Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und Luftzerlegungsanlage

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und eine Luftzerlegungsanlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Hintergrund der Erfindung

Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.

Luftzerlegungsanlagen klassischer Art weisen Kolonnensysteme auf, die beispielsweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als Doppelkolonnensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen, vorgesehen sein.

Die Rektifikationskolonnen der genannten Kolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Druckkolonne (auch als Hochdruckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (obere Kolonne) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druckniveau von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,6 bar, betrieben, die Niederdruckkolonne dagegen auf einem Druckniveau von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1 ,4 bar. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen. Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und zur Bereitstellung von Luftprodukten zu verbessern und insbesondere energetisch günstiger auszugestalten.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte und eine Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Nachfolgend werden zunächst einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung erläutert und zur Beschreibung der Erfindung verwendete Begriffe definiert.

Zur Luftzerlegung können sogenannte Haupt(luft)verdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren oder sogenannte Hochluftdruck-(High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zum Einsatz.

Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Kolonnensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet wird, das wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, oberhalb des Druckniveaus der Druckkolonne, und damit dem höchsten in dem Kolonnensystem verwendeten Druckniveau, liegt. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf das Druckniveau der Druckkolonne oder ein Druckniveau, das sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar hiervon unterscheidet, verdichtet, und auf diesem ohne Entspannung in die Druckkolonne eingespeist. Ein Beispiel für ein derartiges Hauptluftverdichter/Nachverdichter-Verfahren ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt.

Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die gesamte dem Kolonnensystem insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf ein Druckniveau verdichtet, das wesentlich, d.h. um 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar oberhalb des Druckniveaus der Druckkolonne und damit dem höchsten in dem Kolonnensystem verwendeten Druckniveau, liegt. Der Druckunterschied kann beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar betragen.

Hochluftdruck-Verfahren sind vielfach beschrieben worden und beispielsweise aus der EP 2 980 514 A1 und der EP 2 963 367 A1 bekannt.

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

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

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

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

In typischen Luftzerlegungsanlagen sind zur Kälteerzeugung und Verflüssigung von Stoffströmen an unterschiedlichen Stellen entsprechende Entspannungsturbinen vorhanden. Hierbei handelt es sich insbesondere um sogenannte Joule-Thomson- Turbinen, Claude-Turbinen und Lachmann-Turbinen. Zur Funktion und zum Zweck entsprechender Turbinen wird ergänzend auf die Fachliteratur, beispielsweise F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, insbesondere die Abschnitte 2.4, "Contemporary Liquefaction Cycles", 2.6, "Theoretical Analysis of the Claude Cycle" und 3.8.1 , "The Lachmann Principle", verwiesen.

Flüssige, gasförmige oder auch im überkritischen Zustand vorliegende Fluide können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der soeben getroffenen Definition von "reich" entsprechen, bezeichnet jedoch insbesondere einen Gehalt von mehr als 90%. Ist hier beispielsweise von "Stickstoff" die Rede, kann es sich um ein Reingas, aber auch ein an Stickstoff reiches Gas handeln. Nachfolgend werden zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau" bzw. "Druckbereich" und "Temperaturbereich" verwendet, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um ein erfinderisches Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5% oder 10% um einen Mittelwert liegen. Unterschiedliche Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten, ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke, sofern nicht anders erwähnt.

Bei einem "Hauptwärmetauscher" einer Luftzerlegungsanlage handelt es sich um einen Wärmeübertragungsapparat, in dem typischerweise sämtliche oder der überwiegende Teil der in der Luftzerlegungsanlage zu zerlegenden Luft abgekühlt wird, und zwar insbesondere im Gegenstrom zu einem zumindest überwiegenden Teil oder den gesamten mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellten gasförmigen Luftprodukte. Der Hauptwärmetauscher kann einen oder mehrere, identisch oder unterschiedlich aufgebaute Wärmetauscherblöcke bekannter Art aufweisen, die insbesondere parallel betrieben werden können.

Die in der Erfindung verwendeten Wärmetauscher bzw. Wärmetauscherblöcke sind insbesondere als gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium (Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchangers, PFHE; Bezeichnungen gemäß der deutschen und englischen Ausgabe der ISO 15547-2:3005) ausgebildet, wie sie in einer Vielzahl von verfahrenstechnischen Anlagen bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen eingesetzt werden. Gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium sind in Figur 2 der ISO 15547-2:3005 sowie auf Seite 5 der Veröffentlichung "The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association" der ALPEMA, 3. Auflage 2010, gezeigt und beschrieben.

Der Begriff "Wärmetauscherblock" steht hier insbesondere für eine durch (Vakuum-) Hartlöten hergestellte Einheit, die aus Strukturblechen, Verteilerlamellen, sogenannten Sidebars, Trennblechen und Deckblechen gebildet ist und auf die sogenannte Header aufgebracht sind. Ein entsprechender Rippen-Platten-Wärmetauscher kann insbesondere aus Fertigungsgründen aus mehreren entsprechenden quaderförmigen und miteinander verbundenen Wärmetauscherblöcken ausgebildet sein.

Zu weiteren Details bezüglich bekannter Verfahren zur Herstellung von Plattenwärmetauschern sei bei Bedarf beispielsweise auf die Veröffentlichung von W. Diery, "The Manufacture of Plate-Fin Heat Exchangers at Linde", Linde Reports on Science and Technology 37/1984, Seiten 24 bis 31 , verwiesen.

Merkmale und Vorteile der Erfindung

Während HAP-Verfahren aufgrund der geringen Anzahl an drehenden Maschinen und den höheren auftretenden Drücken typischerweise hinsichtlich der Erstellungskosten und einiger Betriebskosten kosteneffizienter sind als konventionelle MAC-BAC- Verfahren, sind zumeist Nachteile im Energiebedarf zu verzeichnen.

Bei Anlagen mit einer sehr hohen Flüssigleistung (d.h. einer vergleichsweise großen Menge an flüssig der Anlage entnommenen Luftprodukten) im Verhältnis zu innenverdichteten Strömen (zur Innenverdichtung sei ebenfalls auf die einleitend zitierte Fachliteratur verwiesen), oder bei (im Wesentlichen) ausschließlicher Flüssigproduktion, werden sogenannte "Excess Air"-Verfahren eingesetzt (siehe auch Figur 1 und die diesbezüglichen Erläuterungen).

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Modifikation eines entsprechenden "Excess Air"-Verfahrens besondere Vorteile bietet. Bei einem derartigen Verfahren wird, allgemein gesprochen, ein Teil der insgesamt verdichteten und abgekühlten Luft turbinenentspannt (in einer sogenannten Überschussluft-Turbine, aber nicht (wie in einer Joule-Thomson-Turbine) in die Druckkolonne oder (wie in einer Lachmann-Turbine) in die Niederdruckkolonne eingespeist und dort zerlegt, sondern ohne Zerlegung im Hauptwärmetauscher wieder auf ein warmseitiges Temperaturniveau desselben erwärmt und aus der Anlage ausgeleitet. Die Entspannung kann insbesondere auf Atmosphärendruck erfolgen. Da die Luft eines entsprechend erwärmten Stoffstroms bereits einer Aufreinigung unterworfen wurde, kann dieser anstelle einer Abgabe an die Atmosphäre grundsätzlich wieder zur zu verdichtenden Einsatzluft, d.h. stromauf des Hauptwärmetauschers, zugespeist werden. Entsprechende Verfahren, auch in Kombination mit den bereits erläuterten HAP-Verfahren, sind aus der US 3,905,201 A, der WO 2014/154339 A2 und der EP 3 343 158 A1 bekannt.

In einem Beispiel, das auch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, kann Luft im Hauptluftverdichter auf einen hohen Druck, z.B. 23 bar, verdichtet werden (Hochluftdruck-Verfahren). Anschließend kann die Luft in zwei in Reihe geschalteten Boostern weiter verdichtet werden. Die Booster werden von Turbinen angetrieben. Eine Turbine entspannt dabei von dem mittels der Booster erzielten Druck oberhalb des bereits hohen Austrittsdrucks des Hauptluftverdichters auf den Drucksäulendruck (z.B. 5,6 bar). Anschließend wird diese Luft auf die notwendige Drucksäulenluft (welche zur Rektifikation notwendig ist) und einen Überschussanteil aufgeteilt. Der Überschussanteil (die "Excess Air", nachfolgend auch als Überschussluft bezeichnet) wird im Hauptwärmetauscher angewärmt und einer zweiten Turbine zugeführt, welche den zweiten Booster oder (je nach Flüssigkeitsleistung im Verhältnis zur Innenverdichtungsmenge) einen Generator antreibt und auf einen Druck entspannt, welcher etwas über Umgebungsdruck liegt. Dieser Anteil wird dann im Hauptwärmetauscher angewärmt und z.B. in die Umgebung abgeblasen.

Die vorliegende Erfindung kann insbesondere in Fällen zum Einsatz kommen, in denen der Luftzerlegungsanlage zumindest zeitweise mehr als 35%, insbesondere mehr als 40% oder mehr als 50% flüssiger Luftprodukte, bezogen auf die Menge innenverdichteter Luftprodukte, entnommen werden.

Bei Hochluftdruck-Verfahren, die mit einer Überschussluft-Turbine ausgestattet sind, um eine große Menge an Flüssigkeit zu produzieren, wird das Wärmetauschervolumen mit Erhöhung der Menge der Überschussluft stark erhöht. Der Grund besteht darin, dass die in der Überschussluft-Turbine entspannte Luft (auf einem Druck in einem leicht überatmosphärischen Druckbereich von beispielsweise ca. 1 ,2 bar) mit einer Eintrittstemperatur von ca. 180 K in den Hauptwärmetauscher eintritt und auf Umgebungstemperatur angewärmt wird. Der kalte Teil der für diese Luft erforderlichen Passagen des Hauptwärmetauschers (unterhalb der genannten Eintrittstemperatur) kann nicht genutzt werden und ist damit Leervolumen. Dies macht z.B. ca. 3/4 der entsprechenden Passagen aus und damit ca. 10% des Gesamtwärmetauschervolumens. Bei größeren Anlagen führt dies zu einem sehr großen Wärmetauscher und damit zu hohen Kosten. Die vorliegende Erfindung überwindet diesen Nachteil.

Die vorliegende Erfindung kann, wie erwähnt, insbesondere bei großen Hauptwärmetauschervolumina zum Einsatz kommen, bei denen aufgrund der Größe mehrere (mindestens zwei) Wärmetauscherblöcke zum Einsatz kommen müssen, beispielsweise bei Volumina von 30 bis 100 m ³ oder mehr, insbesondere 80 bis 90 m ³ . Insbesondere bei derart großen Hauptwärmetauschern sind die genannten Leervolumina von Nachteil, da dieses bei allen Wärmetauscherblöcken vorkommt. Die Erfindung schafft hier eine Lösung, die die Investitionskosten (CAPEX) verringert, ohne Nachteile in den Betriebskosten (OPEX) zu bewirken.

Zusammengefasst löst die vorliegende Erfindung diese Problemstellung dadurch, dass die Erwärmung der Überschussluft vom Hauptwärmetauscher abgelöst und in einem separaten Gegenstromwärmetäuscher durchgeführt wird. Im Gegenstrom muss mindestens ein warmer Strom geführt werden, wie weiter unten zu spezifischen Ausgestaltungen der Erfindung erläutert.

Ist nachfolgend von einem "separaten" Gegenstromwärmetäuscher die Rede, so sei hierunter insbesondere ein Gegenstromwärmetäuscher verstanden, dessen Wärmetauscherblock(blöcke) separat zu dem Wärmetauscherblock oder den Wärmetauscherblöcken des Hauptwärmetauschers bereitgestellt ist, wobei die Wärmetauscherblöcke lediglich über Leitungen und ggf. Befestigungsstrukturen verbunden sind, aber diese jeweils insbesondere als Rippen-Platten- Wärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher insbesondere keine gemeinsamen Wärmetauscherplatten aufweisen.

Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung eines oder mehrerer Luftprodukte vor, bei dem eine Luftzerlegungsanlage verwendet wird, die ein Kolonnensystem mit einer Druckkolonne und einer Niederdruckkolonne und einen Hauptwärmetauscher aufweist, wobei die Druckkolonne in einem ersten Druckbereich von insbesondere 4 bis 7 bar, beispielsweise 5 bis 6 bar, insbesondere bei ca. 5,6 bar, betrieben wird, und wobei die Niederdruckkolonne in einem zweiten Druckbereich von insbesondere 1 bis 2 bar, insbesondere beispielsweise bei 1 ,2 bar bis 1 ,5 bar, insbesondere bei ca. 1 ,4 bar, betrieben wird. Dem Kolonnensystem wird Luft zugeführt, die in dem Kolonnensystem zerlegt wird, und deren Menge hier als Zerlegungsluftmenge bezeichnet wird.

In dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird eine Ausgangsluftmenge, die die Zerlegungsluftmenge insbesondere vollständig umfasst, auf einen Druck in einem dritten Druckbereich verdichtet, der um mindestens 5, 10, 15 oder 20 bar oberhalb des ersten Druckbereichs liegt, beispielsweise einem dritten Druckbereich von 20 bis 50 bar, insbesondere ca. 25 bis 40 bar. Der dritte Druckbereich kann - im Rahmen der soeben getroffenen Definition - auch Drücke umfassen, die beim 1,1- bis 1,9-fachen, insbesondere beim 1 ,3- bis 1 ,6-fachen der Drücke in dem ersten Druckbereich liegen.

Ein Anteil von mindestens 90% der in dem Kolonnensystem insgesamt zerlegten Zerlegungsluftmenge, insbesondere mehr als 95% hiervon oder die gesamte Zerlegungsluftmenge, wird durch eine erste Teilmenge der Ausgangsluftmenge gebildet, die auf den Druck in dem dritten Druckbereich verdichtet wird. Es wird also im Rahmen der Erfindung, wie mehrfach erwähnt, ein HAP-Verfahren eingesetzt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird Luft der Ausgangsluftmenge unter Erhalt eines Hochdruckluftstroms einer stufenweisen Folgeverdichtung von dem Druck in dem dritten Druckbereich (über einen Druck in einem Zwischendruckbereich) auf einen Druck in einem vierten Druckbereich, der oberhalb des dritten Druckbereichs liegt, unterworfen, wobei unter Verwendung von Luft dieses Hochdruckluftstroms ein nachfolgend als "Folgeluftstrom" bezeichneter Druckluftstrom gebildet wird, der aus dem Hauptwärmetauscher auf einem Druck in dem vierten Druckbereich und auf einer Zwischentemperatur in einem Temperaturbereich von 130 bis 190 K ausgeführt wird. Die Zwischentemperatur kann dabei in einer nachfolgend als "erste Gruppe" bezeichneten Gruppe von Ausgestaltungen der Erfindung bei 135 bis 145 K, insbesondere ca. 140 K, liegen, und in einer nachfolgend als "zweite Gruppe" bezeichneten Gruppe von Ausgestaltungen der Erfindung bei 140 bis 145 K, insbesondere ca. 144 K. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen konkreten Ausgestaltungen beschränkt und auch in den jeweils erläuterten Ausführungsformen nicht entsprechend festgelegt, d.h. die Temperaturen können auch in den jeweils anderen Bereichen oder dazwischen liegen. Je nach Produktkonstellation (Innenverdichtungsdruck) können unterschiedliche Varianten vorteilhaft sein. Wie ebenfalls nachfolgend ausgeführt, muss in bestimmten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung nicht der gesamte Hochdruckluftstrom zur Bildung des Folgeluftstroms verwendet werden, wohingegen in anderen Ausgestaltungen gerade dies der Fall ist. Auch kann weitere Luft der Ausgangsluftmenge beispielsweise als ein Drosselstrom ohne weitere Verdichtung, d.h. auf dem Druck in dem dritten Druckniveau, und ohne weitere druckbeeinflussende Maßnahmen wie Verdichtung und Entspannung durch den Hauptwärmetauscher geführt, danach insbesondere verflüssigt, und danach in das Kolonnensystem, insbesondere die Druckkolonne, entspannt werden.

Die erwähnte Folgeverdichtung zur Bildung des Hochdruckluftstroms wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung nacheinander unter Verwendung eines ersten Boosters und unter Verwendung eines zweiten Boosters, also seriell über einen Zwischendruck und insbesondere unter Einsatz einer Nachkühlung, insbesondere mit Wasser, stromab jedes der Booster, durchgeführt, wobei der erste und zweite Booster und die erste und zweite Turbine jeweils in beliebiger Weise, insbesondere paarweise, mechanisch miteinander gekoppelt. Dabei kann der erste Booster unter Verwendung der ersten oder zweiten Turbine angetrieben werden und der zweite Booster unter Verwendung der jeweils anderen Turbine. Es ist aber auch möglich, die erste und/oder zweite Turbinen nicht mit dem ersten und/oder zweiten Booster zu koppeln sondern beispielsweise über einen Generator oder eine Ölbremse zu bremsen. Dies schafft eine höhere Flexibilität in der Flüssigleistung durch die Entkopplung von Entspannung und Verdichtung.

Luft des Folgeluftstroms wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung einer Entspannung in der ersten Turbine unterworfen, welcher der Folgeluftstrom in auf der Temperatur in dem erwähnten Temperaturbereich, auf dem er dem Hauptwärmetauscher entnommen wird, zugeführt wird, und danach, d.h. nach der Entspannung in der ersten Turbine, zur Bildung eines Zerlegungsluftstroms verwendet, wobei Luft des Zerlegungsluftstroms in dem Kolonnensystem zerlegt wird. In einem ersten Betriebsmodus, der auch der einzige Betriebsmodus sein kann, wird weitere Luft des Folgeluftstroms einer Entspannung in der ersten Turbine unterworfen und danach zur Bildung eines Überschussluftstroms verwendet, dessen Luft ohne eine vorherige Zerlegung in dem Kolonnensystem entspannt und erwärmt wird. Die entsprechend behandelte Luft des Überschussluftstroms wird dabei in dem ersten Betriebsmodus nacheinander einer Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher, einer Entspannung in der zweiten Turbine (insbesondere auf Umgebungsdruck oder ein leicht überatmosphärischen Druck in dem zweiten Druckbereich) und einer weiteren Erwärmung (insbesondere etwa bis auf Umgebungstemperatur) unterworfen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die weitere Erwärmung der Luft des Überschussluftstroms in dem ersten Betriebsmodus unter Verwendung eines weiteren Wärmetauschers durchgeführt wird, der einen Wärmetauscherblock aufweist, der separat zu einem Wärmetauscherblock des Hauptwärmetauschers bereitgestellt ist, und dass in dem weiteren Wärmetauscher Luft der Ausgangsluftmenge in dem ersten Betriebsmodus einer Abkühlung unterworfen wird. Durch diese Maßnahmen können insbesondere die erwähnten Leervolumina im Hauptwärmetauscher verringert bzw. eliminiert werden. Wie sich herausgestellt hat, weisen bekannte Verfahren und Anlagen einen Energienachteil von ca. 10% gegenüber dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren und seinen Ausgestaltungen auf.

Nachfolgend wird stillschweigend immer dann, wenn von der Bildung des Überschussluftstroms und dem Betrieb des weiteren Wärmetauschers die Rede ist, davon ausgegangen, dass der erste Betriebsmodus vorliegt, auch wenn dies jeweils nicht explizit erwähnt werden sollte. Wie erwähnt, kann der erste Betriebsmodus der einzige Betriebsmodus sein oder es kann neben dem ersten Betriebsmodus ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen sein, in der der Überschussluftstrom nicht gebildet wird und insbesondere auch der weitere Wärmetauscher nicht in Betrieb sein kann. Dies kann insbesondere in Fällen vorgesehen sein, in denen eine (vergleichsweise) geringe Flüssigproduktion erfolgen soll.

In allen Fällen, in denen der Überschussluftstrom gebildet wird, kann ein Teilstrom der anzuwärmenden Überschussluft nach der Entspannung in der zweiten Turbine mit einem Unreinstickstoffstrom aus der Niederdruckkolonne gemischt und im Hauptwärmetauscher angewärmt werden.

In dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist in der bereits erwähnten ersten Gruppe von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung die in dem weiteren Wärmetauscher der Abkühlung unterworfene Luft ein Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms.

In der ersten Gruppe von Ausgestaltungen wird dabei insbesondere zumindest ein Teil der in dem weiteren Wärmetauscher der Abkühlung unterworfenen Luft danach in dem Hauptwärmetauscher zur Bildung des Folgeluftstroms einer Vereinigung mit einem weiteren Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms unterworfen, der dem Hauptwärmetauscher warmseitig zugeführt wird. Der Folgeluftstrom wird also hier unter Verwendung zweier Anteile des Hochdruckluftstroms gebildet, von denen einer ohne weitere druckbeeinflussende Maßnahmen im Hauptwärmetauscher, der andere aber in dem separaten Wärmetauscher abgekühlt werden. Beide Anteile werden auf einem geeigneten Zwischentemperaturniveau im Hauptwärmetauscher vereinigt, in diesem weiter abgekühlt und diesem in Form des Folgeluftstroms entnommen. Die vorgeschlagene Maßnahme hat den Vorteil, dass die in den zusätzlichen Wärmetauscher ausgelagerten Passagen nicht im Hauptwärmetauscher bereitgestellt werden müssen, wo sie zu ungenutztem Raum kaltseitig der Entnahme des Folgeluftstroms führen würden. Bei bestimmten Produktkonstellationen kann aber auch eine separate Führung der beiden Anteile ohne Vereinigung auf dem Zwischentemperaturniveau durch den Hauptwärmetauscher erfolgen. Diese ist also nicht zwingend erforderlich,

In der ersten Gruppe von Ausgestaltungen werden zumindest 90% einer aus der Vereinigung resultierenden Luftmenge, insbesondere 95% dieser Luftmenge oder die gesamte Luftmenge zur Bildung des Folgeluftstroms verwendet.

In der erwähnten zweiten Gruppe von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist die in dem weiteren Wärmetauscher der Abkühlung unterworfene Luft ein Anteil der Luft der Ausgangsluftmenge auf einem Druck in dem dritten Druckbereich, der nicht zur Bildung des Hochdruckluftstroms verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass der Designdruck des gesplitteten Wärmetauschers verringert werden kann, da der warme abzukühlende Luftstrom mit geringerem Druck bereitgestellt wird. Im Weiteren kann die Temperatur der kalten (ersten) Turbine freier gewählt werden.

In der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen kann zumindest ein Teil der in dem weiteren Wärmetauscher der Abkühlung unterworfenen Luft danach, d.h. nach dieser Abkühlung, in dem Hauptwärmetauscher zur Bildung eines Joule-Thomson-Stroms an sich bekannter Art einer Vereinigung einer Vereinigung mit weiterer, nicht zur Bildung des Hochdruckluftstroms verwendeter Luft der Ausgangsluftmenge unterworfen werden. Der auf diese Weise gebildete Joule-Thomson-Strom kann insbesondere in dem Hauptwärmetauscher weiter abgekühlt werden. Insbesondere kann dieser Joule- Thomson-Strom dabei auch zusätzlich zu beliebigen weiteren, beispielsweise einem oben erwähnten Joule-Thomson-Strom, bereitgestellt werden.

In der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen können insbesondere zumindest 90% einer aus der Vereinigung resultierenden Luftmenge zur Bildung des Joule-Thomson- Stroms verwendet werden.

In der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen kann ferner ein erster Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms zur Bildung des Folgestroms verwendet wird und ein zweiter Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms in dem Hauptwärmetauscher weiter abgekühlt und kaltseitig desselben mit dem Joule-Thomson-Strom vereinigt werden.

In allen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die in dem weiteren Wärmetauscher der Abkühlung unterworfene Luft auf eine Temperatur in einem geeigneten Temperaturbereich abgekühlt werden, wobei dieser Temperaturbereich insbesondere von dem Temperaturbereich abhängt, in dem die zweite Turbine betrieben wird. Dieser Temperaturbereich kann insbesondere bei 2 bis 15 K oder 20 K oberhalb der Austrittstemperatur der zweiten Turbine liegen. Der Temperaturbereich kann in der ersten Gruppe von Ausgestaltungen insbesondere bei 190 bis 195 K, und in der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen insbesondere bei 195 bis 200 K, insbesondere bei ca. 196 K, liegen kann. In der ersten und zweiten Gruppe von Ausgestaltungen kann der Überschussluftstrom dem weiteren Wärmetauscher insbesondere auf einer Temperatur in einem Temperaturbereich von 165 bis 210 K, insbesondere mit ca. 184 K, zugeführt werden, welche Temperatur durch die Entspannung in der zweiten Turbine erreicht wird, und dieser Überschussluftstrom kann durch die Entspannung in der zweiten Turbine insbesondere als einphasiger (gasförmiger) Strom gebildet werden.

In allen Fällen kann die Luft des Überschussluftstroms vor der Entspannung in der zweiten Turbine ausgehend von einer Temperatur in einem Temperaturbereich von 90 bis 115 K und bis auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich von 240 K bis Umgebungstemperatur erwärmt werden, wobei insbesondere eine Temperatur in einem Temperaturbereich von 270 bis 290 K vorteilhaft ist. Dies entspricht der Austrittstemperatur der kalten Turbine.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden ein oder mehrere Luftprodukte mittels Innenverdichtung bereitgestellt, wobei zumindest zeitweise mehr als 35% flüssiger Luftprodukte, bezogen auf die (gesamte) Menge innenverdichteter Luftprodukte, bereitgestellt werden. Dies umfasst insbesondere auch die ausschließliche Bereitstellung flüssiger Luftprodukte ohne die Bereitstellung innenverdichteter Luftprodukte.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage. Zu Merkmalen und Vorteilen einer derartigen Luftzerlegungsanlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch verwiesen. Insbesondere ist eine derartige Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet, ein Verfahren in einer oder mehreren der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen und weist hierzu entsprechend ausgebildete Mittel auf. Zu Merkmalen und Vorteilen sei daher ausdrücklich auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die die bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Darstellung.

Figur 2 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Teildarstellung.

Figur 3 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Teildarstellung. In den Figuren sind jeweils gleiche oder vergleichbare Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. In mehreren Figuren identisch veranschaulichte Komponenten sind zum Teil nicht erneut mit Bezugszeichen versehen. Anlagenkomponenten können jeweils auch für entsprechende Verfahrensschritte stehen, so dass die nachfolgenden Erläuterungen zu den Luftzerlegungsanlagen auch entsprechende Verfahren betreffen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in Form eines vereinfachten Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet.

In der Luftzerlegungsanlage gemäß Figur 1 wird Luft aus der Atmosphäre mittels eines Hauptluftverdichters 1 über einen nicht gesondert bezeichneten Filter angesaugt und auf den zuvor mehrfach erwähnten Druck in dem dritten Druckbereich verdichtet. Es handelt sich um die mehrfach erwähnte Ausgangsluftmenge. Ein auf diese Weise bereitgestellter Druckluftstrom A wird nach einer Kühlung in nicht gesondert bezeichneten Wärmetauschern und einer Abscheidung von Wasser einer Adsorberstation 2 zugeführt und dort von unerwünschten Komponenten wie Wasser und Kohlendioxid befreit. Der Druckluftstrom A, also die Ausgangsluftmenge, wird in zwei Teilströme B und C aufgeteilt.

Der Teilstrom B wird als Joule-Thomson-Strom vom warmen zum kalten Ende durch einen Hauptwärmetauscher 3 geführt, dort zumindest teilweise verflüssigt und danach in eine Druckkolonne 11 eines Kolonnensystems 10 eingespeist, die in dem mehrfach erwähnten ersten Druckbereich betrieben wird. Unmittelbar unterhalb der Einspeisestelle des Teilstroms B in die Druckkolonne 11 wird Flüssigkeit entnommen, die durch einen Unterkühlungsgegenströmer 14 geführt und in eine in dem mehrfach erwähnten zweiten Druckbereich betriebene Niederdruckkolonne 12 des Kolonnensystems 10 eingespeist. Das Kolonnensystem 10, das ferner einen insgesamt mit 13 bezeichneten Argongewinnungsteil aufweist, wird in an sich fachüblicher Art betrieben. Zu Details sei daher auf einschlägige Fachliteratur, wie sie eingangs zitiert wurde, beispielsweise die Erläuterungen zu Figur 2.3A bei Haering, verwiesen. Der Teilstrom C, also ebenfalls Luft der Ausgangsluftmenge, wird unter Erhalt eines Hochdruckluftstroms D einer stufenweisen Folgeverdichtung von dem Druck in dem dritten Druckbereich auf einen Druck in einem vierten Druckbereich, der oberhalb des dritten Druckbereichs liegt, unterworfen, wobei unter Verwendung von Luft des Hochdruckluftstroms D, wie weiter unten erläutert, ein Folgeluftstrom E gebildet wird, der aus dem Hauptwärmetauscher auf einem Druck in dem vierten Druckbereich und auf einer Zwischentemperatur im erwähnten Bereich ausgeführt wird.

Die Folgeverdichtung des Teilstroms C zur Bildung des Hochdruckluftstroms D erfolgt in dem spezifischen Beispiel nacheinander unter Verwendung eines ersten Boosters 4, der unter Verwendung einer ersten Turbine 5 angetrieben wird, und unter Verwendung eines zweiten Boosters 6, der unter Verwendung einer zweiten Turbine 7 angetrieben wird. Luft des Folgeluftstroms E wird einer Entspannung in der ersten Turbine 5 unterworfen und danach gemäß der Ausgestaltung gemäß Figur 1 vollständig in Form des Stoffstroms X in die Druckkolonne 11 eingespeist.

Unmittelbar oberhalb der Einspeisung des Stoffstroms X in die Druckkolonne 11 wird in der Ausgestaltung gemäß Figur 1 ein Überschussluftstrom Y abgezogen, der dem Hauptwärmetauscher 3 kaltseitig zugeführt und auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, danach in der zweiten Turbine 7 entspannt, von kaltseitig nach warmseitig durch einen weiteren Wärmetauscher 8 geführt und beispielsweise an die Atmosphäre abgegeben oder anderweitig verwendet wird.

Die Luftzerlegungsanlage unterscheidet sich dadurch von einer nicht erfindungsgemäß ausgebildeten Luftzerlegungsanlage insbesondre dadurch, dass ein weiterer Wärmetauscher 8 bereitgestellt ist. Wie veranschaulicht und erläutert, wird hier Luft des Folgeluftstroms E einer Entspannung in der ersten Turbine 5 unterworfen und danach in Form eines Stoffstroms X in die Druckkolonne 11 eingespeist. Mit dem Stoffstrom Y wird ein Überschussluftstrom gebildet, wohingegen der Rest als Zerlegungsluftstrom in dem Kolonnensystem 10 zerlegt wird. Die (weitere) Erwärmung der Luft des Stoffstroms Y wird also unter Verwendung des weiteren Wärmetauschers 8 durchgeführt, der einen Wärmetauscherblock aufweist, der separat zu einem Wärmetauscherblock des Hauptwärmetauschers 3 bereitgestellt ist, wobei in dem weiteren Wärmetauscher 8 Luft der Ausgangsluftmenge, hier ein Teilstrom D1 des Hochdruckluftstroms D, einer Abkühlung unterworfen wird. Die Ausgestaltung gemäß Figur 1 gehört damit der mehrfach erwähnten ersten Gruppe von Ausgestaltungen an, in der die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfene Luft ein hier mit D1 bezeichneter Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms ist. Die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfenen Luft des Stoffstroms D1 wird danach in dem Hauptwärmetauscher 3 zur Bildung des Folgeluftstroms E einer Vereinigung mit einem weiteren Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms unterworfen wird, hier mit D2 bezeichnet ist, und der dem Hauptwärmetauscher 3 warmseitig zugeführt wird. Nach Vereinigung und weiterer Abkühlung wird ein auf diese Weise gebildeter Sammelstrom als der Folgeluftstrom E aus dem Hauptwärmetauscher 3 ausgeführt. Wie erwähnt, ist die Vereinigung nicht zwingend notwendig.

Figur 2 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Teildarstellung, die in Teilen der Figur 1 entspricht, wobei eine entsprechende Anlage mit 100 bezeichnet sein soll. Die Einbindung ergibt sich durch die identische Bezeichnung der jeweiligen Anlagenteile und Stoffströme.

Wie in Figur 2 veranschaulicht, wird die Luft des Folgeluftstroms E hier nach der Entspannung in der ersten Turbine 5 und vor der noch stromauf der Druckkolonne 11 zur Bildung eines Zerlegungsluftstroms F und eines Überschussluftstroms G verwendet, wobei der Überschussluftstrom G im Wesentlichen wie zu Figur 1 erläutert behandelt werden kann.

Wie die in Figur 1 veranschaulichte Ausgestaltung gehört auch die Ausgestaltung gemäß Figur 2 der ersten Gruppe von Ausgestaltungen an, in der die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfene Luft ein hier mit D1 bezeichneter Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms ist. Die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfenen Luft des Stoffstroms D1 wird danach in dem Hauptwärmetauscher 3 zur Bildung des Folgeluftstroms E einer Vereinigung mit einem weiteren Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms unterworfen, der hier mit D2 bezeichnet ist, und der dem Hauptwärmetauscher 3 warmseitig zugeführt wird. Nach Vereinigung und weiterer Abkühlung wird ein auf diese Weise gebildeter Sammelstrom als der Folgeluftstrom E aus dem Hauptwärmetauscher 3 ausgeführt. Zu weiteren Details, insbesondere Drücken, Temperaturen und dergleichen, sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich der ersten Gruppe von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ausdrücklich verwiesen.

Figur 3 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltete Luftzerlegungsanlage in vereinfachter Teildarstellung, die in Teilen den zuvor erläuterten Ausgestaltungen entspricht, wobei eine entsprechende Anlage mit 100 bezeichnet sein soll.

Wie auch bereits in Figur 2 veranschaulicht, wird die Luft des Folgeluftstroms E gemäß Figur 3 nach der Entspannung in der ersten Turbine 5 und vor der noch stromauf der Druckkolonne 11 zur Bildung eines Zerlegungsluftstroms F und eines Überschussluftstroms G verwendet, wobei der Überschussluftstrom G im Wesentlichen wie zu Figur 1 und 2 erläutert behandelt werden kann. Ein Joule-Thomson-Strom wird unter Verwendung eines weiteren Teils des Stoffstroms D gebildet.

Anders als die in den Figuren 2 und 3 veranschaulichten Ausgestaltungen gehört die Ausgestaltung gemäß Figur 4 der mehrfach erwähnten zweiten Gruppe von Ausgestaltungen an, in der die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfene Luft ein Anteil der Luft der Ausgangsluftmenge auf einem Druck in dem dritten Druckbereich, und damit des Stoffstroms C, ist, der nicht zur Bildung des Hochdruckluftstroms verwendet wird, und der hier in Form eines Stoffstroms G1 veranschaulicht ist. Die in dem weiteren Wärmetauscher 8 der Abkühlung unterworfenen Luft des Stoffstroms G1 wird danach in dem Hauptwärmetauscher 3 zur Bildung eines Joule-Thomson-Stroms H1 einer Vereinigung mit einem weiteren Anteil der Luft der Ausgangsluftmenge auf einem Druck in dem dritten Druckbereich vereinigt, der nicht zur Bildung des Hochdruckluftstroms verwendet wird, und der hier in Form eines Stoffstroms G2 veranschaulicht ist. Nach Vereinigung und weiterer Abkühlung wird ein auf diese Weise gebildeter Stoffstrom H1 am kalten Ende aus dem Hauptwärmetauscher 3 entnommen. Ferner wird hier nur ein erster Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms D zur Bildung des Folgestroms verwendet und ein zweiter Anteil der Luft des Hochdruckluftstroms in Form eines Stoffstroms H2 in dem Hauptwärmetauscher 3 weiter abgekühlt und mit dem Joule-Thomson-Strom H1 vereinigt. Zu weiteren Details, insbesondere Drücken, Temperaturen und dergleichen, sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ausdrücklich verwiesen.