Verfahren und Anlage zur Bereitstellung eines druckbeaufschlaqten sauerstoffreichen. gasförmigen Luftprodukts

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts und eine entsprechende Anlage gemäß den 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.

Der Begriff "Luftprodukt" soll sich hier auf ein Fluid beziehen, das zumindest teilweise durch Tieftemperaturzerlegung von atmosphärischer Luft bereitgestellt wird. Ein Luftprodukt gemäß dem hier zugrundeliegenden Verständnis weist ein oder mehrere in der atmosphärischen Luft enthaltene Luftgase in einer abweichenden Zusammensetzung als in der atmosphärischen Luft auf. Ein Luftprodukt kann grundsätzlich in gasförmigem, flüssigem oder überkritischem Zustand vorliegen oder bereitgestellt werden und von einem dieser Aggregatzustände in einen anderen überführt werden. Insbesondere kann ein flüssiges Luftprodukt durch Erwärmen auf einem bestimmten Druck in den gasförmigen Zustand überführt ("verdampft") oder in den überkritischen Zustand überführt ("pseudoverdampft") werden, je nachdem, ob der Druck bei der Erwärmung unterhalb oder oberhalb des kritischen Drucks liegt. Ist nachfolgend von einem "Verdampfen" die Rede, soll dies auch eine entsprechende Pseudoverdampfung einschließen.

Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die herkömmlicherweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als klassische Linde- Doppelkolonnensysteme, ausgebildet sind, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben den Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Häufig, und auch hier, werden dabei die Begriffe "Rektifikation" und "Destillation" sowie "Kolonne" und "Säule" bzw. hieraus zusammengesetzte Begriffe synonym verwendet.

Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Drücken betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Hochdruckkolonne (auch als Druckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (auch als obere Kolonne bezeichnet) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druck von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die Niederdruckkolonne wird auf einem Druck von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Drücke eingesetzt werden. Bei den hier jeweils angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen.

Zur Luftzerlegung können sogenannte Haupt(luft)verdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren oder sogenannte Hochluftdruck-(High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zu Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren zum Einsatz. Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit Hochluftdruck-Verfahren eingesetzt, so dass die nachfolgenden diesbezüglichen Erläuterungen allgemein und auch für die vorliegende Erfindung gelten. Aufgrund von deutlich geringeren Kosten - Haupt- und Nachverdichter sind gewissermaßen in einer Maschine integriert - und grundsätzlich vergleichbarer Effizienz können Hochluftdruck-Verfahren eine vorteilhafte Alternative zu Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren darstellen.

Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Rektifikationskolonnensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf einen Druck verdichtet wird, der wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, oberhalb des Drucks liegt, auf dem die Hochdruckkolonne betrieben wird. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf diesen Druck oder einen Druck, der sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar hiervon unterscheidet, verdichtet, und auf diesem niedrigeren Druck insbesondere ohne zusätzliche Entspannung in die Hochdruckkolonne eingespeist. Ein Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren ist beispielsweise bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt.

Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die gesamte, dem Rektifikationskolonnensystem insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf einen Druck verdichtet, der wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, und beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar, oberhalb des Drucks liegt, auf dem die Hochdruckkolonne betrieben wird. Hochluftdruck-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 980514 A1 und der EP 2 963367 A1 bekannt.

Hochluftdruck-Verfahren kommen typischerweise mit der sogenannten Innenverdichtung (IV, Internal Compression, IC) zum Einsatz. Bei der Innenverdichtung wird wenigstens ein gasförmiges, druckbeaufschlagtes Luftprodukt, das mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, dadurch gebildet, dass dem Rektifikationskolonnensystem ein tiefkaltes, flüssiges Luftprodukt entnommen, einer Druckerhöhung auf einen Produktdruck unterworfen, und auf dem Produktdruck durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt wird. Beispielsweise können mittels Innenverdichtung gasförmiger, druckbeaufschlagter Sauerstoff (GOX IV, GOX IC) gasförmiger, druckbeaufschlagter Stickstoff (GAN IV, GAN IC) und/oder gasförmiges, druckbeaufschlagtes Argon (GAR IV, GAR IC) erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer alternativ ebenfalls möglichen externen Verdichtung und ist z.B. bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert.

Hochluftdruck-Verfahren können in unterschiedlichen Ausgestaltungen eingesetzt werden. Diese werden oft nach Flüssigleistung der Anlage, d.h. nach der Menge an flüssig bereitgestellten und flüssig der Anlage entnommenen Luftprodukten, bzw. nach dem Verhältnis von innenverdichteten Luftprodukten zu Flüssigprodukten klassifiziert und unterschieden. Bei einer nicht zu hohen Flüssigleistung wird in Hochluftdruck- Verfahren z.B. ein Kaltbooster bzw. Kaltverdichter der unten erläuterten Art eingesetzt, um auf diese Weise die Effizienz des Verfahrens durch Umwandlung der dann überschüssigen Kälteleistung in höheren Luftdruck zu steigern. Bekannt sind auch Hochluftdruck-Verfahren mit einer sogenannten Lachmann- oder Einblaseturbine (engl auch Upper Column Expander) der ebenfalls unten erläuterten Art. Die in der Lachmannturbine entspannte Luft wird in die Niederdruckkolonne eingespeist. Die Lachmannturbine kann dabei als weitere Turbineneinheit neben einer Turbineneinheit, mittels derer gasförmige Druckluft in die Hochdruckkolonne entspannt wird, also einer sogenannten Claude-Turbine, bereitgestellt sein.

Insbesondere in Fällen, in denen mittels eines Hochluftdruck-Verfahrens überwiegend oder ausschließlich innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff auf einem Druck in einem Bereich von 16 bis 50 bar (abs.) bereitgestellt werden soll, besteht Verbesserungsbedarf hinsichtlich der Verfahrensführung. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit von Hochluftdruck-Verfahren insbesondere für derartige typische Gasanlagen zu erhöhen.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines oder mehrerer sauerstoffreicher, gasförmiger Luftprodukte und eine entsprechende Anlage mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.

Es werden zunächst weitere Grundlagen der Erfindung näher erläutert und zur Beschreibung der Erfindung verwendete Begriffe definiert.

Unter einer "Einsatzluftmenge" oder kurz "Einsatzluft" wird hier die gesamte, dem Rektifikationskolonnensystem einer Luftzerlegungsanlage zugeführte ("eingesetzte") Luft verstanden. Wie bereits zuvor erläutert, wird diese Einsatzluftmenge in einem Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren nur zu einem Teil auf einen Druck in einem Bereich verdichtet, der deutlich oberhalb eines Druckbereichs liegt, in dem die Hochdruckkolonne betrieben wird. Hingegen wird in einem Hochluftdruck-Verfahren, wie es Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, die gesamte Einsatzluftmenge auf einen Druck in einem derartig hohen Druckbereich verdichtet. Zur Bedeutung des Begriffs "deutlich" im Zusammenhang mit Hauptverdichter/Nachverdichter- und Hochluftdruck-Verfahren sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Unter einer "tiefkalten" Flüssigkeit wird hier ein flüssiges Medium verstanden, dessen Siedepunkt deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, z.B. bei -50 °C oder weniger, insbesondere bei -100 °C oder weniger. Beispiele für tiefkalte Flüssigkeiten sind flüssige Luft, flüssiger Sauerstoff, flüssiger Stickstoff, flüssiges Argon oder Flüssigkeiten, die reich an den genannten Verbindungen sind.

Zu den in Luftzerlegungsanlagen eingesetzten Vorrichtungen bzw. Apparaten sei auf Fachliteratur wie Häring (s.o.), insbesondere Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" verwiesen. Nachfolgend werden zur Verdeutlichung und klareren Abgrenzung einige Aspekte entsprechender Vorrichtungen näher erläutert.

In Luftzerlegungsanlagen kommen zur Verdichtung der Einsatzluftmenge mehrstufige Turboverdichter zum Einsatz, die hier als "Hauptluftverdichter" bezeichnet werden. Der mechanische Aufbau von Turboverdichtern ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. In einem Turboverdichter erfolgt die Verdichtung des zu verdichtenden Mediums mittels Turbinenschaufeln, die auf einem Turbinenrad oder direkt auf einer Welle angeordnet sind. Ein Turboverdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch bei einem mehrstufigen Turboverdichter mehrere Verdichterstufen aufweisen kann. Eine Verdichterstufe umfasst dabei in der Regel ein Turbinenrad oder eine entsprechende Anordnung von Turbinenschaufeln. Alle dieser Verdichterstufen können von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Verdichterstufen gruppenweise mit unterschiedlichen Wellen anzutreiben, wobei die Wellen auch über Getriebe miteinander verbunden sein können.

Der Hauptluftverdichter zeichnet sich ferner dadurch aus, dass durch diesen die gesamte in das Destillationskolonnensystem eingespeiste und zur Herstellung von Luftprodukten verwendete Luftmenge, also die gesamte Einsatzluftmenge, verdichtet wird. Entsprechend kann auch ein "Nachverdichter" vorgesehen sein, in dem aber nur ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Einsatzluftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird. Auch dieser kann Turboverdichter ausgebildet sein. Zur Verdichtung von Teilluftmengen sind typischerweise weitere Turboverdichter vorgesehen, die auch als Booster bezeichnet werden, im Vergleich zu dem Hauptluftverdichter oder dem Nachverdichter jedoch typischerweise nur eine Verdichtung in relativ geringem Umfang, insbesondere bezogen auf die verdichtete Luftmenge, vornehmen. Auch in einem Hochluftdruck-Verfahren kann ein Nachverdichter vorhanden sein, dieser verdichtet jedoch eine Teilmenge der Einsatzluftmenge dann ausgehend von einem höheren Druck.

Unter einem "Kaltverdichter" bzw. "Kaltbooster" soll hier ein Verdichter bzw. Booster verstanden werden, dem Fluid auf einer Temperatur in einem Temperaturbereich deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur der Luftzerlegungsanlage, insbesondere bei einer Temperatur von weniger als 0 °C, -50 °C oder -100 °C und insbesondere mehr als -150 °C oder -200 °C zugeführt wird.

An mehreren Stellen in Luftzerlegungsanlagen kann ferner Luft entspannt werden, wozu unter anderem Entspannungsmaschinen in Form von Turboexpandern, hier auch als "Entspannungsturbinen" bezeichnet, zum Einsatz kommen können. Turboexpander können auch mit Turboverdichtern gekoppelt sein und diese antreiben. Werden ein oder mehrere Turboverdichter ohne extern zugeführte Energie, d.h. nur über einen oder mehrere Turboexpander, angetrieben, wird für eine derartige Anordnung auch der Begriff "Turbinenbooster" verwendet. In einem Turbinenbooster sind der Turboexpander (die Entspannungsturbine) und der Turboverdichter (der Booster) mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein zwischengeschaltetes Getriebe) erfolgen kann. Ist hier von einer "Turbineneinheit" die Rede, soll hierunter insbesondere eine Anordnung mit wenigstens einer Entspannungsturbine verstanden werden.

In typischen Luftzerlegungsanlagen sind zur Kälteerzeugung und Verflüssigung von Stoffströmen an unterschiedlichen Stellen entsprechende Entspannungsturbinen vorhanden. Hierbei handelt es sich insbesondere um die erwähnten Claude-Turbinen und die ebenfalls erwähnten Lachmann-Turbinen, sowie ggf. um sogenannte Joule- Thomson-Turbinen. Zur Funktion und zum Zweck entsprechender Turbinen wird 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. Unter einem "Drosselstrom" oder "Joule-Thomson-Strom" wird eine Luftmenge verstanden, die im Hauptwärmetauscher einer Luftzerlegungsanlage zumindest zum überwiegenden Anteil unter Druck verflüssigt und danach, insbesondere über ein Drosselventil, insbesondere in die Hochdruckkolonne eingespeist wird. Anstelle eines Drosselventils kann auch eine Joule-Thomson-Turbine eingesetzt werden.

Flüssige, gasförmige oder auch im überkritischen Zustand vorliegende Fluide können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der soeben getroffenen Definition von "reich" entsprechen, bezeichnet jedoch insbesondere einen Gehalt von mehr als 90%. Ist hier beispielsweise von "Stickstoff" oder "Sauerstoff" die Rede, kann es sich um ein Reingas, aber auch ein an Stickstoff oder Sauerstoff reiches Gas handeln.

Nachfolgend ist zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen von Drücken bzw. Temperaturen in bestimmten Druck- bzw. Temperaturbereichen die Rede. Hierdurch soll zum Ausdruck gebracht werden, dass Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um ein erfinderisches Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in entsprechenden Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5% oder 10% um einen Mittelwert liegen. Unterschiedliche Druck- bzw. Temperaturbereiche können dabei disjunkte Bereiche darstellen oder Bereiche, die einander überlappen. Insbesondere schließt beispielsweise die Angabe von Druckbereichen unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Leitungswiderständen und dergleichen, ein. Entsprechendes gilt für Druckbereiche. Bei hier in bar angegebenen Drücken bzw. Druckbereichsgrenzen handelt es sich, falls nicht anders angegeben, um Absolutdrücke.

Vorteile der Erfindung

Bekannte Hochluftdruck-Verfahren werden, wie erwähnt, häufig nach der sogenannten Flüssigleistung bzw. nach dem Verhältnis von innenverdichteten Produkten zu Flüssigprodukten klassifiziert und unterschieden. Die Flüssigleistung bezeichnet dabei die Menge an Luftprodukten, die flüssig aus der Anlage bzw. einem entsprechenden Verfahren ausgeführt werden, bei denen also keine Verdampfung oder Pseudoverdampfung erfolgt. Mittels derartiger Produkte können also keine Einsatzströme in die Anlage bzw. das Verfahren durch eine entsprechende Verdampfung gekühlt werden. Daher ist dann, wenn geringere Mengen an Luftprodukten flüssig aus der aus der Anlage bzw. einem entsprechenden Verfahren ausgeführt, sondern diese verdampft bzw. pseudoverdampft werden, gewissermaßen Kälte im Überschuss vorhanden.

Bei einer geringen Flüssigleistung kann daher beispielsweise ein sogenannter Kaltbooster eingesetzt werden, um die Prozesseffizienz durch die Umwandlung solcher überschüssiger Kälte in höheren Luftdruck zu steigern. Der Wärmeeintrag durch den Kaltbooster "vernichtet" die im Überschuss vorhandene Kälte zum Teil, der Kaltbooster verdichtet aber im Gegenzug dazu einen Teil der Einsatzluft, so dass beispielsweise die Leistung des Hauptluftverdichters entsprechend reduziert werden kann. Die Ansaugtemperatur eines Kaltboosters liegt, wie oben bereits angesprochen, unterhalb der Umgebungstemperatur, so dass sich die Leistungsaufnahme bei einem zur Vereinfachung angenommenen idealen Gasverhalten reduziert.

Die Erfindung kommt dabei bei einem Hochluftdruck-Verfahren zum Einsatz, bei dem, wie erwähnt, gasförmiger Sauerstoff ohne (nennenswerte) Flüssigproduktion hergestellt werden soll, und bei der eine Einblaseturbine (Lachmann-Turbine) als zweite Turbineneinheit neben einer ersten Turbineneinheit, die nach Art einer Claude- Turbine Luft in die Hochdruckkolonne entspannt, vorgesehen ist.

Die vorliegende Erfindung löst die oben genannte Aufgabe insbesondere dadurch, dass Luft der Lachmann-Turbine mit einer deutlich niedrigeren Lufteintrittstemperatur als in bekannten Verfahren zugeführt wird. Hierdurch ergibt sich eine starke Vorverflüssigung am Turbinenaustritt der Lachmann-Turbine. Entsprechend ergibt sich eine deutliche Reduzierung der im Hauptwärmetauscher als Drosselstrom oder Drosselströme zu verflüssigenden Luftmengen und als Konsequenz hieraus eine spürbare Erhöhung der Effizienz. Die zu übertragende Wärmemenge im unteren Bereich des Hauptwärmetauschers, also an dem Ort, an dem die Kondensation von Luftströmen erfolgt, fällt dadurch geringer aus und die Leistung des Kaltverdichters wird reduziert.. Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung vor diesem Hintergrund ein Verfahren zur Herstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage vor, welche ein Rektifikationskolonnensystem mit einer Hochdruckkolonne und einer Niederdruckkolonne sowie einen Hauptwärmetauscher, eine erste Turbineneinheit und eine zweite Turbineneinheit aufweist.

Die Hochdruckkolonne wird in einem ersten Druckbereich von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben, die Niederdruckkolonne wird in einem zweiten Druckbereich von 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar, betrieben, und zumindest ein überwiegender Anteil einer dem Rektifikationskolonnensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge, insbesondere die gesamte Einsatzluftmenge wie in einem Hochluftdruck-Verfahren üblich, wird auf einen Druck in einem dritten Druckbereich verdichtet, der mehr als 3 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt. Zu weiteren möglichen Druckdifferenzen wird auf die obigen Erläuterungen bezüglich Hochluftdruck-Verfahren nochmals ausdrücklich verwiesen.

Eine erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge wird auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem vierten Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich der ersten Turbineneinheit zugeführt, unter Verwendung der ersten Turbineneinheit auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt, und in die Hochdruckkolonne eingespeist. Wie weiter unten erläutert, wird zur Bereitstellung der ersten Teilmenge auf der Temperatur in dem ersten Temperaturbereich insbesondere der Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage in der unten erläuterten Weise verwendet und der Druck auf dem vierten Druckbereich wird ggf. unter Verwendung einer entsprechenden Boostereinheit in der unten erläuterten Weise erzielt. Bei der ersten Turbineneinheit handelt es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um eine typische Claude-Turbine wie oben erläutert, oder die erste Turbineneinheit umfasst eine solche.

Eine zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge wird auf dem Druck in dem dritten Druckbereich oder auf einem Druck in einem fünften Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich der zweiten Turbineneinheit zugeführt, unter Verwendung der zweiten Turbineneinheit auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich entspannt, und in die Niederdruckkolonne eingespeist. Wie weiter unten erläutert, wird zur Bereitstellung der zweiten Teilmenge auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich insbesondere der Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage in der unten erläuterten Weise verwendet und der Druck auf dem fünften Druckbereich wird ggf. unter Verwendung einer entsprechenden Boostereinheit in der unten erläuterten Weise erzielt. Bei der zweiten Turbineneinheit handelt es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um eine typische Lachmann- Turbine wie oben erläutert, oder die zweite Turbineneinheit umfasst eine solche.

Die Erfindung umfasst, dass dem Rektifikationskolonnensystem zur Bereitstellung des gasförmigen, druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts sauerstoffreiche Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand unter Erwärmung auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich in flüssigem Zustand auf einen Druck in einem sechsten Druckbereich von 16 bis 50 bar oder 25 bis 50 bar, insbesondere 40 bis 50 bar, beispielsweise ca. 43 bar, gebracht, dem Hauptwärmetauscher zugeführt, in diesem auf der Temperatur in dem dritten Temperaturbereich verdampft und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird. Das druckbeaufschlagte, sauerstoffreiche Luftprodukt wird also als Innenverdichtungsprodukt bereitgestellt.

Der dritte Temperaturbereich, also der Temperaturbereich, in dem die Temperatur liegt, auf der die sauerstoffreiche Flüssigkeit nach der Druckbeaufschlagung in flüssigem Zustand in dem Hauptwärmetauscher verdampft wird , liegt erfindungsgemäß sowohl oberhalb des ersten Temperaturbereichs als auch oberhalb des zweiten Temperaturbereichs.

Der zweite Temperaturbereich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart gewählt, dass sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit ein Zweiphasengemisch mit einem Flüssigkeitsanteil von 5 bis 15%, insbesondere von 8 bis 13%, bildet, wobei diese Prozentangaben insbesondere einen Stoffmengenanteil des Flüssiganteils, bezogen auf eine Stoffmenge des gesamten Zweiphasengemischs, ausdrücken. Die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich und die Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich unterscheiden sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung ferner um nicht mehr als 10 K voneinander.

Die Luftzerlegungsanlage wird erfindungsgemäß derart betrieben, dass ein Anteil von weniger als 5%, insbesondere weniger als 2%, aller aus der Luftzerlegungsanlage entnommener Luftprodukte der Luftzerlegungsanlage unverdampft und in flüssigem Zustand entnommen werden. Zum Begriff "Luftprodukt", unter den nicht nur im Wesentlichen reine Produkte wie Sauerstoff oder Stickstoff fallen, sondern auch Unreinströme (sog. Waste Gas), sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Bezogen auf im Wesentlichen reine Produkte beträgt der Anteil weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% oder weniger als 2%. Die "im Wesentlichen reinen" Produkte umfassen insbesondere Stickstoff, Sauerstoff und Argon, oder Fluide, die jeweils reich an der jeweils erwähnten Komponente sind.

Durch die Kombination der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen werden insbesondere die bereits zuvor erwähnten Vorteile erzielt. Auf die obigen Erläuterungen wird verwiesen.

Insbesondere liegen der erste und der zweite Temperaturbereich jeweils bei 110 bis 140 K, insbesondere bei 120 bis 135 K.

Der dritte Temperaturbereich liegt insbesondere um mehr als 10 K und bis zu 40 K oberhalb des ersten Temperaturbereichs und des zweiten Temperaturbereichs.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge vorteilhafterweise auf dem Druck in dem vierten Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht.

Die hierbei verwendete Boostereinheit kann dabei insbesondere zum Antreiben der ersten T urbineneinheit verwendet werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann dabei die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge in einem ersten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt werden, bevor sie unter Verwendung der Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, und die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge kann in einem zweiten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt werden, nachdem sie unter Verwendung der Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wurde, wobei der zweite Abkühlschritt ein Abkühlen auf die bereits erwähnte Temperatur in dem ersten Temperaturbereich umfasst.

Eine dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge kann insbesondere zusammen mit der ersten Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge dem ersten Abkühlschritt unterworfen und unter Verwendung der Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht werden, wobei die dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich und dann auf den Druck in dem vierten Druckbereich weiter verdichteten Einsatzluftmenge auf dem Druck in dem vierten Druckbereich in dem Hauptwärmetauscher verflüssigt, anschließend entspannt, und in die Hochdruckkolonne eingespeist wird. Die erste Teilmenge wird dabei insbesondere an einer der Temperatur in dem ersten Temperaturbereich entsprechenden Entnahmestelle aus dem Hauptwärmetauscher entnommen, wohingegen die dritte Teilmenge bis zum kalten Ende durch den Hauptwärmetauscher geführt wird. Die dritte Teilmenge bildet auf diese Weise einen Drosselstrom.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge insbesondere auf dem Druck in dem fünften Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer weiteren Boostereinheit auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht werden. Hierbei kann die weitere Boostereinheit insbesondere die zweite Turbineneinheit antreiben, diese ist also "selbstgeboostert" ausgeführt.

Falls die zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge nicht auf den Druck in dem fünften Druckbereich gebracht werden soll, kann die zweite Turbineneinheit insbesondere öl- oder generatorgebremst ausgeführt werden, wie an sich bekannt. In allen Fällen kann eine vierte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge gemeinsam mit der zweiten Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt werden, wobei die zweite Teilmenge auf einer der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich entsprechenden Stelle aus dem Hauptwärmetauscher ausgeführt werden kann, die vierte Teilmenge jedoch weiter abgekühlt und verflüssigt werden kann. Die vierte Teilmenge kann dabei dem Hauptwärmetauscher kaltseitig entnommen und als weiterer Drosselstrom in die Hochdruckkolonne eingespeist werden.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit bildende Zweiphasengemisch vorteilhafterweise einer Phasentrennung in einem geeigneten Phasentrenner zugeführt und danach getrenntphasig, d.h. in Form eines Gasstroms und eines Flüssigstroms, in die Niederdruckkolonne eingespeist.

In einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit bildende Zweiphasengemisch dagegen zweiphasig in die Niederdruckkolonne eingespeist. Durch die Wahl einer geeigneten Zweiphasenleitung kann auf eine Pumpe verzichtet werden, da Flüssigkeitstropfen aufgrund der relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit mitgerissen werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Luftzerlegungsanlage zur Bereitstellung eines druckbeaufschlagten sauerstoffreichen, gasförmigen Luftprodukts. Zu den Merkmalen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Luftzerlegungsanlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch ausdrücklich verwiesen. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage profitiert von den zuvor bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltungen erläuterten Vorteilen, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird. Insbesondere ist eine derartige Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet, ein Verfahren gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen, und weist hierzu eingerichtete Mittel auf.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Figuren 1 bis 5 veranschaulichen Luftzerlegungsanlagen gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.

Die Figuren 6 und 7 zeigen Temperatur-Enthalpie-Diagramme.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In Figur 1 ist eine mit 100 bezeichnete Luftzerlegungsanlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Die Luftzerlegungsanlage 100 weist ein Rektifikationskolonnensystem 10 mit einer Hochdruckkolonne 11 und einer Niederdruckkolonne 12 auf, die in bekannter Weise verschaltet sind.

Luftzerlegungsanlagen der gezeigten Art sind vielfach an anderer Stelle beschrieben, beispielsweise bei Häring (s.o.) und dort insbesondere in Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification". Für detaillierte Erläuterungen zu Aufbau und Funktionsweise sei daher auf entsprechende Fachliteratur verwiesen. Eine Luftzerlegungsanlage zum Einsatz der vorliegenden Erfindung kann auf unterschiedlichste Weise ausgebildet sein.

Die Hochdruckkolonne 11 wird in der hier veranschaulichten Ausgestaltung in einem ersten Druckbereich betrieben, die Niederdruckkolonne 12 wird in einem zweiten Druckbereich betrieben, und zumindest ein überwiegender Anteil einer dem Rektifikationskolonnensystem 10 insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge, hier in Form eines Druckluftstroms a, wird auf einen Druck in einem dritten Druckbereich verdichtet, der deutlich oberhalb des ersten Druckbereichs liegt.

In der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100 wird dabei Einsatzluft mittels eines Hauptluftverdichters 1 angesaugt, auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichtet, in einem ebenfalls nicht gesondert bezeichneten Direktkontaktkühler abgekühlt und in einer Vorreinigungseinheit 2 insbesondere von Wasser und Kohlendioxid befreit.

Die auf diese Weise als der erwähnte Druckluftstrom a bereitgestellte Einsatzluft auf dem Druck in dem dritten Druckbereich wird sodann in zwei Teilströme b und c aufgeteilt, welche beide warmseitig einem Hauptwärmetauscher 3 zugeführt und in diesem abgekühlt werden. Es werden durch Entnahme auf

Zwischentemperaturniveaus und kaltseitig des Hauptwärmetauschers 3 jeweils weitere Teilströme gebildet, die hier als "erste" bis "vierte" Teilmengen bezeichnete Teilmengen der Einsatzluft des Druckluftstroms a darstellen und mit a1 bis a4 angegeben sind.

Die erste Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten gesamten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird dabei in der hier veranschaulichten Ausgestaltung auf einem Druck in einem vierten Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs und auf einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich in Form des Teilstroms a1 einer ersten Turbineneinheit 5 zugeführt, unter Verwendung der ersten Turbineneinheit 5 auf einen Druck in dem ersten Druckbereich entspannt, und in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist.

Die erste Teilmenge, d.h. der Teilstrom a1, wird dabei als Teil des Teilstroms b unter Verwendung einer Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht, wobei die Boostereinheit 4 von der der ersten Turbineneinheit 5 angetrieben wird. Die erste Teilmenge, d.h. der Teilstrom a1, wird in einem ersten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher 3 abgekühlt, bevor sie unter Verwendung der Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wird, und die erste Teilmenge, d.h. der Stoffstrom a1 wird in einem zweiten Abkühlschritt in dem Hauptwärmetauscher 3 abgekühlt, nachdem sie unter Verwendung der Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht wurde. Der zweite Abkühlschritt umfasst ein Abkühlen auf die Temperatur in dem erwähnten ersten Temperaturbereich.

Die zweite Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird in der hier veranschaulichten Ausgestaltung dagegen als Teil des Teilstroms c auf dem Druck in dem dritten Druckbereich und auf einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich in Form des Teilstroms a2 einer zweiten Turbineneinheit 6 zugeführt, die in der hier veranschaulichten Ausgestaltung mit einem Generator G gekoppelt ist, unter Verwendung der zweiten Turbineneinheit 6 auf einen Druck in dem zweiten Druckbereich entspannt, und anschließend in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist. Der zweite Temperaturbereich ist dabei derart gewählt, dass sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit 6 ein Zweiphasengemisch mit dem zuvor mehrfach angegebenen Flüssigkeitsanteil bildet. Das sich am Austritt der zweiten Turbineneinheit 6 bildende Zweiphasengemisch wird dabei in der hier veranschaulichten Ausgestaltung einer Phasentrennung in einem Phasentrenner 7 zugeführt und danach getrenntphasig in Form eines Flüssigkeitsstroms a2l und eines Gasstroms a2g in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist.

Die dritte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird in Form des erwähnten Teilstroms a3 zusammen mit der ersten Teilmenge, also dem Teilstrom a1 , und damit als Teil des Teilstroms b, dem ersten Abkühlschritt unterworfen und ebenfalls unter Verwendung der Boostereinheit 4 auf den Druck in dem vierten Druckbereich gebracht, wobei die dritte Teilmenge, d.h. der Teilstrom a3, aber auf dem Druck in dem vierten Druckbereich in dem Hauptwärmetauscher 3 verflüssigt, entspannt, und in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist wird.

Die vierte Teilmenge der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge des Druckluftstroms a wird in Form des erwähnten Teilstroms a4 zusammen mit der zweiten Teilmenge, also dem Teilstrom a2, und damit als Teil des Teilstroms c, dem Hauptwärmetauscher 3 zugeführt, aber nicht auf der Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich diesem entnommen, sondern ebenfalls in dem Hauptwärmetauscher verflüssigt, anschließend entspannt, und in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist.

Die als Drosselströme verwendeten Teilströme a3 und a4 werden dabei in der hier veranschaulichten Ausgestaltung zu einem Gesamtstrom k vereinigt, bevor sie in die Hochdruckkolonne 11 eingespeist werden.

Dem Rektifikationskolonnensystem 10, genauer einem Sumpf der Niederdruckkolonne 11, wird zur Bereitstellung des gasförmigen, druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts sauerstoffreiche Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms I entnommen, in flüssigem Zustand unter Erwärmung auf eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich mittels einer Innenverdichtungspumpe 8 auf einen Druck in einem sechsten Druckbereich gebracht, auf der Temperatur in dem dritten Temperaturbereich in dem Hauptwärmetauscher 3 verdampft und aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet.

Zur weiteren Verschaltung der Komponenten der Luftzerlegungsanlage 100, die insbesondere auch einen Unterkühlungsgegenströmer 9 umfassen kann, sei auf die zitierte Fachliteratur verwiesen. Insbesondere wird der Luftzerlegungsanlage 100 nur ein geringer Teil an Luftprodukten unverdampft und in flüssigem Zustand entnommen, beispielsweise in Form eines Flüssigsauerstoffstroms m.

Die Luftzerlegungsanlage 200 gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 im Wesentlichen durch das Fehlen des Phasentrenners 7, wobei der Zweiphasenstrom a2 zweiphasig in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist wird.

Die Luftzerlegungsanlage 300 gemäß Figur 3 unterscheidet sich von den Luftzerlegungsanlagen 100 und 200 gemäß Figuren 1 und 2 im Wesentlichen durch die Bereitstellung des druckbeaufschlagten, sauerstoffreichen Luftprodukts in Form zweier Fraktionen bzw. Teilströme 11 und I2, die aus dem Teilstrom I gebildet und in dem Hauptwärmetauscher 3 auf unterschiedlichen Drücken verdampft werden.

Die Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 unterscheidet sich von den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 gemäß Figuren 1 bis 4 im Wesentlichen dadurch, dass die zweite Teilmenge a2 (und die vierte Teilmenge a4) der auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichteten Einsatzluftmenge auf einem Druck in einem fünften Druckbereich bereitgestellt und dabei unter Verwendung einer weiteren Boostereinheit 41, die insbesondere von der Turbine 6 angetrieben wird (also "selbstgeboostert" ist) auf den Druck in dem fünften Druckbereich gebracht wird. Die weitere Boostereinheit 41 wird durch einen warmen Nachverdichter für Luft gebildet, das heißt durch einen Nachverdichter mit einer Eintrittstemperatur oberhalb von 273 K.

Die Luftzerlegungsanlage 500 gemäß Figur 5 unterscheidet sich von den Luftzerlegungsanlagen 100 bis 400 gemäß Figuren 1 bis 4 im Wesentlichen dadurch, dass eine Argonausschleuskolonne 51 an sich bekannter Art verwendet wird, wie sie beispielsweise in der EP 3067649 A1 beschrieben ist. Aus der Argonausschleuskolonne 51 wird ein an Argon angereicherter, gasförmiger Strom s abgezogen und im Hauptwärmetauscher 3 erwärmt. Die Argonausschleuskolonne 51 wird aus der Niederdruckkolonne 12 gespeist und Sumpfflüssigkeit (jeweils ohne gesonderte Bezeichnung) wird nach Abreicherung an Argon in die Niederdruckkolonne 12 zurückgeführt. Zur Kühlung eines Kopfkondensators der Argonausschleuskolonne 51 wird Sumpfflüssigkeit aus der Hochdruckkolonne 11 verwendet, die nach teilweiser Verdampfung in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist wird

Unter einer "Argonausschleuskolonne" wird hier eine Trennkolonne zur Argon- Sauerstoff-Trennung bezeichnet, die nicht zur Gewinnung eines reinen Argonprodukts, sondern zur Ausschleusung von Argon aus der in Druckkolonne und Niederdruckkolonne zu zerlegenden Luft dient. Ihre Schaltung unterscheidet sich nur wenig von der einer klassischen Rohargonkolonne, allerdings enthält sie deutlich weniger theoretische Böden, nämlich weniger als 40, insbesondere zwischen 35 und 15. Wie eine Rohargonkolonne ist der Sumpfbereich einer Argonausschleuskolonne mit einer Zwischenstelle der Niederdruckkolonne verbunden und die Argonausschleuskolonne wird durch einen Kopfkondensator gekühlt, auf dessen Verdampfungsseite entspannte Sumpfflüssigkeit aus der Hochdruckkolonne eingeleitet wird; eine Argonausschleuskolonne weist keinen Sumpfverdampfer auf.

In den Figuren 6 und 7 sind Temperatur-Enthalpie-Diagramme des Hauptwärmetauschers 3 einer Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, beispielsweise einer Luftzerlegungsanlage 100 bis 500 gemäß den Figuren 1 bis 5, wobei jeweils eine Temperatur auf der Vertikalachse in K gegenüber einer Enthalpiesumme in kW auf der Horizontalachse aufgetragen sind und das Diagramm gemäß Figur 7 einer vergrößerten Darstellung des Diagramms gemäß Figur 6 entspricht. Die Temperaturpunkte Ta1 und Ta2 entsprechen dabei jeweils den Entnahmetemperaturniveaus der Teilströme a1 und a2.

Die Luftzerlegungsanlagen gemäß Figuren 1 bis 5 können selbstverständlich auch zur Gewinnung vom Niederdruck-Stickstoffprodukt (LPGAN) als Nebenproduckt der Luftzerlegung angepasst werden. Dies kann sinngemäß durch den Einsatz einer entsprechenden Trennsektion in der Niederdruckkolonne 12 erfolgen.