DE102013002094A1

DE102013002094A1 - Verfahren zur Produktion von Luftprodukten und Luftzerlegungsanlage

Info

Publication number: DE102013002094A1
Application number: DE201310002094
Authority: DE
Inventors: Tobias Lautenschlager
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-08-07

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Luftprodukten (GOX, LOX) in einer Luftzerlegungsanlage (10) vorgeschlagen. Die Luftzerlegungsanlage (10) weist eine erste Trennsäule (S1), eine zweite Trennsäule (S2) und eine Mischsäule (M) auf. Einsatzluft (AIR) wird in Form zumindest eines ersten und eines zweiten jeweils verdichteten und abgekühlten Einsatzluftstroms bereitgestellt, wobei in der ersten Trennsäule (S1) aus dem ersten Einsatzluftstrom eine sauerstoffangereicherte Fraktion gewonnen wird, die sauerstoffangereicherte Fraktion zumindest teilweise in die zweite Trennsäule (S2) überführt wird, in der zweiten Trennsäule (S2) eine sauerstoffreiche Flüssigfraktion abgeschieden wird, und in der Mischsäule (M) die sauerstoffreiche Flüssigfraktion zumindest teilweise gegen Luft des zweiten Einsatzluftstroms verdampft wird. Die sauerstoffreiche Flüssigfraktion wird der zweiten Trennsäule (S2) optional in einer Flüssigproduktmenge entnommen und als Flüssigprodukt (LOX) bereitgestellt. Die Flüssigproduktmenge ist in einem ersten Betriebsmodus geringer als die Flüssigproduktmenge in einem zweiten Betriebsmodus. In dem ersten Betriebsmodus entspricht die Flüssigproduktmenge 0% bis 2% der Menge der in der Mischsäule (M) verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion und der zweite Einsatzluftstrom wird vollständig in die Mischsäule (M) eingespeist. In dem zweiten Betriebsmodus beträgt die Flüssigproduktmenge 1% bis 5% der Menge der in der Mischsäule (M) verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion und der zweite Einsatzluftstrom wird zu einem ersten Anteil in die Mischsäule (M) und zu einem zweiten Anteil in die zweite Trennsäule (S2) eingespeist. Eine Luftzerlegungsanlage (10), die zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtet ist, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Produktion von Luftprodukten in einer Luftzerlegungsanlage und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage.
Stand der Technik
Die Herstellung von Sauerstoff oder entsprechenden Gemischen in flüssigem oder gasförmigem Zustand erfolgt üblicherweise durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen mit an sich bekannten Destillationssäulensystemen. Diese können als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein. Ferner können Vorrichtungen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Für eine Reihe industrieller Anwendungen wird zumindest nicht ausschließlich reiner Sauerstoff benötigt. Dies eröffnet die Möglichkeit, Luftzerlegungsanlagen hinsichtlich ihrer Erstellungs- und Betriebskosten, insbesondere ihres Energieverbrauchs, zu optimieren (siehe beispielsweise Kapitel 3.8 in Kerry, F. G.: Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification. Boca Raton: CRC Press, 2006).
Hierzu können unter anderem Luftzerlegungsanlagen mit sogenannten Mischsäulen eingesetzt werden, wie sie seit längerem bekannt sind. Entsprechende Anlagen und Verfahren sind beispielsweise in DE 2 204 376 A1 (entspricht US 4 022 030 A ) US 5 454 227 A , US 5 490 391 A , DE 198 03 437 A1 , DE 199 51 521 A1 , EP 1 139 046 B1 ( US 2001/052244 A1 ), EP 1 284 404 A1 ( US 6 662 595 B2 ), DE 102 09 421 A1 , DE 102 17 093 A1 , EP 1 376 037 B1 ( US 6 776 004 B2 ), EP 1 387 136 A1 und EP 1 666 824 A1 offenbart.
In eine Mischsäule werden in einem oberen Bereich eine sauerstoffreiche Flüssigfraktion und in einem unteren Bereich ein gasförmiger Luftstrom, sogenannte Mischsäulenluft, eingespeist und einander entgegengeschickt. Durch den intensiven Kontakt geht ein gewisser Anteil des leichter flüchtigen Stickstoffs aus der Mischsäulenluft in die sauerstoffreiche Flüssigfraktion über. Die sauerstoffreiche Flüssigfraktion wird dabei in der Mischsäule teilweise verdampft und an deren oberem Ende als sogenannter ”unreiner” Sauerstoff abgezogen. Der unreine Sauerstoff kann der Luftzerlegungsanlage als Gasprodukt entnommen werden. Die Mischsäulenluft ihrerseits wird verflüssigt, in gewissem Umfang mit Sauerstoff angereichert, und kann am unteren Ende der Mischsäule zusammen mit dem nicht verdampften Anteil der sauerstoffreichen Flüssigfraktion abgezogen und an energetisch und/oder trenntechnisch geeigneter Stelle in das verwendete Destillationssäulensystem eingespeist werden. Durch die Verwendung einer Mischsäule kann die für die Stofftrennung erforderliche Energie auf Kosten der Reinheit des gasförmigen Sauerstoffprodukts beträchtlich reduziert werden.
Nachteilig an bekannten Luftzerlegungsanlagen, die mit Mischsäulen arbeiten, ist die eingeschränkte Flexibilität im Betrieb. Der Kältebedarf wird in derartigen Anlagen durch die Entspannung der Mischsäulenluft gedeckt und ist damit stets mit der Menge des Gasprodukts gekoppelt. Damit können der Anlage aber keine nennenswerten Mengen an Flüssigprodukten entnommen werden, weil hierdurch eine entsprechende Kältemenge verlorengeht. Diese kann nicht gedeckt werden.
Die maximale Entnahmemenge von Flüssigstickstoff und Flüssigsauerstoff in Anlagen mit Mischsäulen ist daher, wie bei anderen typischen Gasanlagen auch, auf höchstens ca. 0,5% der insgesamt eingesetzten Luftmenge begrenzt.
Es besteht daher der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur effizienten und flexiblen Erzeugung flüssiger und gasförmiger Luftprodukte, insbesondere bei Luftzerlegungsanlagen mit Mischsäulen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Produktion von Luftprodukten in einer Luftzerlegungsanlage und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Mischsäulenverfahren eignen sich insbesondere zur kryogenen Produktion von Sauerstoff mit einer Reinheit zwischen 80% und 98% in gasförmigem Zustand, hier kurz als ”Gasprodukt” bezeichnet. Insbesondere dann, wenn der geforderte Druck des Gasprodukts bei unter 3,0 bar liegt, bietet sich ein Verfahren mit Einblasung von verdichteter, abgekühlter Mischsäulenluft in die Mischsäule an.
Die Mischsäulenluft wird hierzu kälteleistend entspannt. Das Sumpfprodukt der Mischsäule, also die dort verflüssigte Luft, die auf einen Gehalt von beispielsweise 60% mit Sauerstoff angereichert wurde und der nicht verdampfte Anteil der sauerstoffreichen Flüssigfaktion, wird dann in geeigneter Höhe in eine der verwendeten Trennsäulen eingespeist. Allerdings ist, wie erwähnt, die Kälteleistung der für die Einblasung verwendeten Expansionsturbine durch den Druck in der Mischsäule und durch die geforderte Produktmenge am Kopf der Mischsäule festgelegt. Eine zusätzliche Kälteproduktion, wie sie insbesondere für die Entnahme flüssiger Luftprodukte erforderlich ist, ist daher in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen mit Mischsäulen nicht möglich. Hier setzt die Erfindung an.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Luftprodukten, insbesondere flüssigem und gasförmigem Sauerstoff in unterschiedlicher Reinheit, aber auch anderer Luftprodukte wie flüssigem und gasförmigem Stickstoff, in einer Luftzerlegungsanlage mit einer ersten Trennsäule, einer zweiten Trennsäule und einer Mischsäule vorgeschlagen. Die Einsatzluft wird dabei, wie in Luftzerlegungsanlagen mit Mischsäulen insoweit bekannt, in Form zumindest eines ersten und eines zweiten jeweils verdichteten und abgekühlten Einsatzluftstroms bereitgestellt. Zur Verdichtung und/oder Abkühlung des ersten und des zweiten Einsatzluftstroms können zumindest teilweise gemeinsame oder getrennte Verdichter- und/oder Kühleinrichtungen verwendet werden, wie unten näher erläutert. Der erste und der zweite Einsatzluftstrom können bei unterschiedlichen Drücken bereitgestellt werden. Die zur Bereitstellung des ersten und des zweiten Einsatzluftstroms verwendete Einsatzluft wird zuvor in ebenfalls bekannten Aufreinigungseinrichtungen aufgereinigt.
In der ersten Trennsäule wird aus dem Einsatzluftstrom eine sauerstoffangereicherte Fraktion gewonnen, die zumindest teilweise in die zweite Trennsäule überführt wird. In der zweiten Trennsäule wird hieraus und gegebenenfalls aus weiteren in die zweite Trennsäule eingespeisten Strömen eine sauerstoffreiche Flüssigfraktion abgeschieden. In der Mischsäule wird zumindest ein Teil der sauerstoffreichen Flüssigfraktion gegen Luft des zweiten Einsatzluftstroms, herkömmlicherweise gegen dessen gesamte Luft, zu dem erläuterten Gasprodukt verdampft. Optional wird der zweiten Trennsäule ein Teil der sauerstoffreichen Flüssigfraktion entnommen und als Flüssigprodukt, beispielsweise als flüssiger Sauerstoff, bereitgestellt. Die entnommene und als Flüssigprodukt bereitgestellte Menge wird hier als ”Flüssigproduktmenge” bezeichnet.
Die Erfindung sieht nun den Betrieb einer derartigen Anlage in zwei Betriebsmodi vor, wobei die Flüssigproduktmenge in einem ersten Betriebsmodus geringer ist als die Flüssigproduktmenge in einem zweiten Betriebsmodus.
Die der zweiten Trennsäule entnommene Flüssigproduktmenge entspricht in dem ersten Betriebsmodus insbesondere 0% bis 2% der Menge der in der Mischsäule verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion, also eines gasförmigen Luftprodukts wie unreinem Sauerstoff. Die Flüssigproduktmenge entspricht in dem zweiten Betriebsmodus insbesondere 1% bis 10% der Menge der in der Mischsäule verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion. Die Prozentangaben beziehen sich hierbei auf die Flüssigfraktion in flüssigem Zustand und können Mol-, Gewichts- oder Volumenprozent darstellen. Wie erwähnt ist die Entnahme der sauerstoffreichen Flüssigfraktion optional. Dies wird von dem ersten Betriebsmodus abgedeckt, in dem die Flüssigproduktmenge auch 0% der in der Mischsäule verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion entsprechen kann. Je nach der spezifischen Ausgestaltung der verwendeten Luftzerlegungsanlage können auch andere Werte zweckmäßig sein. Beispielsweise können in ausgesprochenen Gasanlagen in dem ersten Betriebsmodus auch gegebenenfalls Mengen von 0,5%, 1% oder 1,5% als Flüssigproduktmenge entnommen werden. Andere Anlagen können beispielsweise auch erst ab einer Flüssigproduktmenge von 1,5%, 2% oder 2,5% im zweiten Betriebsmodus arbeiten. Auch die Obergrenze der Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus ist variabel und richtet sich nach der jeweils verwendeten Anlage. Die Obergrenze kann beispielsweise auch 7,5%, 5% oder 2,5% betragen. Bei einer typischen Luftzerlegungsanlage entspricht die maximale Flüssigproduktmenge in dem ersten Betriebsmodus ca. 1,5% der in der Mischsäule verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion, die maximale Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus entspricht ca. 5% dieser Menge.
Auch eine Bezugnahme auf die Menge der in die Anlage eingespeisten Einsatzluft kann vorteilhaft sein, weil diese üblicherweise gut definiert ist. So kann beispielsweise die Flüssigproduktmenge während eines Zeitabschnitts des ersten Betriebsmodus 0% bis 1% der während dieses Zeitabschnitts bereitgestellten Einsatzluft und während eines Zeitabschnitts des zweiten Betriebsmodus 0,5% bis 1% der während dieses Zeitabschnitts bereitgestellten Einsatzluft entsprechen. Da die Einsatzluft gasförmig zugeführt, die Flüssigproduktmenge aber flüssig entnommen wird, beziehen sich diese Werte beispielsweise auf eine molare oder Gewichtsbasis. Bei einer typischen Luftzerlegungsanlage entspricht die maximale Flüssigproduktmenge in dem ersten Betriebsmodus ca. 0,3% der während des entsprechenden Zeitabschnitts bereitgestellten Einsatzluft, die maximale Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus entspricht ca. 1% dieser Menge.
In dem ersten Betriebsmodus wird gleichzeitig der zweite Einsatzluftstrom vollständig in die Mischsäule eingespeist. Der Begriff ”vollständige” Einspeisung meint hier eine Einspeisung, die bis auf etwaige Leckageverluste oder auch geringfügige anderweitig verwendete Mengen den gesamten zweiten Einsatzluftstrom, also zumindest 95%, 98% oder 99% des zweiten Einsatzluftstroms auf molarer, Gewichts- oder Volumenbasis umfasst. Dies entspricht der Verwendung des zweiten Einsatzluftstroms in herkömmlichen Verfahren bzw. Anlagen. Der zweite Einsatzluftstrom wird dort stets vollständig als Mischsäulenluft in die Mischsäule eingespeist und deckt durch seine Entspannung den gesamten Kältebedarf einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage. In dem zweiten Betriebsmodus wird der zweite Einsatzluftstrom zu einem ersten Teil in die Mischsäule und zu einem zweiten Teil in die zweite Trennsäule eingespeist.
Im Rahmen dieser Anmeldung ist von der Gewinnung von Luftprodukten, insbesondere von Sauerstoff- und Stickstoffprodukten die Rede. Ein ”Produkt” verlässt die erläuterte Anlage und wird beispielsweise in einem Tank eingelagert oder verbraucht. Es nimmt also nicht mehr nur ausschließlich an den anlageninternen Kreisläufen teil, kann jedoch vor dem Verlassen der Anlage entsprechend verwendet werden, beispielsweise als Kälteträger in einem Wärmetauscher. Der Begriff ”Produkt” umfasst also nicht solche Fraktionen oder Ströme, die in der Anlage selbst verbleiben und ausschließlich dort, beispielsweise als Rücklauf, Kühlmittel oder Spülgas, verwendet werden.
Der Begriff ”Produkt” beinhaltet ferner eine Mengenangabe. Geringe Mengen auch herkömmlicherweise in ausgesprochenen Gasanlagen anfallender und einer solchen Anlage gegebenenfalls entnehmbarer Flüssigfraktionen stellen damit keine ”Produkte” im Sinne dieser Anmeldung dar. Beispielsweise werden in bekannten Destillationssäulensystemen der Niederdrucktrennsäule geringe Mengen einer sich im Sumpf abscheidenden Flüssigfraktion entnommen, um unerwünschte Komponenten wie Methan zu entfernen. Hierbei handelt es sich nicht um ”Produkte” im Sinne dieser Anmeldung. Wie erläutert, wird durch die Entnahme von Flüssigprodukten einer Luftzerlegungsanlage eine beträchtliche Kältemenge ”entzogen”, die sonst durch Verdampfung dieser Flüssigprodukte zum Teil zurückgewonnen werden könnte. Eine derartige Entnahme wirkt sich jedoch erst ab einer bestimmten Entnahmemenge, also erst dann, wenn tatsächlich ein ”Produkt” im Sinne der oben getroffenen Definition entnommen wird, aus.
Der erste und der zweite Betriebsmodus werden vorzugsweise alternativ und in Abhängigkeit von einem Bedarf an Flüssigprodukt, beispielsweise zur Befüllung von Backuptanks, durchgeführt. Die verwendete Luftzerlegungsanlage weist vorteilhafterweise Mittel zum Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus und vorteilhafterweise auch zum Einstellen der Flüssigproduktmenge in zumindest dem zweiten Betriebsmodus auf.
Die in dem zweiten Betriebsmodus der zweiten Trennsäule entnommene Flüssigproduktmenge steht naturgemäß nicht mehr zur Einspeisung in die Mischsäule zur Verfügung. In herkömmlichen Verfahren bzw. Anlagen würde daher aufgrund der verringerten Menge des Gasprodukts auch zwangsläufig die erzielbare Kälteleistung verringert, da die ausschließliche Erzeugung der Kälteleistung dort durch die Mischsäulenluft erfolgt. Deren Menge muss aber in herkömmlichen Verfahren bzw. Anlagen bei einer Reduzierung des erzeugten Gasprodukts ebenfalls verringert werden und steht daher nicht mehr als Kältequelle zur Verfügung.
Die Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass, wie erwähnt, in dem zweiten Betriebsmodus der Einsatzluftstrom eben nurmehr zu einem Teil (hier als ”erster Anteil” bezeichnet) in die Mischsäule und im Übrigen (nämlich zu einem ”zweiten Anteil”) in die zweite Trennsäule eingespeist wird. Die Kälteleistung kann hierdurch auf dem gleichen Wert wie ohne eine nennenswerte Entnahme der sauerstoffreichen Flüssigfraktion aus der zweiten Trennsäule gehalten werden, obwohl die Menge des Gasprodukts hierbei verringert wird. Die Erfindung ermöglicht daher eine sehr vorteilhafte Entkopplung von Flüssig- und Gasproduktion in einer Luftzerlegungsanlage mit einer Mischsäule.
Die Erfindung kann in Luftzerlegungsanlagen zum Einsatz kommen, bei denen die erste Trennsäule bei einem ersten, höheren Trenndruck, die zweite Trennsäule bei einem zweiten, niedrigeren Trenndruck und die Mischsäule bei einem Mischsäulendruck zwischen dem ersten und dem zweiten Trenndruck betrieben wird. Entsprechende Luftzerlegungsanlagen und Verfahren sind grundsätzlich bekannt und beispielsweise in DE 102 09 421 A1 beschrieben. Beispielsweise können die erste und die zweite Trennsäule als sogenannte Hochdrucksäule einerseits und als sogenannte Niederdrucksäule andererseits ausgebildet sein. Die Hochdrucktrennsäule wird bisweilen auch als Mitteldrucksäule bezeichnet. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule, also der erste Trenndruck, beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Druck, dem zweiten Trenndruck, von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar betrieben. Der Druck der Mischsäule, hier als Mischsäulendruck bezeichnet, beträgt beispielsweise 2,7 bis 3,7 bar, vorzugsweise etwa 3,2 bar. Bei den hier angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke.
Wie erläutert, kann die Einsatzluft auf unterschiedlichen Druckstufen bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise wird der zweite Einsatzluftstrom zunächst auf einen Druck oberhalb des Mischsäulendrucks verdichtet und anschließend auf den Mischsäulendruck entspannt. Dies ermöglicht eine entsprechende Kälteproduktion in der Luftzerlegungsanlage und bietet sich, wie ebenfalls erläutert, an, wenn der geforderte Druck des Gasprodukts bei unter 3,0 bar liegt.
Zur weiteren Erhöhung der Flexibilität, aber auch zur Verbesserung der Ausfallsicherheit einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage kann der zweite Einsatzluftstrom mittels zumindest einer von zumindest zwei parallel zueinander angeordneten Entspannungseinrichtungen entspannt werden. Mit ”parallel angeordnet” ist hier gemeint, dass die zumindest zwei Entspannungseinrichtungen derart an eine Zuleitung für den zweiten Einsatzluftstrom der Einsatzluft angebunden sind, dass sie gleichzeitig, abwechselnd und/oder unabhängig voneinander mit dem zweiten Einsatzluftstrom gespeist werden können. Dies ermöglicht auch einen Backupbetrieb, wenn eine der Entspannungseinrichtungen ausfällt. Eine ”Entspannungseinrichtung” umfasst hier jede Einrichtung, die es ermöglicht, den Druck eines flüssigen oder gasförmigen Fluids von einer ersten, höheren Druckstufe auf eine zweite, niedrigere Druckstufe zu reduzieren.
Mit besonderem Vorteil umfassen die zumindest zwei parallel zueinander angeordneten Entspannungseinrichtungen ein Entspannungsventil und eine Entspannungsmaschine. Durch das Verhältnis, in dem dabei das Entspannungsventil einerseits und die Entspannungsmaschine andererseits mit dem zweiten Einsatzluftstrom gespeist werden, kann auch die Kälteleistung eingestellt werden. Vorteilhafterweise erfolgt die Einstellung der Kälteleistung in Abhängigkeit von dem ersten und zweiten Betriebsmodus bzw. der entnommenen Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus, so dass sich die Kälteleistung gezielt an den Kältebedarf anpassen lässt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst, den ersten Anteil und den zweiten Anteil des zweiten Einsatzluftstroms in dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Flüssigproduktmenge einzustellen. Wie erläutert, lässt sich hierdurch die Kälteleistung von der Menge des Gasprodukts entkoppeln, die durch den ersten Anteil des zweiten Einsatzluftstroms festgelegt ist.
Die Anforderungen industrieller Verbraucher an die Produkte von Luftzerlegungsanlagen und deren hierdurch bedingte Konstruktionsprinzipien unterscheiden sich mitunter beträchtlich. So sind für bestimmte Einsatzszenarien ausgesprochene Gasanlagen bekannt, in denen bevorzugt oder ausschließlich gasförmige Produkte, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff, gewonnen werden können. Andere Anwendungen erfordern hingegen Flüssigprodukte und damit ausgesprochene Flüssiganlagen.
Die Entnahme von Flüssigprodukten aus Gasanlagen ist in der Regel nur in sehr geringem Umfang möglich, auch wenn dort flüssige Fraktionen als Zwischenprodukte, beispielsweise in einer Trennsäule, anfallen. Die dort verwendeten Konstruktionsprinzipien können daher auch nicht ohne weiteres auf Flüssiganlagen übertragen werden. In Gasanlagen können die als Zwischenprodukte gewonnenen kryogenen Flüssigkeiten verdampft und zur Kühlung insbesondere der eingesetzten Luft verwendet werden. Wenn einer Luftzerlegungsanlage jedoch Flüssigprodukte, beispielsweise flüssiger Sauerstoff und/oder Stickstoff, entnommen werden sollen, wie dies im Rahmen der hier vorgeschlagenen Luftzerlegungsanlage im zweiten Betriebsmodus erfolgt, wird dem System diese Kältemenge entzogen. Die in Flüssiganlagen ”Fehlende” Kälte muss daher zusätzlich erzeugt werden, und zwar letztlich in Form von Verdichterleistung.
In herkömmlichen Anlagen mit Mischsäulen ist die Entnahme von nennenswerten Mengen flüssiger Fraktionen nicht möglich. Die dort erzeugbare Kältemenge richtet sich, wie erläutert, nach der Menge der in die Mischsäule entspannten Luft (der sogenannten Mischsäulenluft) und ist damit mit der Produktionsmenge des dort erhaltenen unreinen Sauerstoffprodukts gekoppelt. Eine Erhöhung der Kälteproduktion ist nicht möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es hingegen, auch bei einer primär als Gasanlage ausgebildeten Luftzerlegungsanlage vorhandene Flüssigtanks mittels der Luftzerlegungsanlage selbst zu füllen. Beispielsweise sind derartige Tanks als Backupspeicher vorgesehen, die für Fälle verwendet werden können, in denen die Luftzerlegungsanlage nicht in Betrieb ist, Verbraucher jedoch weiterhin entsprechende Produkte benötigen. Die Erfindung ermöglicht damit eine unabhängige Produktion von Flüssigprodukten, die nicht mehr durch die Menge des gasförmigen ”unreinen” Sauerstoffprodukts festgelegt ist.
Eine zur Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage weist eine erste Trennsäule, eine zweite Trennsäule und eine Mischsäule auf. Sie verfügt ferner über Einspeisemittel, die dafür eingerichtet sind, den Einsatzluftstrom in dem ersten Betriebsmodus vollständig in die Mischsäule und in dem zweiten Betriebsmodus zu einem ersten Anteil in die Mischsäule und zu einem zweiten Anteil in die zweite Trennsäule einzuspeisen.
Vorteilhafterweise umfassen die Einspeisemittel zumindest eine Bypassleitung, die eine stromauf der Mischsäule angeordnete Einsatzluftleitung, die den zweiten Einsatzluftstrom führt, unter Umgehung der Mischsäule mit der zweiten Trennsäule verbindet. In einer derartigen Bypassleitung sind ferner vorteilhafterweise Stellmittel vorgesehen, mittels derer sich eine Menge des durch die Bypassleitung strömenden zweiten Anteils des zweiten Einsatzluftstroms einstellen lässt.
Wie bereits erläutert, weist eine entsprechende Luftzerlegungsanlage Einspeisemittel auf, die vorteilhafterweise zumindest eine Entspannungseinrichtung umfassen. Die zumindest eine Entspannungseinrichtung ist dafür eingerichtet, den zweiten Einsatzluftstrom auf den Mischsäulendruck zu entspannen.
Besonders vorteilhaft ist eine Luftzerlegungsanlage, bei der die zumindest eine Entspannungseinrichtung ein Entspannungsventil und eine parallel zu diesem angeordnete Entspannungsmaschine umfasst. In dem Entspannungsventil kann der zweite Einsatzluftstrom isenthalp, in der Entspannungsmaschine arbeitsleistend entspannt werden. Die Entspannungsmaschine ist vorteilhafterweise als Gas-Entspannungsmaschine ausgebildet, also zur arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Einsatzluftstroms eingerichtet, der sich am Eintritt der Maschine im gasförmigen Zustand befindet. Der zweite Einsatzluftstrom tritt im Wesentlichen gasförmig oder vollständig gasförmig aus der Gas-Entspannungsmaschine aus. Der Flüssiganteil am Austritt beträgt maximal etwa 20%, vorzugsweise bis zu etwa 7%.
Entspannungsmaschinen werden vorzugsweise als Expansionsturbinen, auch als Turboexpander bezeichnet, realisiert. Eine Entspannungsmaschine wird zur Abfuhr der mechanischen Energie gebremst. Dies kann beispielsweise durch eine dissipative Bremse, einen Generator und/oder durch mechanische Kopplung mit einem Gasverdichter (Booster) und/oder einer Pumpe erfolgen. Beispielsweise kann man bei Verwendung einer Entspannungsmaschine die mechanische Energie aus der arbeitsleistenden Entspannung auch als elektrische Energie zurückgewinnen und über dem Umweg über das elektrische Versorgungsnetz und einen Elektromotor zum Antrieb geeigneter Einrichtungen einsetzen. Durch die Verwendung einer Entspannungsmaschine geht die bei der Entspannung freiwerdende Energie damit nicht verloren, sondern kann sinnvoll genutzt werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad entsprechender Luftzerlegungsanlagen.
Vorteilhafterweise ist wahlweise das Entspannungsventil und/oder die Entspannungsmaschine mit dem zweiten Einsatzluftstrom beschickbar, so dass sich die Kälte-, aber auch die Arbeitsleistung gezielt einstellen lassen.
Eine vorteilhafte Luftzerlegungsanlage weist ferner eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung auf, die dafür eingerichtet ist, die Luftzerlegungsanlage von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umzuschalten. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ist ferner vorteilhafterweise dazu ausgebildet, die Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus einzustellen. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung stellt dann in Abhängigkeit von der Flüssigproduktmenge vorteilhafterweise auch den ersten und den zweiten Anteil des zweiten Einsatzluftstroms und gegebenenfalls das Verhältnis, in dem das Entspannungsventil und/oder die Entspannungsmaschine mit dem zweiten Einsatzluftstrom beschickt werden, ein, um eine Kälte- und/oder Arbeitsleistung anzupassen.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet.
Der Luftzerlegungsanlage 10 wird über eine Leitung a verdichtete und aufgereinigte Luft AIR zugeführt. Die Verdichtung und Aufreinigung erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise in einem Hauptverdichter, dem Filteranlagen vor- und Luftwäscher bzw. Adsorptionseinrichtungen nachgeschaltet sind. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage 10 kann auch unter Verwendung von Haupt- und Nachverdichtern betrieben werden. Die zugeführte Luft AIR kann beispielsweise mit einem Druck von 5,6 bar in der Leitung a bereitgestellt werden. Der Druck ist nicht wesentlich höher als der erste Trenndruck in einer ersten Trennsäule S1.
Die über die Leitung a in die Anlage 10 eingespeiste Luft wird einem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem abgekühlt. Über eine Leitung b kann diese Luft dem Wärmetauscher E1 zu einem Teil am kalten Ende und über eine Leitung c zu einem weiteren Teil bei einer Zwischentemperatur entnommen werden. Die Luft liegt in den Leitungen b und c aufgrund der Abkühlung und aufgrund von Druckverlusten jeweils bei einem Druck vor, der geringfügig niedriger ist als der Druck in der Leitung a. Die Luft in der Leitung b wird im Rahmen dieser Anmeldung als ”erster Einsatzluftstrom”, die Luft in der Leitung c als ”zweiter Einsatzluftstrom” bezeichnet.
Der Druck in der Leitung b entspricht dem Trenndruck einer ersten Trennsäule S1 und beträgt beispielsweise 5,4 bar. Der erste Einsatzluftstrom in der Leitung b wird in einen unteren Bereich der ersten Trennsäule S1 eingespeist. In dieser kann die eingespeiste Luft in bekannter Weise in eine stickstoffangereicherte Kopffraktion und eine sauerstoffangereicherte Sumpffraktion getrennt werden.
Der zweite Einsatzluftstrom in der Leitung c, der bei der Zwischentemperatur dem Wärmetauscher E1 entnommen wurde, kann einer Entspannungsmaschine X1, die auch mit einem Energiewandler, beispielsweise einer Ölbremse oder einem Generator, gekoppelt sein kann, zugeführt werden. Die entsprechend entspannte Luft verlässt die Entspannungsmaschine X1 über eine Leitung d. Parallel zur Entspannungsmaschine X1 kann ein Entspannungsventil V1 vorgesehen sein, das über eine Leitung e gespeist werden kann. Die Leitung e mündet ebenfalls in die Leitung d. Dies entspricht einer parallelen Anordnung der Entspannungsmaschine X1 und des Entspannungsventils V1. Es kann vorgesehen sein, die Entspannungsmaschine X1 und das Entspannungsventil V1 wahlweise anzusteuern und/oder einen Anteil des über die Entspannungsmaschine X1 einerseits und das Entspannungsventil V1 andererseits entspannten zweiten Einsatzluftstroms einzustellen. Hierzu kann eine entsprechende Ansteuereinrichtung mit entsprechenden Stellmitteln (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Hierdurch lässt sich die Luftzerlegungsanlage 10 besonders flexibel betreiben. Die Entspannungsmaschine X1 und das Ventil V1 können auch wechselseitig als Backup vorgesehen sein. So kann das Ventil V1 dann zum Einsatz kommen, wenn die Entspannungsmaschine X1 ausfällt.
Der in der Leitung d nach der Entspannung in der Entspannungsmaschine X1 und/oder dem Ventil V1 bei einem reduzierten Druck, beispielsweise bei einem Druck von weniger als 3 bar, vorliegende zweite Einsatzluftstrom kann zumindest zu einem Teil über eine Leitung f in einen unteren Bereich einer Mischsäule M eingespeist werden. Die Mischsäule M wird im dargestellten Beispiel ebenfalls bei dem Druck von weniger als 3 bar betrieben. Der Betriebsdruck der Mischsäule wird hier als Mischsäulendruck bezeichnet. In herkömmlichen Anlagen wird der zweite Einsatzluftstrom stets vollständig in die Mischsäule M eingespeist.
Über eine Leitung g kann in der erfindungsgemäßen Anlage jedoch ein Anteil des zweiten Einsatzluftstroms in der Leitung d mit einem entsprechenden Druck auch in eine zweite Trennsäule S2 eingespeist werden. Der in die zweite Trennsäule S2 eingespeiste Anteil der Luft aus der Leitung d, und damit auch der verbleibende, in die Mischsäule M eingespeiste Anteil des zweiten Einsatzluftstroms in der Leitung d, kann beispielsweise über ein Ventil V2 eingestellt werden.
Die erste Trennsäule S1 wird in der dargestellten Anordnung auch als Hochdrucktrennsäule, die zweite Trennsäule S2 auch als Niederdrucktrennsäule bezeichnet.
Wie erwähnt, kann in dem zweiten Betriebsmodus der Luftzerlegungsanlage 10 der zweite Einsatzluftstrom in der Leitung d in unterschiedlichen Einspeiseverhältnissen zwischen der Mischsäule M und der zweiten Trennsäule S2 verteilt werden. Hierdurch kann in dem zweiten Betriebsmodus die Flüssigproduktmenge des flüssigen Sauerstoffprodukts LOX variiert werden.
In die Mischsäule M kann über eine Leitung h und ein Ventil V3 ein sauerstoffreicher flüssiger Strom in einem oberen Bereich eingespeist und der über die Leitung f eingespeisten Luft bei dem Mischsäulendruck entgegengeschickt werden. Durch den intensiven Kontakt der Luft aus der Leitung f und des sauerstoffreichen flüssigen Stroms aus der Leitung h geht ein Teil des Stickstoffs in der Luft in den sauerstoffreichen Strom über. Der sauerstoffreiche Strom wird zum Teil verdampft, die Luft verflüssigt sich, wird gleichzeitig in gewissem Umfang mit Sauerstoff angereichert, und scheidet sich als Mischsäulensumpffraktion zusammen mit dem nicht verdampften sauerstoffreichen Strom in einem unteren Bereich der Mischsäule M an. Aus dem unteren Bereich der Mischsäule M kann die Mischsäulensumpffraktion über die Leitung i entnommen werden. Die Mischsäulensumpffraktion kann dann über ein Ventil V4 ebenfalls in die zweite Trennsäule S2 eingespeist werden.
Kopfseitig der Mischsäule M kann über eine Leitung k ein durch das Verdampfen des flüssigen sauerstoffreichen Stroms aus der Leitung h und den Austausch mit der Luft des zweiten Einsatzluftstroms aus der Leitung f erhaltener gasförmiger sauerstoffreicher Strom entnommen werden. Der gasförmige sauerstoffreiche Strom kann in dem Wärmetauscher E1 erwärmt und nach Bedarf über eine Leitung l und ein Ventil V5 bei einem entsprechenden Abgabedruck, beispielsweise bei 3 bar oder weniger, als gasförmiges Sauerstoffprodukt GOX (Gasprodukt) abgegeben werden.
Aus der ersten Trennsäule S1 kann die stickstoffangereicherte Kopffraktion entnommen und über ein Leitungssystem m zu einem Teil in einem Wärmetauscher E2 kondensiert und in flüssiger Form wieder auf die erste Trennsäule S1 aufgegeben werden. Der Wärmetauscher E2 ist als Kopfkondensator ausgebildet und wird mit einer flüssigen, sauerstoffreichen Sumpffraktion der zweiten Trennsäule S2 gekühlt. Ein weiterer Anteil kann über eine Leitung n durch den Wärmetauscher E1 geführt und über ein Ventil V6 beispielsweise als Dichtgas SG oder unreines gasförmiges Stickstoffprodukt abgegeben werden.
Die sauerstoffangereicherte Sumpffraktion aus der ersten Trennsäule S1 kann über eine Leitung o entnommen, in einem als Unterkühler ausgebildeten Wärmetauscher E3 abgekühlt und über eine Leitung p und ein Ventil V7 ebenfalls in die zweite Trennsäule S2 eingespeist werden.
In der zweiten Trennsäule S2 wird unter Verwendung der sauerstoffangereicherten Sumpffraktion aus der ersten Trennsäule S1, bzw. eines Teils hiervon, und unter Verwendung der weiteren eingespeisten Ströme eine sauerstoffreiche Sumpffraktion abgeschieden. Auch der zweite Anteil des zweiten Einsatzluftstroms kann über die Leitung g in die zweite Trennsäule S2 eingespeist (eingeblasen) werden.
Die sauerstoffreiche Sumpffraktion kann über eine Leitung q aus der zweiten Trennsäule S2 entnommen und unter Verwendung einer Pumpe P1 über eine Leitung r dem Wärmetauscher E3 zugeführt werden. Nach einer dort erfolgenden Erwärmung kann die sauerstoffreiche Sumpffraktion über die erläuterte Leitung h in den oberen Bereich der Mischsäule M eingespeist werden, so dass sie damit letztendlich zur Gewinnung des gasförmigen unreinen Sauerstoffprodukts GOX verwendet wird.
Alternativ oder zumindest zu einem Anteil kann die über die Leitung q aus der zweiten Trennsäule S2 entnommene sauerstoffreiche Sumpffraktion auch stromab der Pumpe P1 über eine Leitung s und ein Ventil V8 als flüssiges Sauerstoffprodukt LOX der Luftzerlegungsanlage 10 entnommen werden. Dies erfolgt vorwiegend in dem zweiten Betriebsmodus. Über eine Bypassleitung t kann auch ein Teil hiervon stromauf des Ventils V5 in die Leitung l abgezweigt werden.
Eine weitere Fraktion kann über eine Leitung u aus der ersten Trennsäule S1 entnommen und nach Abkühlung in dem Wärmetauscher E3 über ein Ventil V9 in die zweite Trennsäule S2 eingespeist werden.
Über eine Leitung v kann kopfseitig der zweiten Trennsäule S2 eine gasförmige Fraktion abgezogen, durch die Wärmetauscher E3 und E1 erwärmt, und aus der Luftzerlegungsanlage 10 über die Leitungen w und x mit entsprechenden Ventilen ausgeleitet werden. Diese Fraktion kann in der vorgeschalteten Luftreinigung eingesetzt und/oder an die Atmosphäre abgegeben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2204376 A1 [0004]
US 4022030 A [0004]
US 5454227 A [0004]
US 5490391 A [0004]
DE 19803437 A1 [0004]
DE 19951521 A1 [0004]
EP 1139046 B1 [0004]
US 2001/052244 A1 [0004]
EP 1284404 A1 [0004]
US 6662595 B2 [0004]
DE 10209421 A1 [0004, 0023]
DE 10217093 A1 [0004]
EP 1376037 B1 [0004]
US 6776004 B2 [0004]
EP 1387136 A1 [0004]
EP 1666824 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kapitel 3.8 in Kerry, F. G.: Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification. Boca Raton: CRC Press, 2006 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Luftprodukten (GOX, LOX) in einer Luftzerlegungsanlage (10) mit einer ersten Trennsäule (S1), einer zweiten Trennsäule (S2) und einer Mischsäule (M), bei dem Einsatzluft (AIR) in Form zumindest eines ersten und eines zweiten jeweils verdichteten und abgekühlten Einsatzluftstroms bereitgestellt wird, wobei in der ersten Trennsäule (S1) aus dem ersten Einsatzluftstrom eine sauerstoffangereicherte Fraktion gewonnen wird, die sauerstoffangereicherte Fraktion zumindest teilweise in die zweite Trennsäule (S2) überführt wird, in der zweiten Trennsäule (S2) eine sauerstoffreiche Flüssigfraktion abgeschieden wird, und in der Mischsäule (M) die sauerstoffreiche Flüssigfraktion zumindest teilweise gegen Luft des zweiten Einsatzluftstroms verdampft wird, wobei die sauerstoffreiche Flüssigfraktion der zweiten Trennsäule (S2) optional in einer Flüssigproduktmenge entnommen und als Flüssigprodukt (LOX) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigproduktmenge in einem ersten Betriebsmodus geringer ist als die Flüssigproduktmenge in einem zweiten Betriebsmodus, wobei die Flüssigproduktmenge in dem ersten Betriebsmodus 0% bis 2% der Menge der in der Mischsäule (M) verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion entspricht und der zweite Einsatzluftstrom vollständig in die Mischsäule (M) eingespeist wird, und wobei die Flüssigproduktmenge in dem zweiten Betriebsmodus 1% bis 5% der Menge der in der Mischsäule (M) verdampften sauerstoffreichen Flüssigfraktion entspricht und der zweite Einsatzluftstrom zu einem ersten Anteil in die Mischsäule (M) und zu einem zweiten Anteil in die zweite Trennsäule (S2) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Flüssigproduktmenge während eines Zeitabschnitts des ersten Betriebsmodus 0% bis 0,5% der während dieses Zeitabschnitts bereitgestellten Einsatzluft (AIR) und während eines Zeitabschnitts des zweiten Betriebsmodus 0,5% bis 1% der während dieses Zeitabschnitts bereitgestellten Einsatzluft (AIR) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Trennsäule (S1) bei einem ersten, höheren Trenndruck, die zweite Trennsäule (S2) bei einem zweiten, niedrigeren Trenndruck und die Mischsäule (M) bei einem Mischsäulendruck zwischen dem ersten und dem zweiten Trenndruck betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der zweite Einsatzluftstrom zunächst auf einen Druck oberhalb des Mischsäulendrucks verdichtet und anschließend auf den Mischsäulendruck entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der zweite Einsatzluftstrom mittels zumindest einer von zumindest zwei parallel zueinander angeordneten Entspannungseinrichtungen (V1, X1) entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die zumindest zwei parallel zueinander angeordneten Entspannungseinrichtungen (V1, X1) ein Entspannungsventil (V1) und eine Entspannungsmaschine (X1) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der zweite Einsatzluftstrom zu einstellbaren Anteilen in dem Entspannungsventil (V1) einerseits und in der Entspannungsmaschine (X1) andererseits entspannt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der erste Anteil und der zweite Anteil des zweiten Einsatzluftstroms zumindest in dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Flüssigproduktmenge eingestellt werden.
Luftzerlegungsanlage (10) mit einer ersten Trennsäule (S1), einer zweiten Trennsäule (S2) und einer Mischsäule (M), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist, mit Einspeisemitteln, die dafür eingerichtet sind, den zweiten Einsatzluftstrom in dem ersten Betriebsmodus vollständig in die Mischsäule (M) und in dem zweiten Betriebsmodus zu einem ersten Teil in die Mischsäule (M) und zu einem zweiten Teil in die zweite Trennsäule (S2) einzuspeisen.
Luftzerlegungsanlage (10) nach Anspruch 9, bei der die Einspeisemittel zumindest eine Bypassleitung umfassen, die eine stromauf der Mischsäule (M) angeordnete Einsatzluftleitung, die mit dem zweiten Einsatzluftstrom speisbar ist, unter Umgehung der Mischsäule (M) mit der zweiten Trennsäule (S2) verbindet.
Luftzerlegungsanlage (10) nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Einspeisemittel ferner zumindest eine Entspannungseinrichtung (V1, X1) umfassen, die dafür eingerichtet sind, den zweiten Einsatzluftstrom auf einen Mischsäulendruck zu entspannen, bei dem die Mischsäule (M) betreibbar ist.
Luftzerlegungsanlage (10) nach Anspruch 11, bei dem die zumindest eine Entspannungseinrichtung (V1, X1) ein Entspannungsventil (V1) und eine parallel zu diesem angeordnete Entspannungsmaschine (X1) umfasst.
Luftzerlegungsanlage (10) nach Anspruch 12, bei dem wahlweise das Entspannungsventil (V1) und/oder die Entspannungsmaschine (X1) mit dem zweiten Einsatzluftstroms beschickbar ist.
Luftzerlegungsanlage (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, die ferner eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) aufweist, die dafür eingerichtet ist, die Luftzerlegungsanlage (10) von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umzuschalten.