinnen zu können. Es versteht sich jedoch, dass im Rahmen der
vorliegenden Erfindung grundsätzlich auch andere Möglichkeiten zur Bremsung einer entsprechenden Entspannungsturbine, beispielsweise Ölbremsen, eingesetzt werden können. Der zweite Druckluftstrom wird, soweit er in der Entspannungsturbine entspannt wird, auf dem ersten Druckniveau der Entspannungsturbine entnommen; das erste Druckniveau stellt also ein Entnahmedruckniveau aus der
Entspannungsturbine dar. Die Entspannungsturbine entspannt also keine Luft auf ein unterhalb des ersten Druckniveaus liegendes Druckniveau, wobei das erste
Druckniveau durchlaufen werden könnte.
Wie bereits erwähnt, ist die vorliegende Erfindung insbesondere zum Einsatz in Verfahren geeignet, mittels derer innenverdichtete Luftprodukte bereitgestellt werden. Die vorliegende Erfindung umfasst daher, dass ein flüssiger Stoffstrom aus dem Rektifikationssäulensystem (der Hochdrucksäule, der Niederdrucksäule oder einer ggfs vorhandenen Roh- oder Roh- und Reinargonsäule) ausgeführt, anschließend in flüssigem Zustand druckerhöht, durch Erwärmen in den gasförmigen oder
überkritischen Zustand überführt, und als das Luftprodukt aus der
Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird. Auch hier versteht sich, dass der flüssige Stoffstrom beispielsweise zunächst Teil eines flüssigen Stoffstroms mit größerem Volumen- oder Mengenstroms sein kann. Auf diese Weise können im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere sogenannter innenverdichteter Sauerstoff, innenverdichteter Stickstoff oder innenverdichtetes Argon bereitgestellt werden. Wie erwähnt, kann eine entsprechende Luftzerlegungsanlage insbesondere auch Einheiten zur Argongewinnung bekannter Art aufweisen. Auch eine Bereitstellung von
innenverdichteten Luftprodukten gleicher Zusammensetzung jedoch unterschiedlicher Drücke ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich möglich,
beispielsweise indem diese in unterschiedlichem Umfang druckbeaufschlagt werden. Die Überführung in den gasförmigen oder überkritischen Zustand erfolgt insbesondere im Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage im Gegenstrom zu einem
abzukühlenden Stoffstrom, insbesondere dem ersten und/oder zweiten Luftdruckstrom. Liegen der oder die flüssigen Stoffströme dabei nach der Druckerhöhung auf einem überkritischen Druckniveau vor, kommt es bei einer entsprechenden Erwärmung zu keiner Verdampfung im klassischen Sinn, sondern zur Überführung in den
überkritischen Zustand, also einer "Pseudoverdampfung".
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde als besonders vorteilhaft erkannt, wenn die Entspannung des zweiten Druckluftstroms oder eines entsprechenden Anteils davon unter Verwendung der Entspannungsturbine derart durchgeführt wird, dass sich an deren Austritt ein Zweiphasengemisch mit dem nachfolgend erwähnten Gasanteil bildet. Der Entspannungsturbine wird dabei der zweite Druckluftstrom oder dessen hier entspannter Anteil insbesondere in rein flüssigem bzw. überkritischem Zustand zugeführt. Erfindungsgemäß liegt dabei ein Temperaturniveau, auf das der zweite Druckluftstrom der Entspannungsmaschine zugeführt wird, mindestens 10 K, insbesondere mindestens 15 K oder mindestens 20 K, unterhalb der kritischen
Temperatur. Der zweite Druckluftstrom wird der Entspannungsmaschine auf einem überkritischen Druck zugeführt. Das gebildete Zweiphasengemisch umfasst eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase. Diese Phasen können grundsätzlich, beispielsweise nach einer Beruhigung in einem Abscheider, voneinander getrennt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die angesprochene
Entspannungsturbine, die ansonsten grundsätzlich einer bekannten sogenannten Flüssigturbine vergleichbar ist, wie sie zur Entspannung eines Drosselstroms in einer herkömmlichen Anlage eingesetzt werden kann, also nicht unter vollständiger
Verflüssigung des entspannten Fluids sondern nur unter Teilverflüssigung des Fluids betrieben. Ein derartiger Betrieb wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft erkannt. Mit anderen Worten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung also die Entspannung eines Drosselstroms in das Zweiphasengebiet vorgesehen, wohingegen in herkömmlichen Anlagen eine entsprechende Entspannung unter vollständiger Verflüssigung erfolgt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung stellt die Entspannungsturbine, die zur Entspannung des zweiten Druckluftstroms oder dessen Anteil verwendet wird, die einzige Entspannungsturbine dar, die in einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage eingesetzt wird. Mit anderen Worten wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise zusätzlich zur der Entspannungsturbine, insbesondere zur
Entspannung von Druckluft, keine andere Entspannungsturbine verwendet.
Insbesondere werden im Rahmen der Erfindung aber keine klassischen "Gasturbinen" als Entspannungsturbinen verwendet, es werden also vorteilhafterweise keine
Entspannungsturbinen eingesetzt, die derartig betrieben werden, dass an ihrem Austritt eine reine Gasphase oder ein Zweiphasengemisch mit einem Gasanteil von mehr als 80% vorliegen. Durch den Verzicht auf entsprechende weitere Turbinen kann eine erfindungsgemäß ausgebildete Luftzerlegungsanlage besonders kostengünstig erstellt und betrieben werden.
Die Prozentangabe bezüglich des Gasanteils wird hier und nachfolgend insbesondere in Normvolumen- bzw. Massenanteilen ausgedrückt und bezieht sich auf den
Gesamtstrom (der den Gasanteil und den Flüssiganteil umfasst). Eine entsprechende Prozentangabe errechnet sich also beispielsweise aus dem Quotienten von Gasstrom und Gesamtstrom (jeweils in Normkubikmetern pro Stunde), multipliziert mit 100%.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde als besonders vorteilhaft erkannt, die Entspannungsturbine derart zu betreiben, dass das Zweiphasengemisch am Austritt der Entspannungsturbine einen Gasanteil von 5 bis 25%, im obigen Sinn bezogen auf das gesamte Zweiphasengemisch, insbesondere von 10 bis 25% oder von 10 bis 20%, aufweist. Dies ist daher erfindungsgemäß vorgesehen. Der Betrieb einer
entsprechenden Entspannungsturbine, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung in das Zweiphasengebiet entspannt, erfordert eine bestimmte (ausgesprochen niedrige) Temperatur am Turbineneintritt. Diese kann mittels des Joule-Thomson-Effekts nur während einer langsamen Abkühlung der Anlage mit reduziertem Luftfluss und ohne betriebene Innenverdichtungspumpen erreicht werden.
Wie erwähnt, ist in der EP 0 869 322 A1 eine Luftzerlegungsanlage offenbart, in der eine einzige Entspannungsturbine verwendet wird. In dieser wird jedoch ein
Flüssigstrom ohne nennenswerten Gasanteil gebildet. Die Entspannungsturbine entspannt dort ferner Luft auf das Druckniveau einer Niederdrucksäule, also das zweite Druckniveau gemäß der hier verwendeten Terminologie. Es handelt sich also um eine Lachmann-Turbine. Eine Anregung, in einer Luftzerlegungsanlage statt einer einzigen Lachmann-Turbine eine einzige Joule-Thomson-Turbine zu verwenden und diese zudem mit höherem Gasanteil am Austritt zu betreiben, findet sich in diesem Stand der Technik nicht. Die US 5,564,290 A offenbart zwar die Verwendung einer Turbine mit erhöhtem Gasanteil am Austritt, diese stellt aber nur eine von mehreren Turbinen dar, und wird mit einem Fluid gespeist, das auf eine Temperatur abgekühlt wird, die gerade unterhalb der Verflüssigungstemperatur bei einer Verdichtung auf einen unterkritischen Druck bzw. gerade unterhalb der kritischen Temperatur bei einer Verdichtung auf einen überkritischen Druck liegt. Dies führt von der vorliegenden Erfindung weg. Eine einzige Turbine als Joule-Thomson-Turbine mit erhöhtem Gasanteil am Austritt zu betreiben, ist auch in Kombination nicht nahegelegt.
Auch der DE 32 16 502 A1 ist eine Luftzerlegungsanlage mit einer Turbine offenbart, an deren Austritt im Wesentlichen eine Flüssigkeit vorliegt. Diese Turbine ist ferner eine von mehreren Turbinen, so dass keine Anregung besteht eine Änderung in Richtung der Erfindung vorzunehmen, insbesondere nicht dahingehend, eine einzige Turbine als Joule-Thomson-Turbine mit erhöhtem Gasanteil am Austritt zu betreiben.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine entsprechende Anlage ohne Gasturbinen dennoch unter Verwendung vergleichsweiser moderater Drücke, beispielsweise maximal 80 bar, betrieben werden, wohingegen die klassischen Linde- Luftzerlegungsanlagen vom Beginn des 20. Jahrhunderts bei Drücken von deutlich mehr als 100 bar betrieben werden müssen. Zu Details sei auf die obigen
Erläuterungen verwiesen. Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bzw. eine entsprechende Anlage geschaffen werden, das bzw. die mit deutlich geringeren Investitionskosten bei vergleichbarem Energiebedarf auskommen. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu einer Anlage mit zwei Turbinen, nämlich einer Gasturbine (Claude- oder Lachmann-Turbine) in Kombination mit einer das klassische Joule-Thomson-Ventil ersetzenden Joule-Thomson-Turbine. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Konfiguration mit lediglich einer Gasturbine und einem Joule-Thomson- Ventil (d.h. ohne Joule-Thomson-Turbine) ergeben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung sogar deutliche Energieeinsparungen.
Wie ebenfalls bereits zuvor angesprochen, eignet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren insbesondere für Fälle, in denen vergleichsweise geringe Mengen flüssiger Luftprodukte bereitgestellt werden. So umfasst ein Verfahren gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, das entweder keine flüssigen Luftprodukte oder flüssige Luftprodukte in einer Menge von nicht mehr als 1 Molprozent, insbesondere nicht mehr als 0,5 Molprozent, der dem
Rektifikationssäulensystem insgesamt zugeführten Luft aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Eine derartige, vergleichsweise geringe Flüssigproduktion führt dazu, dass der entsprechenden Anlage vergleichsweise geringe Mengen an Kälte durch diese Luftprodukte "entzogen" wird und daher das Verfahren bzw. die Anlage mit relativ geringen Mengen zusätzlich produzierter Kälte auskommt.
Unter einem "Luftprodukt, das aus einer Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird", sei im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein Fluid verstanden, das nicht mehr an anlageninternen Kreisläufen teilnimmt, sondern die Anlage vollständig verlässt.
Insbesondere wird ein derartiges Fluid nicht mehr, auch nicht zum Teil, in das
Rektifikationssäulensystem eingespeist.
Ist hier davon die Rede, dass in einer entsprechenden Anlage keine flüssigen
Luftprodukte ausgeleitet werden, schließt dies nicht aus, dass aus bestimmten
Apparaten bzw. Bereichen der Anlage, insbesondere zeitweise, geringe Stoffmengen ausgeleitet werden können, beispielsweise um die Anreicherung von unerwünschten Komponenten zu verhindern, beispielsweise die Anreicherung von Methan in einem Sumpf der Niederdrucksäule. Die Menge entsprechend ausgeführter Stoffströme liegt jedoch deutlich unter den erwähnten bzw. 0,5 Molprozent der dem
Rektifikationssäulensystem insgesamt zugeführten Luft.
Ferner eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere für solche Verfahren, bei denen innenverdichtete Luftprodukte auf vergleichsweise moderaten Druckniveaus bereitgestellt werden. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst daher, dass das Luftprodukt, das in dem erläuterten
Innenverdichtungsverfahren bereitgestellt wird, auf einem Druckniveau von nicht mehr als 50 bar, insbesondere nicht mehr als 40 oder nicht mehr als 30 bar, aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird.
Die vorliegende Erfindung kommt insbesondere in sogenannten Hauptverdichter- Nachverdichter-Verfahren zum Einsatz, wie sie ebenfalls bereits zuvor erläutert wurden. In einem derartigen Verfahren wird der erste Druckluftstrom mittels einer ersten Verdichtungseinrichtung auf das erste Druckniveau verdichtet bzw. die Luft wird auf diesem ersten Druckniveau von extern der Luftzerlegungsanlage, beispielsweise mittels einer am Aufstellungsort vorhandenen sogenannten Luftschiene bereitgestellt. Der zweite Druckluftstrom wird zunächst mittels der ersten Verdichtungseinrichtung auf das erste Druckniveau gebracht oder ebenfalls von extern auf dem ersten Druckniveau bereitgestellt und anschließend mittels einer zweiten Verdichtungseinrichtung auf das dritte Druckniveau weiter verdichtet. Bei der ersten und der zweiten
Verdichtungseinrichtung kann es sich, falls vorhanden, im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere um voneinander getrennte Verdichter in Form eines
Hauptluftverdichters und eines Nachverdichters handeln.
Der Hauptluftverdichter und der Nachverdichter bzw. die erste Verdichtungseinrichtung und die zweite Verdichtungseinrichtung können jedoch auch gemeinsam in einer Maschine integriert sein. Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein mehrstufiger Verdichter eingesetzt werden, dem der erste Druckluftstrom auf einem Zwischendruckniveau und der zweite Druckluftstrom auf einem Enddruckniveau entnommen werden kann. In diesem Fall handelt es sich bei der ersten
Verdichtungseinrichtung um einen Teil der Verdichterstufen der gemeinsamen
Maschine, und bei der zweiten Verdichtungseinrichtung um einen weiteren Teil der Verdichterstufen dieser Maschine. Die Verdichterstufen können insbesondere drehzahlsynchron oder drehzahlunterschiedlich unter Einsatz eines gemeinsamen Antriebs angetrieben werden. Grundsätzlich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch jede Kombination von Verdichtungseinrichtungen bzw. Verdichtern möglich, mittels derer eine entsprechende Verdichtung vorgenommen werden kann.
Vorteilhafterweise liegt ein Temperaturniveau, auf das der zweite Druckluftstrom abgekühlt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung am Austritt aus dem
Hauptwärmetauscher bei -150 bis -180 °C. Dieses Temperaturniveau liegt
vorteilhafterweise insbesondere bei -155 bis -170 °C. Der zweite Druckluftstrom wird auf ein Temperaturniveau unterhalb der Verflüssigungstemperatur auf einem entsprechenden Druckniveau bzw. auf ein Temperaturniveau deutlich unter der kritischen Temperatur für überkritische Drücke abgekühlt. Der erste Druckluftstrom wird insbesondere nahe der Verflüssigungstemperatur von Luft auf dem ersten
Druckniveau, jedoch in einem gewissen Abstand, beispielsweise von 0,5 bis 10 K oberhalb dieser abgekühlt. Mit anderen Worten erfährt der zweite Druckluftstrom bei der Abkühlung aufgrund seines höheren Drucks bereits eine Verflüssigung bzw.
Temperaturabsenkung deutlich unter dem kritischen Punkt, wohingegen der erste Druckluftstrom im gasförmigen Zustand bleibt. Der erste Druckluftstrom auf dem ersten Druckniveau wird dabei insbesondere tiefer abgekühlt als der zweite Druckluftstrom auf dem dritten Druckniveau. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt das erste Druckniveau insbesondere bei 5 bis 7 bar Absolutdruck. Das zweite Druckniveau kann insbesondere bei 1 ,1 bis 2 bar Absolutdruck liegen. Das dritte Druckniveau kann beispielsweise bei ca. 50 bis 90 bar Absolutdruck, insbesondere bei ca. 80 bar Absolutdruck, liegen. Das dritte Druckniveau liegt also insbesondere bei einem deutlich überkritischen Druck von mindestens 10 bar oberhalb des kritischen Drucks. Bei dem ersten und zweiten Druckniveau handelt es sich um typische Druckniveaus, wie sie in den Hoch- und Niederdrucksäulen bekannter Doppelsäulensystemen von Luftzerlegungsanlagen vorliegen; das dritte Druckniveau entspricht einem typischerweise verwendeten Nachverdichterdruck in einer
entsprechenden Anlage.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein Teil des unter
Verwendung der Entspannungsturbine auf das erste Druckniveau entspannten zweiten Druckluftstroms in die Niederdrucksäule eingespeist. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Zweiphasengemisch, das sich am Austritt der
Entspannungsturbine bildet, die bei der wenigstens teilweisen Entspannung des zweiten Druckluftstroms auf das erste Druckniveau verwendet wird, teilweise oder vollständig in die Hochdrucksäule eingespeist wird und in der Hochdrucksäule hieraus eine Flüssigfraktion abgeschieden wird, und dass die Flüssigfraktion teilweise oder vollständig durch einen Unterkühlungsgegenströmer geführt, auf das zweite
Druckniveau entspannt, und in die Niederdrucksäule eingespeist wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der zweite Druckluftstrom teilweise unter Verwendung der Entspannungsturbine und teilweise unter Verwendung eines Entspannungsventils auf das erste Druckniveau entspannt. Die jeweilige Entspannung unterschiedlicher Anteile des ersten
Druckniveaus in entsprechenden parallel angeordneten Entspannungseinrichtungen kann insbesondere auch je nach Bedarf in unterschiedlichen, variablen Anteilen erfolgen.
Mit besonderem Vorteil werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung der erste und der zweite Druckluftstrom vollständig in das Rektifikationssäulensystem der
Luftzerlegungsanlage eingespeist und zusätzlich zu dem ersten und zweiten
Druckluftstrom wird keine weitere Luft in das Rektifikationssäulensystem geleitet. Auch dies unterstreicht, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung bis auf die Entspannungsturbine, die zur Entspannung des ersten Druckluftstroms eingesetzt wird, keine weiteren Entspannungsturbinen, insbesondere keine der genannten
Gasturbinen, eingesetzt werden.
Mit besonderem Vorteil kann der erste Druckluftstrom im Rahmen der vorliegenden Erfindung 60 bis 80 Molprozent und der zweite Druckluftstrom den Rest der insgesamt in das Rektifikationssäulensystem eingespeisten Luft umfassen.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung eines Luftprodukts, mit einem Rektifikationssäulensystem, das eine Hochdrucksäule, die für einen Betrieb auf einem ersten Druckniveau eingerichtet ist, und eine Niederdrucksäule, die für einen Betrieb auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus eingerichtet ist, aufweist. Zu den Merkmalen einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch ausdrücklich verwiesen.
Zu den Vorteilen einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage und erfindungsgemäßer Ausgestaltungen sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner unterschiedlichen vorteilhaften Ausgestaltungen ausdrücklich verwiesen. Eine erfindungsgemäß bereitgestellte Luftzerlegungsanlage ist
insbesondere zur Durchführung entsprechender Verfahren eingerichtet und weist hierzu jeweils spezifisch ausgebildete Mittel auf.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gegenüber einer nicht erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage zeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung in Form eines vereinfachten Prozessflussdiagramms.
Figur 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines vereinfachten Prozessflussdiagramms. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In den Figuren sind einander baulich oder funktionell entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Anhand der Figuren werden jeweils Luftzerlegungsanlagen veranschaulicht. Die entsprechenden Erläuterungen betreffen jedoch entsprechende Verfahren in gleicher weise, so dass, wenn nachfolgend Komponenten
entsprechender Anlagen beschrieben werden, die jeweiligen Erläuterungen für die durch diese Komponenten durchgeführten Verfahrensschritte gelten. In den Figuren sind flüssige Stoffströme jeweils mittels ausgefüllter (schwarzer) und gasförmige Stoffströme jeweils mittels nicht ausgefüllter (weißer) Flusspfeile veranschaulicht.
In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform veranschaulicht und insgesamt mit 200 bezeichnet. In der
Luftzerlegungsanlage 200 wird ein Druckluftstrom a bereitgestellt und in zwei
Teilströme b und c aufgeteilt.
Nach erneuter Aufteilung des Teilstroms b in Teilströme d und e werden diese einem Hauptwärmetauscher 3 der Luftzerlegungsanlage 200 warmseitig zugeführt. Der Teilstrom d wird dem Hauptwärmetauscher 3 auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, in einer Entspannungsturbine 210, die insbesondere mit einem Generator oder einer Ölbremse mechanisch gekoppelt sein kann, entspannt, und in eine
Niederdrucksäule 12 eines Rektifikationssäulensystems 10, das zudem eine
Hochdrucksäule und einen die Hochdrucksäule 11 und Niederdrucksäule 12 wärmetauschend verbindenden Hauptkondensator 13 aufweist, eingespeist. Bei der Entspannungsturbine 210 handelt es sich somit um eine typische Lachmann-Turbine, bezüglich derer auf die einführenden Erläuterungen verwiesen wird.
Der Teilstrom e wird bis zum kalten Ende durch den Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage 200 geführt und anschließend in einen unteren Bereich der Hochdrucksäule 11 eingespeist. Der Teilstrom c wird einer Nachverdichtung in einem Nachverdichter 4, dem ein nicht gesondert bezeichneter Nachkühler nachgeschaltet ist, unterworfen. Anschließend wird der Teilstrom c in weitere Teilströme f und g aufgeteilt, die dem Hauptwärmetauscher 3 jeweils warmseitig zugeführt werden. Der Teilstrom f wird bis zum kalten Ende durch den Hauptwärmetauscher 3 geführt und mittels einer Entspannungsturbine 5 bzw. eines Entspannungsventils 6 entspannt. Bei der Entspannungsturbine 5 handelt es sich dabei um eine sogenannte Joule-Thomson- Entspannungsturbine, bezüglich derer ebenfalls auf die obigen Erläuterungen verwiesen wird. Als klassische Joule-Thomson-Entspannungsturbine wird in dieser eine Entspannung vorgenommen, bei welcher sich das Fluid am Austritt im vollständig oder fast vollständig flüssigen Zustand befindet. Der in der Entspannungsturbine 5 und im Entspannungsventil 6 entspannte Stoffstrom f wird ebenfalls in die Hochdrucksäule 11 eingespeist. Bei dem Teilstrom f handelt es sich hierbei um einen typischen
Drosselstrom.
Der Teilstrom g wird dem Hauptwärmetauscher 3 auf einem
Zwischentemperaturniveau entnommen, das im dargestellten Beispiel jedoch unterhalb des Zwischentemperaturniveaus liegt, auf dem der Stoffstrom d dem
Hauptwärmetauscher entnommen wird, und in einer Entspannungsturbine 220 entspannt. Die Entspannungsturbine 220 ist eine klassische Claude- Entspannungsturbine und wird in der dargestellten herkömmlichen
Luftzerlegungsanlage 200 ohne bzw. mit nur geringem Flüssigkeitsanteil am
Turbinenaustritt betrieben. Der Stoffstrom g wird nach seiner Entspannung in der Entspannungsturbine 220 mit dem Stoffstrom e vereinigt und in den unteren Bereich der Hochdrucksäule 11 eingespeist.
Aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 1 1 wird ein Stoffstrom h entnommen, durch einen Unterkühlungsgegenströmer 8 geführt, und in die Niederdrucksäule 12 entspannt. Vom Kopf der Hochdrucksäule 11 wird stickstoffreiches Kopfgas in Form eines Stoffstroms i abgezogen, das zum Teil in Form eines Stoffstroms k durch den Hauptkondensator 1 1 geführt und dabei zumindest teilweise verflüssigt wird. Wiederum ein Teil hiervon wird in Form eines Stoffstroms I als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 11 zurückgeführt, ein weiterer Teil wird in Form eines Stoffstroms m durch den Unterkühlungsgegenströmer 8 geführt und am Kopf der Niederdrucksäule 12 als Rücklauf aufgegeben.
Ein nicht in dem Hauptkondensator 1 1 verflüssigter Anteil des Stoffstroms i, hier mit n bezeichnet, wird in dem Hauptwärmetauscher 3 erwärmt und verdampft und als Druckstickstoff (PGAN) aus der Luftzerlegungsanlage 200 ausgeführt. Aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 12 wird eine sauerstoffreiche Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms o abgezogen, mittels einer Pumpe 9 druckerhöht, und in dem
Hauptwärmetauscher 3 erwärmt und dadurch in den gasförmigen bzw. überkritischen Zustand überführt. Auf diese Weise kann ein hier innenverdichtetes
Drucksauerstoffprodukt (PGOX) bereitgestellt werden. Von einem Zwischenbereich der Niederdrucksäule 12 wird ein gasförmiger Stoffstrom p abgeführt, durch den
Unterkühlungsgegenströmer 8 geführt und in dem Hauptwärmetauscher 3 erwärmt. Es handelt es sich hierbei um sogenannten Unreinstickstoff (UN2), der für
unterschiedliche Zwecke in der Luftzerlegungsanlage 200 eingesetzt werden kann.
In einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung im Kopfbereich der Niederdrucksäule 12 scheidet sich stickstoffreiche Flüssigkeit ab, die in Form eines Stoffstroms r abgezogen und als Flüssigstickstoffprodukt (LIN) bereitgestellt werden kann. Ein vom Kopf der Hochdrucksäule 12 abgezogenes gasförmiges Fluid kann in Form eines Stoffstroms s durch den Unterkühlungsgegenströmer und durch den Hauptwärmetauscher 3 geführt, erwärmt, und als Niederdruckstickstoffprodukt (LPGAN) bereitgestellt werden.
Wie bereits erläutert, erweist sich der Betrieb einer entsprechenden Anlage, die in herkömmlichen Konfigurationen, wie sie in Figur 200 veranschaulicht sind,
typischerweise wenigstens zwei Entspannungsturbinen umfassen, als aufwendig und insbesondere die Erstellung ist mit hohen Investitionskosten verbunden.
In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet. Bereits in Figur 1 veranschaulichte und hier zu einem vergleichbaren Zweck vorhandene Komponenten sind in Figur 2 mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der
Übersichtlichkeit halber nur teilweise erneut erläutert.
Wie in Figur 2 veranschaulicht, wird auch hier mittels eines Hauptluftverdichters 1 über einen Filter 2 Umgebungsluft (A) angesaugt und auf ein Druckniveau verdichtet, das hier als "erstes" Druckniveau bezeichnet wird. Nach einem oder mehreren
Aufbereitungsschritten 20, die insbesondere eine Kühlung und Aufreinigung umfassen können, wird die entsprechend verdichtete Druckluft, die hier wie in Figur 1 in Form eines Stoffstroms a veranschaulicht ist, in Teilströme b und c aufgeteilt, wobei der erste Teilstrom b hier durchgängig als "erster" Druckluftstrom und der Teilstrom c
hierdurchgängig als "zweiter" Druckluftstrom bezeichnet werden. Im Gegensatz zu der Luftzerlegungsanlage 200 gemäß Figur 2 wird dabei der erste Druckluftstrom b ohne weitere Aufteilung in zwei Teilströme durch den
Hauptwärmetauscher 3 geführt. Entsprechendes gilt für den Teilstrom c, der auch hier in dem Nachverdichter 4 verdichtet wird, und zwar auf ein hier "drittes" Druckniveau bezeichnetes Druckniveau von beispielsweise ca. 80 bar. Auch dieser zweite
Druckluftstrom c wird vom warmen Ende zum kalten Ende durch den
Hauptwärmetauscher 3 geführt. Der erste Druckluftstrom b und der zweite
Druckluftstrom c werden damit in dem Hauptwärmetauscher 3 in getrennten Passagen abgekühlt wie oben erläutert.
Der erste Druckluftstrom b wird in dem dargestellten Beispiel in den unteren Bereich der Hochdrucksäule 11 des Rektifikationssäulensystems 10 eingespeist, der zweite Druckluftstrom c wird unter Verwendung der Entspannungsturbine 5 und des
Entspannungsventils 6 auf das erste Druckniveau, aber nicht auf ein geringeres Druckniveau als das erste Druckniveau, entspannt. Zu Temperatur und Druck des zweiten Druckluftstroms c bei der Einspeisung in die Entspannungsturbine 5 sei auf die obigen Ausführungen ausdrücklich verwiesen. Der entspannte Druckluftstrom c, hier mit t bezeichnet, wird als Zweiphasengemisch, das sich am Austritt der wenigstens einen Entspannungsturbine 5 bildet, hier in die Hochdrucksäule 1 1 eingespeist. In der Hochdrucksäule 11 wird hieraus in einer geeigneten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung eine Flüssigfraktion abgeschieden. Diese Flüssigfraktion, hier mit u bezeichnet, wird zumindest teilweise aus der Hochdrucksäule 11 abgezogen, durch den
Unterkühlungsgegenströmer 3 geführt und in die Niederdrucksäule 12 des
Rektifikationssäulensystem 10 entspannt.
Der Betrieb der in Figur 2 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100 entspricht ansonsten dem Betrieb der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100. Es werden jedoch keine weiteren Entspannungsturbinen 210 und 220 eingesetzt und in der Entspannungsturbine 5 erfolgt eine Entspannung derart, dass am Austritt der Entspannungsturbine ein beträchtlicher Gasanteil vorliegt. In der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 2 kann insbesondere sauerstoffarmer Stickstoff auf einem
Druckniveau von 5 bis 6 bar in Form des Stoffstroms i abgezogen und teilweise als Produkt bereitgestellt werden. In der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 2 erfolgt die Druckerhöhung der Pumpe 9 des Stoffstroms o insbesondere auf ein Druckniveau von 20 bis 40 bar,
beispielsweise ca. 30 bar. Vom Kopf der Niederdrucksäule 12 wird in Form eines Stoffstroms s Unrein Stickstoff (UN2) abgezogen, die Niederdrucksäule 12 wird dadurch forciert betrieben.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Gewinnung eines Luftprodukts unter Verwendung einer
Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Rektifikationssäulensystem (10), das eine
Hochdrucksäule (11 ), die auf einem ersten Druckniveau betrieben wird, und eine
Niederdrucksäule (12), die auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten
Druckniveaus betrieben wird aufweist, wobei
- ein erster Druckluftstrom auf dem ersten Druckniveau und ein zweiter
Druckluftstrom auf einem dritten Druckniveau oberhalb des ersten
Druckniveaus bereitgestellt und einer Abkühlung unterworfen werden,
- der erste Druckluftstrom in das Rektifikationssäulensystem (1 1 ) eingespeist wird und der zweite Druckluftstrom unter Verwendung einer
Entspannungsturbine (5) auf das erste Druckniveau, aber nicht auf ein geringeres Druckniveau als das erste Druckniveau, entspannt und in das Rektifikationssäulensystem (1 1 ) eingespeist wird, und
- ein flüssiger Stoffstrom aus dem Rektifikationssäulensystem (10) ausgeführt, in flüssigem Zustand druckerhöht, in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und als das Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- der zweite Druckluftstrom der Entspannungsturbine (5), die bei der
Entspannung des zweiten Druckluftstroms auf das erste Druckniveau verwendet wird, auf einem Temperaturniveau, das mindestens 10 K unterhalb der kritischen Temperatur liegt, zugeführt wird,
- diese Entspannungsturbine (5) derart betrieben wird, dass sich an ihrem
Austritt ein Zweiphasengemisch bildet, das am Austritt einen Gasanteil von 5 bis 25%, bezogen auf das gesamte Zweiphasengemisch, aufweist, und - keine weiteren Entspannungsturbinen zur Entspannung von Druckluft in dem Verfahren verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei . dem keine flüssigen Luftprodukte oder flüssige Luftprodukte in einer Menge von nicht mehr als 1 Molprozent der dem Rektifikationssäulensystem (10) insgesamt zugeführten Luft aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Luftprodukt auf einem
Druckniveau von nicht mehr als 50 bar aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der erste
Druckluftstrom mittels einer ersten Verdichtungseinrichtung (1 ) auf das erste Druckniveau verdichtet oder auf dem ersten Druckniveau von extern bereitgestellt wird, und bei dem der zweite Druckluftstrom zunächst mittels der ersten
Verdichtungseinrichtung (1 ) auf das erste Druckniveau gebracht oder ebenfalls auf dem ersten Druckniveau von extern bereitgestellt wird und anschließend mittels einer zweiten Verdichtungseinrichtung (4) auf das dritte Druckniveau weiter verdichtet wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein
Temperaturniveau, auf das der erste Druckluftstrom abgekühlt wird,
bei -150 bis -180°C liegt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erste
Druckniveau bei 5 bis7 bar und das zweite Druckniveau bei 1 ,1 bis 2 bar und das dritte Druckniveau bei 50 bis 90 bar liegt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Teil des in der Entspannungsturbine (5) auf das erste Druckniveau entspannten ersten
Druckluftstroms in die Niederdrucksäule (12) eingespeist wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Zweiphasengemisch, das sich am Austritt der Entspannungsturbine (5) bildet, die bei der Entspannung des zweiten Druckluftstroms auf das erste Druckniveau verwendet wird, teilweise oder vollständig in die Hochdrucksäule (1 1 ) eingespeist wird, bei dem in der Hochdrucksäule (1 1 ) hieraus eine Flüssigfraktion abgeschieden wird, und bei dem die Flüssigfraktion teilweise oder vollständig durch einen
Unterkühlungsgegenströmer (8) geführt, auf das zweite Druckniveau entspannt und in die Niederdrucksäule (12) eingespeist wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der zweite
Druckluftstrom teilweise unter Verwendung der Entspannungsturbine (5) und teilweise unter Verwendung eines Entspannungsventils (6) auf das erste
Druckniveau entspannt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der erste und der zweite Druckluftstrom vollständig in das Rektifikationssäulensystem (10) eingespeist werden und zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Druckluftstrom keine weitere Luft in das Rektifikationssäulensystem (10) eingespeist wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der erste Druckluftstrom 60 bis 80
Molprozent und der zweite Druckluftstrom den Rest der insgesamt in das Rektifikationssäulensystem (10) eingespeisten Luft umfassen.
12. Luftzerlegungsanlage (100) zur Gewinnung eines Luftprodukts, mit einem
Rektifikationssäulensystem (10), das eine Hochdrucksäule (1 1 ), die für einen Betrieb auf einem ersten Druckniveau eingerichtet ist, und eine
Niederdrucksäule (12), die für einen Betrieb auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus eingerichtet ist aufweist, wobei
- Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, einen ersten
Druckluftstrom auf dem ersten Druckniveau und einen zweiten Druckluftstrom auf einem dritten Druckniveau oberhalb des ersten Druckniveaus
bereitzustellen und einer Abkühlung zu unterwerfen, - Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, den ersten Druckluftstrom in das Rektifikationssäulensystem (11 ) einzuspeisen und den zweiten
Druckluftstrom unter Verwendung wenigstens einer Entspannungsturbine (5) auf das erste Druckniveau, aber nicht auf ein geringeres Druckniveau als das erste Druckniveau, zu entspannen und in das Rektifikationssäulensystem (11 ) einzuspeisen, und
- Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, einen flüssigen Stoffstrom aus dem Rektifikationssäulensystem (10) auszuführen, in flüssigem Zustand druckzuerhöhen, in den gasförmigen oder überkritischen Zustand zu überführen und als das Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage (100) auszuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Luftzerlegungsanlage (100) dafür eingerichtet ist, den zweiten
Druckluftstrom der Entspannungsturbine (5), die bei der Entspannung des zweiten Druckluftstroms auf das erste Druckniveau verwendet wird, auf einem Temperaturniveau, das mindestens 10 K unterhalb der kritischen Temperatur liegt, zuzuführen,
- die Luftzerlegungsanlage (100) ferner dafür eingerichtet ist, diese
Entspannungsturbine (5) derart zu betreiben, dass sich an ihrem Austritt ein Zweiphasengemisch bildet, das am Austritt einen Gasanteil von 5 bis 25%, bezogen auf das gesamte Zweiphasengemisch, aufweist, und
- die Luftzerlegungsanlage (100) keine weiteren Entspannungsturbinen zur Entspannung von Druckluft aufweist.
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