Verfahren und Anlaoe zur Bereitsteiluna von Druckstickstoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Bereitstellung eines Druckstickstoffprodukts gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Technischer Hintergrund

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.

Die GB 870349 A offenbart ein Verfahren zum Trennen eines Gasgemischs, z.B. Luft, in einer Rektifikationskolonne, um mindestens einen Bestandteil bereitzustellen. Das Gemisch wird gekühlt, indem es durch eine erste Passage in Wärmetauschbeziehung mit einem kalten Kühlmittel geleitet wird, das durch eine zweite Passage fließt und bewirkt, dass Verunreinigungen mit einem höheren Gefrierpunkt in der ersten Passage abgelagert werden. Anschließend erfolgt ein Unterbrechen der Ströme des Gemisches und des kalten Kühlmittels und ein Durchleiten eines kalten Fluids (z.B. Abfallfluid) durch die erste Passage in Wärmetauschbeziehung mit einem warmen Kühlmittel, das in der Lage ist, das kalte Fluid zu erwärmen, um die abgelagerten Verunreinigungen zu sublimieren und abzutransportieren, anschließendes Unterbrechen des Stroms des warmen Kühlmittels, anschließendes Unterbrechen des Stroms des kalten Fluids in der ersten Passage und Wiederherstellen des Stroms des Gemisches und des kalten Kühlmittels in der ersten bzw. zweiten Passage.

Aus der US 5303 556 A ist ein kryogenes Rektifikationsverfahren zur Herstellung von Stickstoffgas unter erhöhtem Druck bekannt, das das Komprimieren eines Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Einsatzes, das Kühlen des komprimierten Einsatzes und das Einleiten des resultierenden gekühlten Einsatzes in eine Kolonne, das Trennen des Einsatzes innerhalb der Kolonne durch Tieftemperaturrektifikation in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffangereicherte Flüssigkeit, das Verdampfen der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit durch indirekten Wärmeaustausch mit stickstoffreichem Dampf, um stickstoffreiche Flüssigkeit und sauerstoffangereicherten Dampf zu erzeugen, das Erhöhen des Drucks der stickstoffreichen Flüssigkeit, um eine stickstoffreiche Flüssigkeit mit erhöhtem Druck zu erzeugen, das Verdampfen der stickstoffreichen Flüssigkeit mit erhöhtem Druck durch indirekten Wärmeaustausch mit komprimiertem Fluid, um Stickstoffgas mit erhöhtem Druck zu erzeugen, und das Gewinnen von Stickstoffgas mit erhöhtem Druck als Produkt umfasst.

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

Je nach den geforderten Produktspektren (d.h. der absolut und relativ zueinander herzustellenden Mengen an flüssigen und gasförmigen Luftprodukten) eignen sich unterschiedliche Anlagenkonfigurationen von Luftzerlegungsanlagen unterschiedlich gut. So können zur Erzeugung von Stickstoff anstelle der erwähnten Zwei- und Mehrkolonnenverfahren auch Einkolonnenverfahren eingesetzt werden. Bei diesen wird nur eine Rektifikationskolonne verwendet, die auf einem Druck in einem vergleichbaren Druckniveau wie eine bekannte Hochdruckkolonne, aber auch auf einem höheren Druck betrieben werden kann. Eine Rektifikationskolonne, die entsprechend einer herkömmlichen Niederdruckkolonne zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung eingesetzt und unter niedrigerem Druck betrieben wird, fehlt dagegen. Dies schließt jedoch nicht aus, dass das Rektifikationskolonnensystem über die genannte Rektifikationskolonne hinaus noch weitere Rektifikationskolonnen aufweisen kann, beispielsweise zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff.

Entsprechende Einkolonnenverfahren können insbesondere als sogenannte Single- Column-Single-Condenser-Verfahren (SCSC) unter Verwendung von sogenannten Restgasturbinen durchgeführt werden. Hierbei wird die Rektifikationskolonne mit einem Kopfkondensator betrieben, in welchem Sumpfflüssigkeit aus der Rektifikationskolonne verdampft und Kopfgas aus der Rektifikationskolonne zur Bildung eines Rücklaufs kondensiert wird. Ein Sumpfaufkocher fehlt dagegen typischerweise. In der Restgasturbine wird zumindest ein Teil der in dem des Kopfkondensator verdampften Sumpfflüssigkeit, das Restgas, zur Kältegewinnung entspannt.

So ist aus der EP 3 521 739 A1 ein Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff bekannt, bei dem die Niederdruckkolonne eines Doppelkolonnensystems, oder allgemeiner eine zweite Rektifikationskolonne zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eines eine erste Rektifikationskolonne zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und die zweite Rektifikationskolonne aufweisenden Kolonnensystems, mit einem Kopfkondensator betrieben wird (auch als "Double Condenser, Double Reboiler" oder "Double Column, Double Condenser" bzw. DCDC-Verfahren bezeichnet).

Insbesondere in Flüssigerdgasterminals, in denen Flüssigerdgas (Liquefied Natural Gas, LNG) verdampft und gasförmig in Versorgungsleitungen eingespeist wird, wird zur Einstellung kalorischer Parameter (Wobbe-Index etc.) gasförmiger Stickstoff unter vergleichsweise hohem Druck (typischerweise 50 bis 130 bar) benötigt. Entsprechendes gilt auch für bestimmte Anwendungen zur Tertiären Ölgewinnung (Enhanced Oil Recovery, EOR), oder auch die Bereitstellung von Stickstoff zur Ammoniaksynthese, wo tendenziell noch höhere Drücke gefordert sind.

Klassischerweise wird für derartige Anwendungen der gasförmige Stickstoff aus einer wie zuvor erläutert ausgebildeten Anlage bei 5 bis 10 bar (abs.) gewonnen und dann aufwendig weiter verdichtet. Bei Mengen unter 20 kNm ³ /h (die Einheit Nm ³ bezeichnet hier Normkubikmeter) erfolgt die Verdichtung des Stickstoffs auf Drücke von über 80 bar (abs.) typischerweise in Kolbenverdichtern, die bauartbedingt erhebliche Nachteile aufweisen (hohe Investitionskosten, niedriger Wirkungsgrad, kein Teillastverhalten, hoher Wartungsaufwand).

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die Bereitstellung von Druckstickstoff, insbesondere im genannten Druckbereich und insbesondere für die genannten Anwendungen, zu verbessern und effizienter zu gestalten.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und eine Anlage zur Bereitstellung eines Druckstickstoffprodukts mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und 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.

Die in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring 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.

Als "Kondensatorverdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensatorverdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf. Verflüssigungs- und Verdampfungsraum weisen Verflüssigungs- bzw. Verdampfungspassagen auf. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Der Verdampfungs- und der Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen. Kondensatorverdampfer werden ihrer Funktion nach auch als "Kopfkondensator" und als "Sumpfverdampfer" bezeichnet, wobei ein Kopfkondensator ein Kondensatorverdampfer ist, in dem Kopfgas einer Rektifikationskolonne kondensiert wird und ein Sumpfverdampfer ein Kondensatorverdampfer, in dem Sumpfflüssigkeit einer Rektifikationskolonne verdampft wird.

In einem "Forced-Flow"-Kondensatorverdampfer wird ein Flüssigkeitsstrom mittels seines eigenen Drucks durch den Verdampfungsraum gedrückt und dort partiell verdampft. Dieser Druck wird beispielsweise durch eine Flüssigkeitssäule in der Zuleitung zum Verdampfungsraum erzeugt. Die Flöhe dieser Flüssigkeitssäule entspricht dabei dem Druckverlust im Verdampfungsraum. Das aus dem Verdampfungsraum austretende Gas-Flüssigkeitsgemisch wird in einem "Once Through"-Kondensatorverdampfer dieser Art nach Phasen getrennt direkt zum nächsten Verfahrensschritt bzw. zu einer stromabwärtigen Vorrichtung weitergeleitet und insbesondere nicht in ein Flüssigkeitsbad des Kondensatorverdampfers eingeleitet, von dem der flüssig verbliebene Anteil erneut angesaugt würde.

Eine "Entspannungsturbine" bzw. "Entspannungsmaschine", die über eine gemeinsame Welle mit weiteren Entspannungsturbinen oder Energiewandlern wie Ölbremsen, Generatoren oder Verdichtern gekoppelt sein kann, ist zur Entspannung eines gasförmigen oder zumindest teilweise flüssigen Stroms eingerichtet. Insbesondere können Entspannungsturbinen zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung als Turboexpander ausgebildet sein. Wird ein Verdichter mit einer oder mehreren Entspannungsturbinen angetrieben, jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors, zugeführte Energie, wird der Begriff "turbinengetriebener" Verdichter oder alternativ "Booster" verwendet. Anordnungen aus turbinengetriebenen Verdichtern und Entspannungsturbinen werden auch als "Boosterturbinen" oder alternativ als "Turbinenbooster" bezeichnet. Ist nachfolgend davon die Rede, dass eine Entspannung in einer Boosterturbine oder einem Turbinenbooster erfolgt, soll damit der Turbinenteil gemeint sein. Entsprechendes gilt für die Verdichtung, die dann in dem Verdichterteil der Boosterturbine oder des Turbinenboosters erfolgt.

In Luftzerlegungsanlagen kommen zur Verdichtung der zu zerlegenden Einsatzluft 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 bzw. Impeller 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 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 Rektifikationskolonnensystem eingespeiste und zur Herstellung von Luftprodukten verwendete 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 als Turboverdichter ausgebildet sein. Auch die Verwendung eines gemeinsamen Verdichters bzw. von Verdichterstufen eines derartigen Verdichters als Hauptluftverdichter und Nachverdichter kann vorgesehen sein. Zur Verdichtung von Teilluftmengen sind in Luftzerlegungsanlagen typischerweise weitere Turboverdichter in Form der erwähnten Booster vorgesehen, die i.d.R. im Vergleich zu dem Hauptluftverdichter oder dem Nachverdichter jedoch nur eine Verdichtung in relativ geringem Umfang vornehmen.

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 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 50%, 25%, 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 ferner 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 Flüssigkeit oder das 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 bzw. das reich an Sauerstoff oder Stickstoff ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss.

Luftzerlegungsanlagen können, wie erwähnt, je nach den zu liefernden Luftprodukten und deren geforderten Aggregat- und Druckzuständen unterschiedlich ausgestaltet werden. So ist zur Bereitstellung von gasförmigen Druckprodukten die sogenannte Innenverdichtung bekannt. Bei dieser wird dem Rektifikationskolonnensystem eine tiefkalte Flüssigkeit entnommen, in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung unterworfen, und durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt. Beispielsweise können auf diese Weise innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff, innenverdichteter gasförmiger Stickstoff oder innenverdichtetes gasförmiges Argon erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer alternativ ebenfalls möglichen externen Verdichtung und ist z.B. bei Häring (s.o.), Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert.

Merkmale und Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren und eine Anlage zur Bereitstellung von Druckstickstoff in der oben erwähnten Single-Column-Single-Condenser-Konfiguration vor, bei dem bzw. der bei guter Effizienz bis zu 100% des gesamten bereitzustellenden Druckstickstoff per Innenverdichtung auf Drücke von 60 bar (abs.) bis 150 bar (abs.) verdichtet werden kann. Optional kann jedoch auch eine Double-Column-Double- Condenser-Konfiguration zum Einsatz kommen, wie sie oben ebenfalls erläutert wurde.

Um die dazu erforderlichen großen Mengen an Flüssigstickstoff der verwendeten Rektifikationskolonne entnehmen zu können, wird gasförmiger Stickstoff aus der verwendeten Rektifikationskolonne weiter verdichtet und im Hauptwärmetauscher verflüssigt, wobei in besonders vorteilhafter Weise verfügbare Kombimaschinen eingesetzt werden können.

Die Erfindung schlägt insgesamt ein Verfahren zur Herstellung eines Druckstickstoffprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft vor, bei dem eine Luftzerlegungsanlage mit einem Hauptwärmetauscher und einer Rektifikationskolonne mit einem Kopfkondensator verwendet wird. Der Kopfkondensator kann als Bad-, Kaskaden- oder Forced-Flow-Kondensator ausgebildet sein, wie erläutert.

Insbesondere bei Verwendung einer Einzelsäule (d.h. die Rektifikationskolonne stellt die einzige Rektifikationskolonne dar) ist das Verfahren investoptimiert, die im Kopfgas des Kondensators enthaltene Druckenergie wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere in einer Restgasturbine genutzt.

In der Rektifikationskolonne werden unter Verwendung von in die Rektifikationskolonne eingespeister und in dem Flauptwärmetauscher abgekühlter Druckluft auf einem Druck in einem ersten Druckbereich ein Kopfgas und eine Sumpfflüssigkeit gebildet, wie grundsätzlich bekannt.

In dem Kopfkondensator wird ein erster Teil des Kopfgases unter Erhalt eines ersten Kondensats auf einem Druck in dem ersten Druckbereich kondensiert und zumindest ein Teil der Sumpfflüssigkeit auf einem Druck in einem zweiten Druckbereich unterhalb des ersten Druckbereichs verdampft, wie ebenfalls insbesondere für die erwähnten Single-Column-Single-Condenser- und Double-Column-Double-Condenser- Konfigurationen bekannt.

Aus einem oberen Bereich der Rektifikationskolonne wird stickstoffreiche Flüssigkeit in einer Produktmenge auf einem Druck in dem ersten Druckbereich entnommen, einer Innenverdichtung unterworfen und zur Bereitstellung des Druckstickstoffprodukts verwendet. Die stickstoffreiche Flüssigkeit wird dabei bei der Innenverdichtung in flüssigem Zustand einer Druckerhöhung auf einen Druck in einem dritten Druckbereich von 50 bis 110 bar Absolutdruck unterworfen und in dem Flauptwärmetauscher in den überkritischen Zustand überführt, so dass die eingangs erwähnten Druckanforderungen durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung erfüllt werden können.

Ein zweiter Teil des Kopfgases wird erfindungsgemäß in einer Rückspeisemenge in dem Flauptwärmetauscher erwärmt, warmseitig des Hauptwärmetauschers einer Verdichtung auf einen Druck in einem vierten Druckbereich unterworfen, in dem Hauptwärmetauscher unter Erhalt eines zweiten Kondensats kondensiert, und in die Rektifikationskolonne zurückgespeist. Erfindungsgemäß liegt der Druck in dem dritten Druckbereich um mindestens den Faktor 1 ,5, insbesondere um mindestens den Faktor 1 ,6 und bis zum Faktor 2 höher als der Druck in dem vierten Druckbereich und ein Mengenverhältnis zwischen der Rückspeisemenge und der Produktmenge beträgt 2:1 bis 1 ,3:1.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Innenverdichtung von Stickstoff (in der Produktmenge) gegen Stickstoff (in der Rückführmenge) erscheint ohne Kenntnis der vorliegenden Erfindung wenig sinnvoll, da gasförmiger Stickstoff grundsätzlich bequem in einem Außenverdichter verdichtet werden kann. Hier besteht ein deutlicher Unterschied gegenüber Sauerstoff, wo bei der Innenverdichtung ein teurer Sauerstoffverdichter durch einen günstigen Booster (BAC) ersetzt wird. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind daher nicht naheliegend. Steigen die Innenverdichtungsdrücke des gasförmigen Stickstoffs jedoch an (insbesondere auf mehr als 70 bar) und ist zugleich die Menge eher gering (beispielsweise weniger als 20,000 Normkubikmeter pro Stunde, so wird die Außenverdichtung zunehmend aufwendig und teuer, da hierbei Kolbenverdichter zum Einsatz kommen müssen. Die Erfindung betrifft insbesondere solche Fälle. Wie erfindungsgemäß erkannt wurde, kann gerade in dieser Konstellation die Innenverdichtung von Stickstoff gegen Stickstoff Vorteile bieten, die sich ausgehend von anderen Verfahren nicht ergeben und hier auch nicht zu erwarten sind.

Durch die vorliegende Erfindung wird gewissermaßen ein "verfahrenstechnisches Getriebe" geschaffen. Der für den zweiten Anteil des Kopfgases verwendete Verdichter, oder entsprechende Verdichterstufen, verdichtet bzw. verdichten eine große Menge an Druckstickstoff auf vergleichsweise geringem Druck und treibt somit die Innenverdichtung einer kleinen Menge an Flüssigstickstoff unter hohem Druck. Die Analogie in einem Getriebe entspricht einer hohen Drehzahl bei kleinem Drehmoment, die in eine niedrige Drehzahl bei hohem Drehmoment gewandelt wird. Die Kombination aus großer Menge und kleinem Druck ermöglicht die Ausführung des entsprechenden Verdichters bzw. der Verdichterstufen als Turboverdichter(stufen), was Vorteile im Bereich Investitionskosten, Wirkungsgrad, Teillastverhalten und Wartung mit sich bringt. Auf die eingangs erwähnten Kolbenverdichter kann verzichtet werden.

Der erste Druckbereich, in dem der Betriebsdruck der Rektifikationskolonne liegt, kann insbesondere bei 7 bis 15 bar (abs.) liegen, beispielsweise bei ca. 10,5 bar (abs.). Die zur Speisung der Rektifikationskolonne kann dabei auf einen Druck in einem Druckbereich oberhalb hiervon liegen, der sich nach der spezifischen Ausgestaltung richtet. Der zweite Druckbereich, in dem der Verdampfungsdruck in dem Kopfkondensator liegt, kann insbesondere bei 3 bis 7 bar (abs.), insbesondere bei ca. 5,6 bar (abs.) liegen. Der vierte Druckbereich, in dem der Druck liegt, auf den der zweite Teil des Kopfgases verdichtet wird, liegt insbesondere bei 30 bis 70 bar (abs.), beispielsweise ca. 36 bar (abs.).

Ein Mengenverhältnis zwischen dem zweiten Teil des Kopfgases, das entsprechend behandelt wird, also der Rückspeisemenge und der der Innenverdichtung unterworfenen stickstoffreichen Flüssigkeit, also der Produktmenge kann insbesondere in einem Bereich von 2:1 bis 1 ,5:1 oder von 1 ,5:1 bis 1 ,3:1 liegen, jeweils bezogen auf normierte Massenströme.

Bei Bedarf kann auch Druckstickstoff auf einem Druckbereich unterhalb des dritten Druckbereichs entnommen werden, und zwar in Form des Kopfgases vor oder nach der Verdichtung auf den Druck in dem dritten Druckbereich, d.h. auf dem Druck in dem ersten oder dem dritten Druckbereich.

Zumindest ein Teil des ersten Kondensats kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in die Rektifikationskolonne zurückgespeist und/oder zur Bereitstellung eines Flüssigstickstoffprodukts verwendet werden, falls erforderlich.

Bei der Verdampfung zumindest eines Teils der Sumpfflüssigkeit in dem Kopfkondensator kann eine Gasphase gebildet werden, die zumindest zu einem Teil zur Bildung eines Restgasstroms verwendet wird, wobei der Restgasstrom auf dem Druck in dem zweiten Druckbereich einer ersten Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher unterworfen, danach einer Entspannung auf einen Druck in einem fünften Druckbereich in einer Boosterturbinenanordnung unterworfen, und danach auf dem Druck in dem fünften Druckbereich einer zweiten Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher unterworfen werden kann.

Hierbei kann insbesondere eine Restgasturbine zur Deckung der Kältebilanz zum Einsatz kommen, wobei die Restgasturbine booster-, öl- oder generatorgebremst ausgeführt werden kann. Die Restgasturbine kann selbstgeboostert sein, oder von einem Booster gebremst werden, der den zuvor verdichteten zweiten Teil des Kopfgases weiter verdichtet, bevor dieser im Hauptwärmetauscher verflüssigt wird.

Mit anderen Worten kann dem der Restgasstrom in der Ausgestaltung mit einer selbstgeboosterten Restgasturbine nach der ersten Erwärmung einer Verdichtung auf einen Druck in einem sechsten Druckbereich in der Boosterturbinenanordnung unterworfen werden, danach auf dem Druck in dem sechsten Druckbereich einer Zwischenabkühlung in dem Hauptwärmetauscher unterworfen werden, und danach der Entspannung auf den Druck in dem fünften Druckbereich in der Boosterturbinenanordnung unterworfen werden, und danach der zweiten Erwärmung unterworfen werden.

Alternativ zu der zuletzt erläuterten Ausgestaltung kann aber auch insbesondere der zweite Teil des Kopfgases nach der Verdichtung warmseitig des Hauptwärmetauschers auf den Druck in dem vierten Druckbereich und vor der Kondensation in dem Hauptwärmetauscher einer weiteren Verdichtung in der Boosterturbinenanordnung auf einen Druck in einem siebten Druckbereich unterworfen werden. Der siebte Druckbereich kann insbesondere bei 40 bis 70 bar (abs.), beispielsweise bei ca. 48 bar (abs.) liegen.

Der der zweite Teil des Kopfgases kann in der soeben erläuterten Ausgestaltung nach der weiteren Verdichtung in der Boosterturbinenanordnung auf den Druck in dem siebten Druckbereich und vor der Kondensation in dem Hauptwärmetauscher aber auch einer (nochmals) weiteren Verdichtung in einer weiteren

Boosterturbinenanordnung auf einen Druck in einem achten Druckbereich unterworfen wird. Durch die zweifache Weiterverdichtung des zweiten Teils des Kopfgases kann der erste dabei verwendete Verdichter mit weniger Stufen ausgeführt werden, was die Baubarkeit insbesondere in Kombination mit dem Hauptluftverdichter verbessert.

In dieser Ausgestaltung kann die weitere Boosterturbinenanordnung (bzw. deren Booster) als Warm- oder Kaltbooster zum Einsatz kommen. Der zweite Teil des Kopfgases kann also insbesondere nach der weiteren Verdichtung in der Boosterturbinenanordnung auf den Druck in dem siebten Druckbereich und vor der weiteren Verdichtung in der weiteren Boosterturbinenanordnung auf den Druck in dem achten Druckbereich einer Abkühlung auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich von 0 bis -170 °C unterworfen werden.

Bei einer Verdichtung der Druckluft auf höhere Werte als sie in dem ersten Druckbereich vorliegen, beispielsweise auf einen Druck in einem Druckbereich von 15 bis 25 bar (abs.), insbesondere 16 bis 24 bar (abs.) kann die Druckluft dem Hauptwärmetauscher auf einer Temperatur in einem ersten

Zwischentemperaturbereich entnommen, in der weiteren Boosterturbinenanordnung auf einen Druck in einem zehnten Druckbereich entspannt, dem Hauptwärmetauscher auf einer Temperatur in einem zweiten Zwischentemperaturbereich wieder zugeführt, und in dem Hauptwärmetauscher weiter abgekühlt werden. Eine entsprechende Ausgestaltung kann alternativ auch eine Verwendung einer öl- oder generatorgebremsten Turbine anstelle der weiteren Boosterturbinenanordnung für die Entspannung der Druckluft umfassen.

Je nach Bedarf können auch eine weitere Turbinen zum Einsatz kommen. Der Hauptwärmetauscher kann auch in mehreren Teilen (z.B. eingerichtet für höhere und niedrigere Drücke) bereitgestellt sein, beispielsweise um Anforderungen an Designdrücke, Thermospannungen und dergleichen zu erfüllen.

Die in die Rektifikationskolonne eingespeiste und in dem Hauptwärmetauscher abgekühlte Druckluft kann auch nur einen Teil einer verdichteten Gesamtluftmenge darstellen, wobei ein weiterer Teil der verdichteten Gesamtluftmenge in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt, einer Entspannung auf einen Druck in einem neunten, insbesondere leicht überatmosphärischen Druckbereich von beispielsweise 1 ,1 bis 1 ,5 bar (abs.) unterworfen, in dem Hauptwärmetauscher auf dem Druck in dem neunten Druckbereich erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden kann.

Dies entspricht der an sich bekannten Verwendung eines Überschussluftstroms bzw. einer entsprechenden Turbine (Excess Air Turbine).

Wie mehrfach erwähnt, können zur Bereitstellung der Druckluft eine oder mehrere erste Verdichterstufen verwendet werden, und bei zur Verdichtung des zweiten Teils des Kopfgases warmseitig des Hauptwärmetauschers können eine oder mehrere (insbesondere zwei oder drei) zweite Verdichterstufen verwendet werden, wobei die eine oder die mehreren ersten und die eine oder die mehreren zweiten Verdichterstufen in einem gemeinsamen Verdichter bereitgestellt sind. Der zweite Anteil des Kopfgases kann - bei Kälteüberschuss - 5 bis 35 °C kälter als die übrigen Ströme zu der oder den Verdichterstufen gefahren werden.

Zu den Merkmalen der erfindungsgemäß ebenfalls vorgeschlagenen Anlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch ausdrücklich verwiesen. Diese Anlage ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor in Ausgestaltungen erläutert wurde. Auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner vorteilhaften Ausgestaltungen sei daher ausdrücklich 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

Figuren 1 bis 5 zeigen Anlagen gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung.

In den Figuren sind einander baulich und/oder funktional entsprechende Komponenten sowie identische oder vergleichbare Stoffströme mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Erläuterungen bzgl. Verfahrensschritten beziehen sich auch auf entsprechende Vorrichtungen bzw. Komponenten von Anlagen und umgekehrt.

In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet.

In der Luftzerlegungsanlage 100 wird Einsatzluft mittels eines Hauptluftverdichters 1 oder einer oder mehrerer entsprechender Verdichterstufen angesaugt und auf einen Druck in einem Druckbereich von 7 bis 15 bar (abs.), beispielsweise ca. 11 bar (abs.) verdichtet. Ein auf diese Weise gebildeter Druckluftstrom wird in einem warmen Teil 2 der Luftzerlegungsanlage 100, der an sich bekannte Komponenten aufweisen kann und insbesondere mit einer Vorreinigungseinheit 2.1 (Prepurification Unit, PPU) bekannter Art ausgestattet sein kann, unter Erhalt eines Druckluftstroms b konditioniert. Nach Aufteilung des Druckluftstroms b in zwei Teilströme c und d werden diese warmseitig einem Hauptwärmetauscher 3 der Luftzerlegungsanlage 100 zugeführt.

Der Teilstrom c wird dem Hauptwärmetauscher 3 der Luftzerlegungsanlage 100 auf einer Zwischentemperatur entnommen und in einer Turbinenanordnung 4 mit einer beispielsweise ölgebremsten Entspannungsturbine entspannt. Der Teilstrom c wird danach in dem Hauptwärmetauscher 3 erwärmt und beispielsweise an die Atmosphäre abgegeben (sogenannte Überschussluft). Der Teilstrom d wird dem Hauptwärmetauscher 3 der Luftzerlegungsanlage 100 kaltseitig entnommen und in eine Rektifikationskolonne 5 eingespeist, in welcher unter Verwendung der eingespeisten Luft ein Kopfgas und eine Sumpfflüssigkeit gebildet werden. Die Rektifikationskolonne 5 wird dabei insbesondere am Kopf auf einem Druck in einem Druckbereich betrieben, der bis auf Druckverluste jenem des Druckluftstroms a entspricht, beispielsweise bei ca. 10,5 bar (abs.).

Das Kopfgas wird aus der Rektifikationskolonne 5 in Form eines Stoffstroms e abgezogen. Ein Teilstrom f des Stoffstroms e wird in einem Kopfkondensator 5.1 der Rektifikationskolonne 5 kondensiert und, wiederum in Anteilen, in Form eines Stoffstroms g zur Bildung eines Rücklaufstroms h auf die Rektifikationskolonne 5 verwendet und in Form eines Stoffstroms i optional in einem ggf. bereitgestellten Unterkühler 6 unterkühlt und als Flüssigstickstoffprodukt bereitgestellt. Ein weiterer Teil des Kopfgases des Stoffstroms e wird in Form eines Stoffstroms k in dem Hauptwärmetauscher 3 erwärmt.

Ein Teil des erwärmten Stoffstroms kwird in Form eines Stoffstroms I in einem Verdichter 7 bzw. einer oder mehreren Verdichterstufen, die auch mit der oder den Verdichterstufen des Hauptluftverdichters 1 in einer gemeinsamen Maschine verbaut sein können, rückverdichtet. Die Rückverdichtung kann beispielsweise auf einen Druck in einem Druckbereich von 40 bis 70 bar (abs.), beispielsweise ca. 44 bar (abs.) erfolgen. Nach der Rückverdichtung wird der Stoffstrom I in dem Hauptwärmetauscher 3 wieder abgekühlt und dabei kondensiert, an einem Drosselventil 8 entspannt, und zur Bildung des bereits erwähnten Rücklaufstroms h verwendet. In dem Kopfkondensator 5.1 der Rektifikationskolonne 5 wird Sumpfflüssigkeit der Rektifikationskolonne 5, die dieser in Form eines Stoffstroms m entnommen, in einem Unterkühler 9 unterkühlt, und an einem Drosselventil 10 entspannt wird, verdampft. Zur Vermeidung der Anreicherung schwerer flüchtiger Komponenten wird aus dem Kopfkondensator 5.1 der Rektifikationskolonne 5 ein Purgestrom n entnommen. Restgas, das durch die Verdampfung der Sumpfflüssigkeit der Rektifikationskolonne 5 gebildet wird, wird gasförmig in Form eines Stoffstroms o aus dem Kopfkondensator 5.1 ausgeführt und durch die Unterkühler 6 (falls vorhanden) und 9 geführt. Die Entnahme erfolgt auf einem Druck in einem Druckbereich, auf dem auch die Sumpfflüssigkeit der Rektifikationskolonne 5 in dem Kopfkondensator 5.1 verdampft wird, insbesondere bei 3 bis 6 bar (abs.), beispielsweise bei ca. 5,6 bar (abs.).

Nach einer weiteren Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher 3 wird der Stoffstrom o sodann in einer Boosterturbinenanordnung 11 auf einen höheren Druck gebracht, dem Hauptwärmetauscher 3 warmseitig wieder zugeführt, diesem auf einer Zwischentemperatur entnommen, in der Boosterturbinenanordnung 11 entspannt, in dem Hauptwärmetauscher 3 vollständig erwärmt, und aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet bzw. in der Vorreinigungseinheit 2.1 in bekannter Weise als Regeneriergas verwendet.

Flüssigstickstoff wird der Rektifikationskolonne 5 in Form eines Flüssigstickstoffstroms p entnommen, in einer Innenverdichtungspumpe 12 flüssig auf Druck gebracht, in dem Hauptwärmetauscher 3 erwärmt und als Druckstickstoffprodukt aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird.

In Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht und insgesamt mit 200 bezeichnet.

Im Unterschied zu der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 ist in der Luftzerlegungsanlage 200 gemäß Figur 2 keine Entnahme von Flüssigstickstoff in Form des Stoffstroms i vorgesehen. Ferner erfolgt hier keine Bildung des Stoffstroms c und dessen Verwendung als Überschussluftstrom. Vielmehr wird in der Luftzerlegungsanlage 200 gemäß Figur 2 der gesamte Stoffstrom b, wie zuvor für den Stoffstrom d in der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 beschrieben, in die Rektifikationskolonne 5 eingespeist. In Figur 3 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht und insgesamt mit 300 bezeichnet.

Im Unterschied zu der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 und der Luftzerlegungsanlage 200 gemäß Figur 2 wird in der Luftzerlegungsanlage 300 gemäß Figur 3 der Stoffstrom I nach seiner Verdichtung in dem Verdichter 7 bzw. den entsprechenden Verdichterstufen anstelle des Stoffstroms o in der Boosterturbinenanordnung 11 auf einen nochmals höheren Druck gebracht, wohingegen der Stoffstrom o keine derartige Druckerhöhung erfährt. Der Stoffstrom o wird lediglich in dem Flauptwärmetauscher 3 auf eine Zwischentemperatur erwärmt, danach in der Boosterturbinenanordnung 11 entspannt und danach in dem Flauptwärmetauscher 3 vollständig erwärmt.

Ansonsten kann die Luftzerlegungsanlage 300 gemäß Figur 3 im Wesentlichen der Luftzerlegungsanlage 200 gemäß Figur 2 entsprechen.

In Figur 4 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht und insgesamt mit 400 bezeichnet.

Im Unterschied zu der Luftzerlegungsanlage 300 gemäß Figur 3 wird in der Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 eine weitere Boosterturbinenanordnung 13 verwendet, in der der Stoffstrom I nach seiner Verdichtung in der Boosterturbinenanordnung 11 auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird. Die weitere Boosterturbinenanordnung 13 wird durch den hier wie in der Luftzerlegungsanlage 200 gemäß Figur 2 und in der Luftzerlegungsanlage 300 gemäß Figur 3 bereitgestellten Stoffstrom b angetrieben. Der Stoffstrom b wird dabei in dem Flauptwärmetauscher 3 auf eine Zwischentemperatur abgekühlt, danach in der weiteren Boosterturbinenanordnung 13 entspannt und nach Rückspeisung in den Flauptwärmetauscher 3 auf einer weiteren Zwischentemperatur weiter abgekühlt.

In Figur 5 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht und insgesamt mit 500 bezeichnet. Im Unterschied zu der Luftzerlegungsanlage 400 gemäß Figur 4 wird in der Luftzerlegungsanlage 500 gemäß Figur 5 der Booster der weiteren Boosterturbinenanordnung 13 als Kaltbooster betrieben. Der Stoffstrom I wird dazu (siehe auch Verknüpfungspunkt L) nach seiner Verdichtung in der Boosterturbinenanordnung 11 und vor der weiteren Verdichtung in der weiteren Boosterturbinenanordnung 13 in dem Flauptwärmetauscher 3 weiter abgekühlt.