DE19526785C1 - Verfahren und Vorrichtung zur variablen Erzeugung eines gasförmigen Druckprodukts - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur variablen Erzeugung eines gasförmigen DruckproduktsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur variablen Erzeugung
eines gasförmigen Druckprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mittels
Druckerhöhung im flüssigen Zustand und anschließender Verdampfung.
Die Methode, ein Flüssigprodukt eines Luftzerlegers auf Druck zu bringen und
anschließend zu verdampfen, wird häufig auch als "Innenverdichtung" bezeichnet.
Derartige Prozesse sind für die Gewinnung einer konstanten Menge eines unter
Druck stehenden Gases altbekannt (beispielsweise DE-PS 7 52 439) und bieten
gegenüber der gasförmigen Produktverdichtung den Vorteil geringerer
Apparatekosten.
Ebenfalls bekannt sind "Wechselspeicherverfahren" mit mindestens zwei
Speichertanks, bei denen variable Mengen eines Luftgases unter Atmosphärendruck
gewonnen werden können und trotzdem ein stationärer Betrieb der Rektifikation
möglich ist (siehe beispielsweise W. Rohde, Linde-Berichte aus Technik und
Wissenschaft, 54/1984, Seiten 18 bis 20).
Durch die Schrift DE 69 00 838 T2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
variablen Erzeugung eines gasförmigen Druckprodukts durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft bekannt, bei denen Einsatzluft einem
Rektifiziersystem zugeführt wird. Die flüssigen Fraktionen werden in Speichertanks
gepuffert. Die Kühlung der Anlage wird durch Entspannung eines Teils der vorgekühlt
zugeführten Luft in einer Turbine gewährleistet. Die entspannte Luft wird in die
Kolonne eingeblasen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur variablen Erzeugung von Luft
anzugeben, die möglichst flexibel betrieben werden können.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.
Das gasförmig zu gewinnende Druckprodukt wird in flüssiger Form aus der oder einer
der Rektifiziersäulen abgezogen und in einem ersten Speichertank gepuffert. Je
nachdem, ob momentan eine unterdurchschnittliche oder eine überdurchschnittliche
Produktmenge erzeugt wird, steigt oder sinkt der Flüssigkeitsstand im Tank.
Beispielsweise kann diejenige Menge an in der Rektifikation erzeugter flüssiger
Fraktion, die momentan nicht verdampft oder anderweitig (beispielsweise als
Flüssigprodukt) verwendet werden kann, in den Tank eingeführt werden; entsprechend
wird bei hohem Produktbedarf Flüssigkeit aus dem Tank zur Verdampfung geführt. Es
ist aber auch möglich, die gesamte flüssige Fraktion in den Speichertank einzuleiten
und jeweils die aktuell benötigte Menge zu entnehmen und der Verdampfung
zuzuführen.
Zur Druckerhöhung im flüssigen Zustand kann jede bekannte Methode angewandt
werden, beispielsweise Druckaufbauverdampfung am Speichertank, Ausnutzung einer
statischen Höhe, Pumpen stromaufwärts oder stromabwärts des Speichertanks, oder
auch Kombinationen dieser Methoden. Vorzugsweise wird die flüssige Fraktion durch
eine stromabwärts des Tanks angeordnete Pumpe auf Druck gebracht. Der Durchsatz
dieser Pumpe kann gesteuert werden, um die Variation der Produktmenge zu bewirken.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist außerdem einen Kältekreislauf mit einem
Kreislaufverdichter und einer Entspannungsmaschine auf. Darin wird ein Wärmeträger,
insbesondere ein Prozeßgas der Luftzerlegung, verdichtet, arbeitsleistend entspannt
und wieder zum Kreislaufverdichter zurückgeführt. Mit Hilfe dieses Kreislaufs wird Kälte
zum Ausgleich von Isolations- und Austauschverlusten und gegebenenfalls zur
Produktverflüssigung erzeugt.
Der Kreislaufverdichter dient gleichzeitig zur Verdichtung des Wärmeträgers, der gegen
das zu verdampfende Produkt kondensiert und in einem zweiten Speichertank gepuffert
wird (erster Teilstrom des Wärmeträgers). Er verdichtet den Wärmeträger auf einen
Druck, der einer Kondensationstemperatur entspricht, die mindestens etwa gleich der
Verdampfungstemperatur der flüssig auf Druck gebrachten Fraktion ist. Mindestens ein
Teil des im Kreislaufverdichter verdichteten Wärmeträgers wird zum Kreislaufverdichter
zurückgeleitet, insbesondere der zweite Teilstrom nach seiner arbeitsleistenden
Entspannung oder ein Teil davon. Der zweite Teilstrom des im Kreislaufverdichter
komprimierten Wärmeträgers braucht also nicht oder nicht vollständig verworfen zu
werden, sondern wird mindestens teilweise im Kreis geführt. Kältekreislauf und variable
Produktverdampfung sind bei der Erfindung integriert; dieselbe Maschine dient sowohl
zur Kälteerzeugung als auch zur Erzeugung des für die Verdampfung der flüssigen
Fraktion benötigten Drucks.
Selbstverständlich wird auch bei der Erfindung der erste Teilstrom entsprechend der
variablen Produktmenge variiert. Diese Variation kann jedoch hier auf unterschiedliche
Weise realisiert und damit flexibel an die jeweils aktuellen Bedürfnisse angepaßt
werden.
In einer ersten Betriebsweise wird bei erhöhtem Bedarf an gasförmigem Druckprodukt
die Menge des im Kreislaufverdichter verdichteten Wärmeträgers konstant gehalten. Die
Variation des ersten Teilstroms wird durch eine entsprechende Variation des zweiten
Teilstroms des Wärmeträgers aufgefangen. Bei Erhöhung/Verringerung der Produktion
wird die Menge des ersten Teilstroms um denselben Betrag verringert/erhöht, um den
die Menge des ersten Teilstroms erhöht/verringert wird. (Mit "Menge" werden hier
molare Mengen pro Zeiteinheit bezeichnet, die z. B. in Nm³/h angegeben werden
können.) Damit kann der Kreislaufverdichter konstant gefahren werden, beispielsweise
mit seiner Auslegungskapazität, eine Steuerung in Abhängigkeit von der Produktmenge
ist nicht nötig. Eine erhöhte Menge an im zweiten Teilstrom verflüssigtem Wärmeträger
wird im zweiten Tank zwischengespeichert; eine erhöhte Gasmenge im zweiten
Teilstrom kann durch eine entsprechende Entnahme von Gas (beispielsweise als
Produkt) aus dem Kreislauf kompensiert werden; umgekehrt wird bei
unterdurchschnittlicher Produktion eine entsprechend geringere Menge an Gas aus dem
Kreislauf entnommen.
Alternativ dazu kann die Anlage in einer zweiten Betriebsweise gefahren werden. Dabei
bleibt der Durchsatz des zweiten Teilstroms gleich, während die Variation des ersten
Teilstroms vom Kreislaufverdichter nachgefahren wird. Bei erhöhtem Bedarf an
gasförmigem Druckprodukt wird also die Menge des zweiten Teilstroms konstant
gehalten und die Menge des im Kreislaufverdichter verdichteten Wärmeträgers um
denselben Betrag wie die Menge des ersten Teilstroms erhöht. Dennoch sind beim
erfindungsgemäßen Verfahren auch bei dieser Betriebsweise die relativen
Schwankungen des Verdichterdurchsatzes vergleichweise gering, da die
Kreislaufmenge konstant bleiben kann. Der gleichbleibende Anteil des im
Kreislaufverdichter komprimierten Gases dämpft die relativen Ausschläge des
Verdichterdurchsatzes.
Die beiden Betriebsweisen können aber auch kombiniert werden, indem die
Schwankungen des ersten Teilstroms zu einem Teil durch Variation des zweiten
Teilstroms und zu einem anderen Teil durch Veränderung des Durchsatzes am
Kreislaufverdichter kompensiert werden. Bei erhöhtem Bedarf an gasförmigem
Druckprodukt werden dann sowohl die Menge des im Kreislaufverdichter verdichteten
Wärmeträgers erhöht als auch die Menge des zweiten Teilstroms verringert.
Je nach Bedarf kann zwischen diesen Betriebsweisen gewechselt werden,
beispielsweise um Flüssigproduktentnahmen aus dem Tank zu kompensieren oder für
bestimmte Zeit eine erhöhte Menge an Flüssigprodukt(en) zu liefern. Je nach Menge
des zweiten Teilstroms wird bei dessen arbeitsleistender Entspannung unterschiedlich
viel Kälte erzeugt.
In jedem Fall können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sämtliche Ströme, die in
die Rektifiziersäule(n) eingespeist oder daraus entnommen werden, konstant bleiben.
Schwankungen in der Produktmenge haben damit keinerlei Auswirkungen auf die
Rektifikation. Insbesondere können in jedem Betriebsfall gleichbleibend hohe Reinheiten
und Ausbeuten erzielt werden.
Falls das Rektifiziersystem eine aus Drucksäule und Niederdrucksäule bestehende
Doppelsäule aufweist, kann beispielsweise flüssiger Sauerstoff vom Sumpf der
Niederdrucksäule oder verflüssigter Stickstoff aus der Drucksäule als flüssige Fraktion
verwendet werden.
In einer günstigen Ausführungsform wird weiterer Strom des Wärmeträgers
arbeitsleistend entspannt. Dadurch kann einerseits zusätzlich Kälte in dem Kreislauf
erzeugt werden, andererseits ist eine weitere Möglichkeit zur genaueren Anpassung der
Kälteleistung an den momentanen Bedarf gegeben, die unabhängig von der Regelung
des Kreislaufverdichters und des zweiten Teilstroms ist.
Insbesondere kann die Menge des weiteren Stroms, die der arbeitsleistenden
Entspannung zugeführt wird, bei erhöhtem Bedarf an gasförmigem Druckprodukt
erniedrigt werden und damit ein Überschuß an Kälte mindestens teilweise kompensiert
werden. Vorzugsweise führt die arbeitsleistende Entspannung des weiteren Stroms
etwa von dem Eintrittsdruck des Kreislaufverdichters (unteres Niveau des
Kältekreislaufs) auf etwa Atmosphärendruck und der arbeitsleistend entspannte weitere
Strom wird als druckloses Gasprodukt abgezogen. Damit lassen sich auch
Schwankungen der im Kreislauf zirkulierenden Gasmenge auffangen. Insbesondere
kann beispielsweise bei der ersten Betriebsweise (konstanter Durchsatz am
Kreislaufverdichter) eine Verringerung der Menge des zweiten Teilstroms durch eine
entsprechende Erniedrigung der Menge des arbeitsleistend entspannten weiteren
Stroms ausgeglichen werden. Bei der zweiten Betriebsweise (konstanter Durchsatz bei
der arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Teilstroms) kann zum Beispiel eine
Erhöhung des Kreislaufverdichterdurchsatzes durch eine Veringerung der Gasmenge
kompensiert werden, die als weiterer Strom den Kreislauf verläßt.
Grundsätzlich kann jeder in dem Verfahren verfügbare Prozeßstrom als Wärmeträger
für den Kältekreislauf und die Verdampfung der flüssigen Fraktion verwendet werden,
beispielsweise Luft oder auch ein anderes Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch. Bevorzugt
wird jedoch Stickstoff aus dem Rektifiziersystem als Wärmeträger eingesetzt, im Falle
einer Doppelsäule beispielsweise gasförmiger Stickstoff, der am Kopf der Drucksäule
anfällt. In der Regel wird der gesamte Kreislaufstickstoff in der Anlage selbst produziert.
Zusätzlich kann jedoch eine Teilmenge des Wärmeträgers aus einer äußeren Quelle
stammen, beispielsweise durch Einspeisung von Flüssigstickstoff aus einer anderen
Anlage oder aus einem Tankwagen in den zweiten Speichertank.
Wenn Stickstoff als Produkt gewonnen wird, kann somit der zweite Speichertank neben
seiner Pufferwirkung für die variable Druckproduktgewinnung auch als
Sicherheitsreserve (Backup) für einen zeitweisen Ausfall der Anlage und/oder als Puffer
für Flüssigprodukt eingesetzt werden.
Außerdem hat die Verwendung von Stickstoff als Wärmeträger den Vorteil, daß
Kältekreislauf und Druckproduktverdampfung keinerlei negative Auswirkungen auf die
Rektifikation hat, wie es bei der Zuspeisung von gegen Druckprodukt verflüssigter Luft
und bei der Einspeisung von gasförmiger Luft aus einer Entspannungsmaschine in eine
Niederdrucksäule der Fall wäre. Die Rektifikation kann also bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren mit Einsatz von Stickstoff als Wärmeträger optimal
gefahren werden. Das Verfahren ist damit auch für hohe Produktreinheiten und -aus
beuten geeignet, ebenso wie für die Gewinnung von Argon im Anschluß an die
Luftzerlegung im engeren Sinne (z. B. an die Niederdrucksäule einer Doppelsäule
angeschlossene Rohargonsäule).
Es ist günstig, wenn die Einsatzluft für das Rektifiziersystem in einem
Hauptwärmetauschersystem abgekühlt wird, in dem auch die Verdampfung der
flüssigen Fraktion unter erhöhtem Druck durchgeführt wird. Durch diese Integration der
Wärmeaustauschvorgänge können die Austauschverluste gering gehalten werden.
Dies kann zum einen dadurch realisiert werden, daß das Hauptwärmetauschersystem
einen Wärmetauscherblock aufweist, in dem sowohl die Abkühlung der Einsatzluft als
auch die Verdampfung der flüssigen Fraktion unter erhöhtem Druck durchgeführt
werden.
Apparativ weniger aufwendig ist es jedoch, wenn das Hauptwärmetauschersystem
mehrere Wärmetauscherblöcke aufweist, insbesondere einen ersten und einen
zweiten Wärmetauscherblock, wobei in dem ersten Wärmetauscherblock die Abkühlung
der Einsatzluft und in dem zweiten Wärmetauscherblock die Verdampfung der flüssigen
Fraktion unter erhöhtem Druck durchgeführt wird. In diesem Fall ist es günstig, wenn
die beiden Wärmetauscherblöcke durch einen Ausgleichsstrom gekoppelt sind, der
einem der beiden Wärmetauscherblöcke zwischen dem warmen und kalten Ende
entnommen und dem anderen der beiden Wärmetauscherblöcke zwischen dem armen
und kalten Ende zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand
des Ausführungsbeispiels des Linde-VARIPOX®-Verfahrens (VARiable Internal
Pressurization of OXygen) und der entsprechenden Anlage näher erläutert, die in der
Zeichnung schematisch dargestellt sind.
Verdichtete und gereinigte Einsatzluft 10 wird unter einem Druck von 5 bis 10 bar
vorzugsweise 5,5 bis 6,5 bar im Wärmetauscher 11 abgekühlt, der mit dem
Wärmetauscher 12 das Hauptwärmetauschersystem bildet. Über Leitung 13 wird sie bei
etwa Taupunktstemperatur in eine Drucksäule 14 eingeleitet. Die Drucksäule gehört zu
dem Rektifiziersystem, das außerdem eine Niederdrucksäule 15 aufweist, die bei einem
Druck von 1,3 bis 2 bar, vorzugsweise 1,5 bis 1,7 bar betrieben wird. Drucksäule 14 und
Niederdrucksäule 15 sind über einen Hauptkondensator 16 thermisch gekoppelt.
Sumpfflüssigkeit 17 aus der Drucksäule 14 wird in einem Gegenströmer 18 gegen
Produktströme der Niederdrucksäule unterkühlt und in die Niederdrucksäule 15
eingespeist (Leitung 19). Gasförmiger Stickstoff 20 vom Kopf der Drucksäule 14 wird im
Hauptkondensator 16 gegen verdampfende Flüssigkeit im Sumpf der Niederdrucksäule
15 verflüssigt. Das Kondensat 21 wird zu einem Teil als Rücklauf auf die Drucksäule 5
aufgegeben (Leitung 22) und zu einem anderen Teil 23 nach Unterkühlung 18 in einen
Abscheider 25 eingeführt (24). Die Niederdrucksäule 15 wird aus dem Abscheider 25
mit Rücklaufflüssigkeit versorgt (Leitung 26).
Niederdruckstickstoff 27 und unreiner Stickstoff 28 werden nach Entnahme aus der
Niederdrucksäule 15 in den Wärmetauschern 18 und 11 auf etwa
Umgebungstemperatur angewärmt. Der unreine Stickstoff 30 kann zur Regenerierung
eines nicht dargestellten Molekularsiebs für die Luftreinigung eingesetzt werden; der
Niederdruckstickstoff 29 wird entweder als Produkt abgeführt oder in einem
Verdunstungskühler zur Abkühlung von Kühlwasser verwendet.
Sauerstoff wird als flüssige Fraktion über Leitung 31 aus dem Sumpf der
Niederdrucksäule 15 abgezogen, unterkühlt (18) und in einen Flüssigsauerstofftank
(ersten Speichertank) 33 eingeführt (32). Der Flüssigsauerstofftank 33 steht
vorzugsweise unter etwa Atmosphärendruck. Flüssiger Sauerstoff 34 aus dem ersten
Speichertank 33 wird mittels einer Pumpe 35 auf einen erhöhten Druck von
beispielsweise 5 bis 80 bar gebracht, je nach benötigtem Produktdruck.
(Selbstverständlich sind auch andere Methoden zur Druckerhöhung in der flüssigen
Phase anwendbar, beispielsweise durch Ausnutzung eines hydrostatischen Potentials
oder durch Druckaufbauverdampfung an einem Speichertank.) Der flüssige
Hochdrucksauerstoff 36 wird im Wärmetauscher 12 verdampft und als
innenverdichtetes gasförmiges Produkt 37 abgezogen.
Der Teil des gasförmigen Stickstoffs aus der Drucksäule 14, der nicht dem
Hauptkondensator 16 zugeführt wird, wird über die Leitungen 38, 39 und 40 durch den
Wärmetauscher 11 abgezogen und als Wärmeträger einem Kältekreislauf zugeführt, der
unter anderem einen zweistufigen Kreislaufverdichter 41, 42 und eine
Entspannungsturbine 43 umfaßt. Im Kreislaufverdichter 41, 42 wird der Stickstoff von
etwa Druckstufendruck auf einen Druck komprimiert, der einer Stickstoff-
Kondensationstemperatur entspricht, die mindestens etwa gleich der
Verdampfungstemperatur des flüssigen Drucksauerstoffs 36 ist. Dieser Druck beträgt -
je nach vorgegebenem Abgabedruck des Sauerstoffs - beispielsweise 15 bis 60 bar. Ein
erster Teilstrom 45 des hochverdichteten Stickstoffs 44 wird gegen den verdampfenden
Sauerstoff 36 mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig oder im wesentlichen
vollständig verflüssigt und in einen Abscheider 46 eingespeist.
Der zweite Teilstrom 59 des im Kreislaufverdichter komprimierten Stickstoffs wird bei
dem hohen Druck und bei einer Temperatur, die zwischen den Temperaturen am
warmen und am kalten Ende des Wärmetauschers 12 liegt, der Entspannungsturbine 43
zugeleitet und dort auf etwa Drucksäulendruck arbeitsleistend entspannt. Der
entspannte zweite Teilstrom 60 wird zum einen Teil durch Wärmetauscher 12 (über 61,
62), zum anderen Teil durch Wärmetauscher 11 (über 63, 64, 39, 40) zum Eintritt des
Kreislaufverdichters 41, 42 zurückgeführt.
Flüssiger Stickstoff aus dem Abscheider 46 kann über Leitung 47 als Rücklauf auf die
Drucksäule 14 aufgegeben und/oder über Leitung 48 in einen zweiten Speichertank
(Flüssigstickstofftank 49) eingeführt werden, der unter einem Druck von beispielsweise
1 bis 5 bar, vorzugsweise unter etwa Atmosphärendruck steht. Der Tank kann
außerdem gegebenenfalls von überschüssiger Flüssigkeit 50 aus dem Abscheider 25
gespeist werden, die nicht als Rücklauf für die Niederdrucksäule 15 benötigt wird. Bei
Bedarf kann flüssiger Stickstoff mittels einer Pumpe 51 in den Abscheider 46 gedrückt
werden (Leitung 52).
Ein Teil des Stickstoffs 53 aus Leitung 39 kann bei einer Zwischentemperatur aus dem
Wärmetauscher 11 entnommen werden. Dieser Teil dient teilweise als Ausgleichsstrom
54, mit dessen Hilfe die Effizienz des Hauptwärmetauschersystems 11, 12 verbessert
werden kann, und teilweise als weiterer Strom 55 des Wärmeträgers, der in einer
zweiten Entspannungsturbine 56 arbeitsleistend auf etwas über Atmosphärendruck
entspannt wird. Der arbeitsleistend entspannte weitere Strom 57 wird im
Wärmetauscher 12 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und verläßt die Anlage
als gasförmiges Produkt 58.
Aus den Speichertanks 33, 49 können flüssiger Sauerstoff und/oder flüssiger Stickstoff
als Produkte abgezogen werden (die entsprechenden Leitungen sind in der Zeichnung
nicht dargestellt).
Die Wechselspeicherung hat bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keinerlei störende
Einflüsse auf die Rektifikation, insbesondere wird weder Flüssigluft der Rektifikation
zugeführt, noch wird Niederdruckluft direkt in die Niederdrucksäule eingespeist.
Dadurch eignet sich der Prozeß hervorragend für besonders anspruchsvolle
Trennaufgaben wie die Gewinnung von Argon. Dazu kann an einer Zwischenstelle 66
der Niederdrucksäule 15 eine konventionelle Argonrektifikation angeschlossen sein, wie
es in der Zeichnung durch die dort gezeigten Leitungen angedeutet ist. Bevorzugt wird
dazu eines der in EP 377117 B1 oder in einer der europäischen Patentanmeldugnen EP 669508,
oder EP 669509 A1 mit älterem Zeitrang beschriebenen Verfahren und eine der dort beschriebenen
Vorrichtungen eingesetzt.
In dem Beispiel wird die erste Stufe 41 des Kreislaufverdichters auch als
Produktverdichter verwendet, indem zwischen der ersten und der zweiten Stufe ein
Produktstrom 65 unter einem Druck von vorzugsweise 8 bis 35 bar, beispielsweise
20 bar abgezogen wird.
Im folgenden werden nun die beiden grundsätzlichen Betriebsweisen eines Verfahrens
und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung erläutert. Die Anlage ist für eine bestimmte
mittlere Menge an Drucksauerstoffprodukt ausgelegt. Die Produktion kann um diesen
mittleren Wert schwanken, und zwar zwischen einem minimalen und einem maximalen
Wert. Zur Erläuterung, wie diese Schwankung bewerkstelligt wird, werden in den
folgenden Zahlenbeispielen die beiden extremen Betriebsfälle ("Max.", "Min.") und der
Betriebsfall der durchschnittlichen Drucksauerstoffproduktion ("Mittl.") einer Anlage
vorgestellt, die 190.000 Nm³/h Einsatzluft verarbeitet. Die Drücke betragen dabei
Drucksäule 14|5,1 bar | |
Niederdrucksäule 15 | 1,3 bar |
Drucksauerstoff 37 | 26 bar |
Eintritt des Kreislaufverdichters | 4,8 bar |
Austritt des Kreislaufverdichters | 42 bar |
Flüssigsauerstofftank 33 | 1,1 bar |
Flüssigstickstofftank | 1,1 bar |
Tabelle 1 betrifft diejenige Betriebsweise, in der die Entspannungsturbine 43 für den
zweiten Teilstrom 59 mit konstanter Drehzahl gefahren wird; bei der in Tabelle 2
dargestellten Betriebsweise wird der Durchsatz durch den Kreislaufverdichter 41, 42
konstant gehalten. Selbstverständlich ist auch bei dem Ausführungsbeispiel jeder
beliebige Übergang zwischen diesen beiden Betriebsweisen möglich. In beiden Tabellen
werden die Mengen der jeweiligen Ströme für die drei genannten Betriebsfälle in
1000 Nm³/h angegeben. Die Bezugszeichen in der ersten Tabellenspalte beziehen sich
auf die Zeichnung.
Das Schema ist in der Zeichnung durch eine gestrichelte Linie in zwei Hälften geteilt.
Die linke Hälfte enthält im wesentlichen den Kältekreislauf und die Speichertanks; die
gesamte Rektifikation befindet sich in der rechten Hälfte. Im Wechselbetrieb des
Verfahrens und der Anlage bleiben alle Ströme in der rechten Hälfte der Zeichnung
vollständig oder im wesentlichen unverändert, die Schwankungen in der
Drucksauerstoffproduktion wirken sich nur auf den Kreislauf und die Speichertanks aus.
Dies spiegelt sich in den ersten sechs Zeilen der beiden Tabellen wieder, in denen
sämtliche Ströme genannt sind, die die gestrichelte Linie überschreiten; diese weisen in
allen Betriebsfällen den gleichen Durchsatz auf, während sich die Verdampfungsmenge
ändert (Bezugszeichen 36, 37). Insbesondere wird über Leitung 38 eine konstante
Menge von 105.000 Nm³/h Stickstoff aus der Drucksäule 14 in den variablen Teil der
Anlage geführt, der in den Strömen 40 und 53 von einem - ebenfalls gleichbleibenden -
Teil (15.000 Nm³/h) des in der Turbine 43 entspannten zweiten Teilstroms überlagert
wird. Ebenso bleibt die Entnahme von flüssigem Sauerstoffprodukt 31, 32 aus der
Niederdrucksäule 15 in allen Betriebsfällen konstant.
In dem Zahlenbeispiel von Tabelle 1 wird der zweite Teilstrom 59, 60 konstant gehalten.
Die für die Verdampfung notwendige Variation des ersten Teilstroms 45 wird durch die
entsprechende Veränderung des Durchsatzes durch den Kreislaufverdichter (Strom 44)
bewirkt: Erhöht sich beispielsweise die Produktion von dem durchschnittlichen auf den
maximalen Wert, so nimmt der Durchsatz durch den Kreislaufverdichter etwa um
denselben Betrag wie die Produktmenge zu. Das zusätzliche Gas wird durch eine
entsprechende Verringerung der Gasmenge zur Verfügung gestellt, die als weiterer
Strom 55, 57, 58 durch die Turbine 56 aus dem Kreislauf entnommen wird.
Die schwankenden Mengen an verflüssigtem Wärmeträger (erster Teilstrom 45) werden
dadurch gepuffert, daß bei überdurchschnittlicher Produktion über Leitung 48
überschüssige Flüssigkeit dem zweiten Speichertank 39 zugeführt wird; umgekehrt wird
die fehlende Flüssigkeit bei geringer Produktmenge über Leitung 52 aus dem
Flüssigstickstofftank nachgeführt, um die Rücklaufmenge für die Drucksäule 14
konstant zu halten.
Das Zahlenbeispiel von Tabelle 1 ist so ausgelegt, daß ein durchschnittlicher
Überschuß an Flüssigkeit von jeweils 1500 Nm³/h Sauerstoff und Stickstoff erzeugt
wird. Dieser kann kontinuierlich, intermittierend oder auch in variabler Menge in Form
von Flüssigprodukten abgeführt werden. Im übrigen ist es bei dem Verfahren auch
möglich, die durchschnittliche Kälteleistung des Kreislaufs und damit die mittlere Menge
der Flüssigprodukte während des Betriebs zu verändern, indem die durchschnittlichen
Drehzahlen der Turbinen entsprechend angepaßt werden. Die Anlage kann damit nicht
nur bezüglich des innenverdichteten Druckprodukts, sondern auch hinsichtlich der
Flüssigkeitsproduktion besonders flexibel betrieben werden.
Im Beispiel von Tabelle 2 wird statt des zweiten Teilstroms der Durchsatz des
Kreislaufverdichters 41, 42 konstant gehalten.
Claims (8)
1. Verfahren zur variablen Erzeugung eines gasförmigen Druckprodukts (37) durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem Einsatzluft (10, 13) einem
Rektifiziersystem (14, 15) zugeführt wird, wobei
- - eine flüssige Fraktion (31, 32, 34) aus dem Rektifiziersystem (14, 15) in einem ersten Speichertank (33) gepuffert,
- - der Druck der flüssigen Fraktion (34) erhöht (35) und
- - eine variable Menge der flüssigen Fraktion (36) unter dem erhöhten Druck durch indirekten Wärmeaustausch (12) verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (37) gewonnen wird, wobei ferner
- - ein Wärmeträger in einem Kältekreislauf geführt wird, der einen Kreislaufverdichter (41, 42) aufweist,
- - ein erster Teilstrom (44, 45) von im Kreislaufverdichter (41, 42) verdichtetem Wärmeträger dem indirekten Wärmeaustausch (12) zur Verdampfung der flüssigen Fraktion (36) zugeführt und dabei mindestens teilweise verflüssigt wird,
- - ein zweiter Teilstrom (44, 59) von im Kreislaufverdichter (41, 42) verdichtetem Wärmeträger (44) arbeitsleistend entspannt (43) wird und
- - verflüssigter Wärmeträger (45, 48, 52) in einem zweiten Speichertank (49) gepuffert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Strom
(55) des Wärmeträgers arbeitsleistend entspannt (56) wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des
weiteren Stroms (55), die der arbeitsleistenden Entspannung (56) zugeführt wird,
bei erhöhtem Bedarf an gasförmigem Druckprodukt (37) erniedrigt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
Stickstoff (31) aus dem Rektifiziersystem (14, 15) als Wärmeträger eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einsatzluft (10) für das Rektifiziersystem (14, 15) in einem
Hauptwärmetauschersystem (11, 12) abgekühlt wird, in dem auch die Verdampfung
(12) der flüssigen Fraktion (36) unter erhöhtem Druck durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Hauptwärmetauschersystem einen Wärmetauscherblock aufweist, in dem sowohl
die Abkühlung der Einsatzluft als auch die Verdampfung der flüssigen Fraktion
unter erhöhtem Druck durchgeführt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Hauptwärmetauschersystem einen ersten und einen zweiten Wärmetauscherblock
aufweist, wobei in dem ersten Wärmetauscherblock (11) die Abkühlung der
Einsatzluft (10) und in dem zweiten Wärmetauscherblock (12) die Verdampfung der
flüssigen Fraktion (36) unter erhöhtem Druck durchgeführt wird, und wobei die
beiden Wärmetauscherblöcke (11, 12) durch einen Ausgleichsstrom (54) gekoppelt
sind, der einem (11) der beiden Wärmetauscherblöcke zwischen dem warmen und
kalten Ende entnommen und dem anderen (12) der beiden Wärmetauscherblöcke
zwischen dem armen und kalten Ende zugeführt wird.
8. Vorrichtung zur variablen Erzeugung eines gasförmigen Druckprodukts durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft,
- - mit einem Rektifiziersystem (14, 15), in das eine Einsatzluftleitung (10, 13) führt,
- - mit einer Flüssigkeitsleitung (31, 32) zur Entnahme einer flüssigen Fraktion aus dem Rektifiziersystem (14, 15) und zu deren Einleitung in einen ersten Speichertank (33),
- - mit Mitteln (35) zur Erhöhung des Drucks der flüssigen Fraktion (34),
- - mit einem Wärmetauscher (12) zur Verdampfung der flüssigen Fraktion (36) unter erhöhtem Druck,
- - mit einer Produktleitung (37) zur Entnahme der verdampften flüssigen Fraktion als gasförmiges Druckprodukt,
- - mit einem in einem Kältekreislauf, der einen Kreislaufverdichter (41, 42) aufweist,
- - mit einer ersten Teilstromleitung (44, 45), die von dem Kreislaufverdichter (41, 42) zu dem Wärmetauscher (12) zur Verdampfung der flüssigen Fraktion (36) verbunden ist,
- - mit einer zweiten Teilstromleitung (44, 59), die von dem Kreislaufverdichter (41, 42) zu einer Entspannungsmaschine (43) führt und
- - mit einem zweiten Speichertank (49) zur Pufferung von verflüssigtem Wärmeträger (45, 48).
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