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DE102005029274A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft Download PDF

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft. Im Normalbetrieb wird Einsatzluft verdichtet, abgekühlt und einem Destilliersäulen-System (1) zugeführt, eine Produktfraktion flüssig aus dem Destilliersäulen-System (1) abgezogen (2) und in einen Flüssigtank (4) eingeleitet (3), Produktflüssigkeit (5) aus dem Flüssigtank (4) entnommen, in einem Pumpensatz (6) in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, in indirektem Wärmeaustausch (8) mit einem ersten Wärmeträgerstrom verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (9) abgezogen. In einem Notbetrieb wird Produktflüssigkeit (5) aus dem Flüssigtank (4) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (6), in indirektem Wärmeaustausch (62) mit einem zweiten Wärmeträgerstrom verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (63) abgezogen. In einem Bypass-Betrieb wird die flüssig aus dem Destilliersäulen-System (1) abgezogene Produktfraktion (2) an dem Flüssigtank vorbeigeführt (70), in dem Pumpensatz (6) in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, in indirektem Wärmeaustausch (8) verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (9) abgezogen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt. Das Destilliersäulen-System der Erfindung kann als Einsäulensystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung ausgebildet sein, als Zweisäulensystem (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehrsäulensystem. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung.
  • Das Verfahren der Erfindung fällt in die Klasse der Innenverdichtungs-Prozesse. Dabei wird im Normalbetrieb mindestens eines der Produkte des Destilliersäulen-Systems (zum Beispiel Stickstoff aus der Einzelsäule eines Ein-Säulen-Systems, aus der Hochdrucksäule eines Zwei- oder Drei-Säulen-Systems und/oder aus der MDS eines Drei-Säulen-Systems – oder alternativ oder zusätzlich Sauerstoff aus der Einzelsäule eines Ein-Säulen-Systems, aus der MDS eines Drei-Säulen-Systems und/oder aus der Niederdrucksäule eines Zwei- oder Drei-Säulen-Systems) flüssig aus einer der Säulen des Drei-Säulen-Systems oder aus einem mit einer dieser Säulen verbundenen Kondensator entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, in indirektem Wärmeaustausch mit einem ersten Wärmeträgerstrom verdampft beziehungsweise (bei überkritischem Druck) pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen. Der erste Wärmeträger wird häufig durch Einsatzluft und/oder Stickstoff gebildet. Der indirekte Wärmeaustausch kann in einem separaten Wärmetauscher oder in dem Hauptwärmetauscher stattfinden, in dem auch die Abkühlung der Einsatzluft durchgeführt wird.
  • Die Druckerhöhung in der Flüssigkeit kann durch jede bekannte Maßnahme durchgeführt werden, beispielsweise mittels einer Pumpe, der Ausnutzung eines hydrostatischen Potentials und/oder der Druckaufbauverdampfung an einem Tank.
  • Der Begriff "Verdampfen" schließt hier eine Pseudo-Verdampfung unter überkritischem Druck ein. Der Druck, auf die Produktflüssigkeit gebracht wird, kann also auch über dem kritischen Druck liegen, ebenso wie der Druck des Wärmeträgers, der gegen den Stickstoff (pseudo-)kondensiert wird.
  • Aus EP 895045 B1 (= US 6038885 ) ist bereits bekannt, einen Flüssigtank und anschließende Mittel zur Druckerhöhung im flüssigen Tank sowohl für die Innenverdichtung zu nutzen, als auch für einen Notbetrieb, der bei Ausfall des Destilliersäulen-Systems eine Fortsetzung der Lieferung von gasförmigem Druckprodukt erlaubt. Im Notbetrieb wird die auf Druck gebrachte Produktflüssigkeit gegen einen anderen, zweiten Wärmeträgerstrom verdampft, üblicherweise in einem atmosphärischen oder in einem Wasserbad-Verdampfer. Diese Integration weist viele Vorteile auf. Falls Wartungs- oder Revisionsarbeiten an dem Flüssigtank notwendig sind, muss jedoch die gesamte Anlage abgeschaltet werden; weder Normal- noch Notbetrieb sind möglich.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Verfügbarkeit des oben beschriebenen Systems weiter zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein dritter Betriebszustand vorgesehen ist, der Bypass-Betrieb. Hierbei wird die flüssig aus dem Destilliersäulen-System abgezogene Produktfraktion an dem Flüssigtank vorbeigeführt, in dem Pumpensatz in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, in indirektem Wärmeaustausch mit einem ersten Wärmeträgerstrom verdampft und als gasförmiges Druckprodukt abgezogen wird. Für die Druckerhöhung und die Verdampfung können dabei grundsätzlich separate Mittel vorgesehen sein. In der Regel ist es jedoch günstiger, im Bypass-Betrieb hierfür dieselben Mittel (zum Beispiel Pumpen und Wärmetauscher) und den gleichen Wärmeträgerstrom wie im Normalbetrieb zu nutzen.
  • Im Rahmen der Erfindung kann also die Innenverdichtung auch in den Zeiten fortgesetzt werden, in denen der Tank nicht zur Verfügung steht. Die Anlage kann weiterhin gasförmiges Druckprodukt liefern. Der Bypass-Betrieb kann aber auch bei vorübergehenden Schwankungen der Reinheit der flüssigen Produktfraktion aus dem Destilliersäulen-System genutzt werden, um eine Verunreinigung des im Flüssigtank gelagerten Produkts zu verhindern; auch in diesem Fall kann es günstig sein, auf die erfindungsgemäße Weise den Tank zu umgehen.
  • Die Mittel zur Druckerhöhung im flüssigen Zustand bestehen meistens aus Pumpen. Grundsätzlich ist es möglich, eine einzige Pumpe zu verwenden. Aus Redundanzgründen wird aber häufig eine Pumpensatz, das heißt eine Mehrzahl von parallel geschalteten Pumpen verwenden. Ein Pumpensatz kann dabei etwa zwei oder drei Pumpen mit jeweils 50 % Kapazität; im Falle von drei (oder mehr) Pumpen wird eine lediglich in Bereitschaft (Standby) gehalten, um im Falle der Störung des Betriebs einer der anderen Pumpen deren Aufgabe zu übernehmen.
  • Unabhängig von ihrer Anzahl wird die Pumpenmenge im Allgemeinen durch je einen Pumpenbypass pro Einzelpumpe geregelt, mit dem die überschüssige Menge an gepumpter Flüssigkeit entspannt und wieder in den Flüssigtank zurückgeleitet wird.
  • Für den Fall dass die Druckerhöhung im flüssigen Zustand im Normalbetrieb in einem Pumpensatz durchgeführt wird, der eine oder mehrere, parallel geschaltete Einzelpumpen aufweist, wobei mindestens eine Einzelpumpe einen ersten Pumpenbypass aufweist, über den mindestens zeitweise ein Teil der aus der Pumpe austretenden Produktflüssigkeit entspannt und in den Flüssigtank zurückgeführt wird, und dass derselbe Pumpensatz auch im Bypass-Betrieb für die Druckerhöhung im flüssigen Zustand genutzt wird, ist daher günstig, wenn mindestens eine Einzelpumpe neben dem ersten Pumpenbypass eine zweiten Pumpenbypass aufweist, über den im Bypassbetrieb mindestens zeitweise ein Teil der aus der Pumpe austretenden Produktflüssigkeit entspannt, an dem Flüssigtank vorbeigeführt und zum Eintritt des Pumpensatzes zurückgeleitet wird. Vorzugsweise weisen mehrere oder alle Pumpen des Pumpensatzes jeweils einen ersten und einen zweiten Pumpenbypass im obigen Sinne auf.
  • Die Erfindung ist auch auf mehrsträngige Destilliersäulen-Systeme anwendbar, die einen gemeinsamen Flüssigtank aufweisen, wie es in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 102004006283 und den dazu korrespondierenden Anmeldungen beschrieben ist. Hierbei wird die Produktfraktion aus zwei oder mehreren Strängen des Destilliersäulen-Systems in den Flüssigtank eingeführt. Sowohl der Flüssigtank als auch die Mittel zur Druckerhöhung werden von den zwei oder zwei oder mehreren Strängen des Destilliersäulen-Systems gemeinsam genutzt.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Aus einer Luftzerlegungsanlage 1, die ein "Destilliersäulen-System" aufweist, wird eine "Produktfraktion" 2 flüssig abgezogen. In dem Beispiel ist das Destilliersäulen-System als 2-Säulen-System mit Hochdrucksäule und Niederdrucksäule ausgebildet und die Produktfraktion 2 wird durch flüssigen Sauerstoff aus dem Sumpf der Niederdrucksäule gebildet.
  • Im Normalbetrieb wird der flüssige Sauerstoff 2 durch ein geöffnetes Ventil 51 über Leitung 3 einem Flüssigtank 4 zugeführt. Gleichzeitig wird flüssiger Sauerstoff 5 aus dem Flüssigtank abgezogen (Ventil 52 ist ebenfalls geöffnet) und einem Pumpensatz 6 zugeführt, der aus einer einzelnen Pumpe oder aus mehreren parallel geschalteten Einzelpumpen besteht. Dorf wird die Flüssigkeit auf etwa den gewünschten Produktdruck gebracht und über Leitung 7 (Ventil 53 offen) zu einem ersten Verdampfer 8 geführt und dort gegen einen "ersten Wärmeträgerstrom" verdampft. Letztere wird vorzugsweise durch einen entsprechend hoch verdichteten Strom von Einsatzluft für die Luftzerlegungsanlage 1 gebildet, oder durch Hochdruck-Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage 1. Der Verdampfer 8 wird in dem Ausführungsbeispiel durch den Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage 1 gebildet, in dem die Einsatzluft auf Rektifiziertemperatur abgekühlt wird. Alternativ kann er als vom Hauptwärmetauscher getrennter Wärmetauscher, zum Beispiel als Nebenkondensator ausgeführt sein. Über Leitung 9 tritt Sauerstoff als gasförmiges Druckprodukt aus und kann einem Verbraucher oder einem Verteilsystem zugeleitet werden.
  • Zur Regelung der gepumpten Menge dient ein Pumpenbypass 10. Über diese Leitung und ein Drosselventil 54 wird in der Regel ein Teil der gepumpten Menge in den Flüssigtank 4 zurückgeleitet. In der Zeichnung in nur ein Pumpenbypass 10 dargestellt. Falls der Pumpensatz 6 aus mehr als einer Einzelpumpe besteht, weist jede Einzelpumpe eine separate Leitung mit separatem Drossel- und Absperrventil auf.
  • Fällt die Luftzerlegungsanlage 1 durch eine geplante oder ungeplante Betriebsunterbrechung aus, wird das System auf Notbetrieb umgeschaltet. Hierzu werden die Ventile 51 und 53 geschlossen und Ventil 61 wird geöffnet. Dadurch fließt in dem Flüssigtank 4 gespeicherter flüssiger Sauerstoff über Leitung 60 zu einem zweiten Verdampfer 62, der mit einem "zweiten Wärmeträgerstrom" verdampft, der verschieden vom ersten Wärmeträgerstrom ist. Der zweite Verdampfer 62 ist beispielsweise als atmosphärischer Verdampfer oder als Wasserbad-Verdampfer ausgebildet. Im Notbetrieb verlässt Sauerstoff als gasförmiges Druckprodukt über Leitung 63 das System und wird einem Verbraucher oder einem Verteilsystem zugeleitet.
  • Ein Bypass-Betrieb wird gefahren, wenn die Luftzerlegungsanlage 1 in Betrieb ist, aber eine Einleitung des flüssigen Sauerstoffs 2 in den Flüssigtank 4 nicht möglich oder unerwünscht ist. Hierbei sind die Ventile 51, 52, 54 und 61 geschlossen und der flüssige Produktstrom 2 wird über eine Bypass-Leitung 70 (bei geöffnetem Ventil 71) an dem Flüssigtank 4 vorbei zum Pumpensatz 6 geleitet.
  • Die Pumpenregelung erfolgt dabei nicht über den oben genannten Pumpenbypass 10, sondern über einen zweiten Pumpenbypass 75 mit Drosselventil 74, über den Flüssigkeit in die Luftzerlegungsanlage 1 zurückgeleitet werden kann.
  • Alternativ zur Regelung über einen Bypass kann die Pumpenregelung in allen Betriebsfällen auch durch Drehzahlregelung erfolgen.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft bei dem im Normalbetrieb – Einsatzluft verdichtet, abgekühlt und einem Destilliersäulen-System (1) zugeführt wird, – eine Produktfraktion flüssig aus dem Destilliersäulen-System (1) abgezogen (2) und in einen Flüssigtank (4) eingeleitet (3) wird, – Produktflüssigkeit (5) aus dem Flüssigtank (4) entnommen, in einem Pumpensatz (6), der eine oder mehrere, parallel geschaltete Einzelpumpen aufweist, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, in indirektem Wärmeaustausch (8) mit einem ersten Wärmeträgerstrom verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (9) abgezogen wird, und bei dem in einem Notbetrieb – Produktflüssigkeit (5) aus dem Flüssigtank (4) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (6), in indirektem Wärmeaustausch (62) mit einem zweiten Wärmeträgerstrom verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (63) abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bypass-Betrieb – die flüssig aus dem Destilliersäulen-System (1) abgezogene Produktfraktion (2) an dem Flüssigtank vorbeigeführt (70), in dem Pumpensatz (6) in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (6), in indirektem Wärmeaustausch (8) verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (9) abgezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einzelpumpe des Pumpensatzes (6) einen ersten Pumpenbypass (10) aufweist, über den im Normalbetrieb mindestens zeitweise ein Teil der aus der Pumpe austretenden Produktflüssigkeit entspannt (54) und in den Flüssigtank (4) zurückgeführt wird und dass mindestens eine Einzelpumpe neben dem ersten Pumpenbypass (10) eine zweiten Pumpenbypass (75) aufweist, über den im Bypass-Betrieb mindestens zeitweise ein Teil der aus der Pumpe (6) austretenden Produktflüssigkeit entspannt, an dem Flüssigtank vorbeigeführt und in das Destilliersäulen-System zurückgeleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System zwei- oder mehrsträngig ausgebildet ist, wobei die Produktfraktion aus zwei oder mehr Strängen des Destilliersäulen-Systems in den Flüssigtank eingeführt wird.
  4. Vorrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System (1), einem Flüssigtank (4), einem Pumpensatz (6), der eine oder mehrere, parallel geschaltete Einzelpumpen aufweist, einem Hauptwärmetauscher (8) und einem Notversorgungs-Wärmeaustauscher (62) und mit einer Regelungsvorrichtung, welche den Betrieb der Vorrichtung in einem Normalbetrieb und einem Notbetrieb regelt, wobei im Normalbetrieb – Einsatzluft verdichtet, abgekühlt und dem Destilliersäulen-System (1) zugeführt wird, – eine Produktfraktion flüssig aus dem Destilliersäulen-System (1) abgezogen (2) und in den Flüssigtank (4) eingeleitet (3) wird, – Produktflüssigkeit (5) aus dem Flüssigtank (4) entnommen, in dem Pumpensatz (6) in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (6), in indirektem Wärmeaustausch (8) mit einem ersten Wärmeträgerstrom in dem Hauptwärmetauscher (8) verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (9) abgezogen wird, und im Notbetrieb – Produktflüssigkeit (5) aus dem Flüssigtank (4) entnommen, in dem Pumpensatz (6) in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (6), in indirektem Wärmeaustausch (62) mit einem zweiten Wärmeträgerstrom in dem Notversorgungs-Wärmeaustauscher (62) verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (63) abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsvorrichtung außerdem den Betrieb der Vorrichtung in einem Bypass-Betrieb so regelt, dass in dem Bypass-Betrieb – die flüssig aus dem Destilliersäulen-System (1) abgezogene Produktfraktion (2) an dem Flüssigtank vorbeigeführt (70), in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (6), in indirektem Wärmeaustausch (8) verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (9) abgezogen wird.
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