DE69712340T2 - Verfahren und einrichtung zur herstellung eines luftgases mit variablen mengen - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur herstellung eines luftgases mit variablen mengen

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Produktion eines Luftgases, insbesondere von Sauerstoff, mit variabler Durchflußmenge durch Luftdestillation der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Gattung.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere die Produktion von Drucksauerstoff mit variabler Durchflußmenge.
  • Bei den Drücken, von denen hier die Rede ist, handelt es sich um Absolutdrücke, und bei den Durchflußmengen handelt sich um molare Durchflußmengen.
  • In der eigenen EP-A-0 422 974 wird ein Verfahren dieser Art, das als "Schaukel"-Verfahren bezeichnet wird, zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff mit variabler Durchflußmenge beschrieben. Bei dem zweiten Fluid, von dem die Rede ist, handelt es sich um zu destillierende Luft, die gemäß einer variablen Durchflußmenge kondensiert wird.
  • Bei diesem bekannten Verfahren läßt sich leicht zeigen, daß man zur Konstanthaltung der Zufuhr- und Abzugsdurchflußmengen der Destillationsapparatur die eintretende Luftdurchflußmenge im gleichen Sinne wie die Variationen des Sauerstoffverbrauchs variieren muß. Im Fall der Produktion von Sauerstoff unter Druck wird die Luft, die zur Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs kondensiert wird, durch einen zusätzlichen Nachverdichter nachverdichtet, und bei variierendem Sauerstoffbedarf muß man sowohl die nachverdichtete Durchflußmenge als auch die durch den Hauptverdichter verdichtete Durchflußmenge beträchtlich variieren.
  • Infolgedessen sind der Verdichter und gegebenenfalls der Nachverdichter bei diesem Verfahren gegenüber der zu produzierenden nominalen Sauerstoffdurchflußmenge beträchtlich überdimensioniert. Darüber hinaus arbeiten sie die meiste Zeit bei erheblich unter ihren Kapazitäten liegenden Durchflußmengen und somit mit herabgesetzter Leistungsfähigkeit.
  • Es wurde auch schon vorgeschlagen, das zu produzierende Gas in Gasform in einem zusätzlichen Behälter oder "Puffer" bei einem über dem Produktionsdruck liegenden Druck zu speichern. Diese Lösung kann jedoch nicht zufriedenstellen, da hierbei sehr große Puffer vorgesehen werden müssen, um lang andauernde Verbrauchsspitzen bewältigen zu können. Darüber hinaus ist die Produktion des gesamten Gases bei dem Pufferdruck energieaufwendig.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Produktion von Luftgas mit variabler Durchflußmenge unter besonders effizienten und wirtschaftlichen Bedingungen zu ermöglichen.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren der oben erwähnten Gattung, das durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.
  • Dieses Verfahren kann ein oder mehrere der Merkmale der Ansprüche 2 bis 11 aufweisen.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Anlage zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Diese Anlage wird in Anspruch 12 beschrieben.
  • Diese Anlage kann ein oder mehrere der Merkmale der Ansprüche 13 bis 16 aufweisen.
  • Im folgenden wird ein Beispiel für die Ausführung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • - Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage zur Produktion von Drucksauerstoff mit variabler Durchflußmenge;
  • - Fig. 2 ein Wärmeaustauschdiagramm, das die Verdampfung von flüssigem Sauerstoff unter dem Produktionsdruck erläutert; und
  • - die Fig. 3 und 4 eine schematische Darstellung von zwei Varianten der Anlage.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Anlage enthält im wesentlichen einen Hauptluftverdichter 1 mit variabler Durchflußmenge, beispielsweise vom Zentrifugentyp mit beweglichen Schaufeln, eine Apparatur zur adsorptiven Reinigung 2, eine Wärmeaustauschleitung 3, eine Kalthalteturbine 4, eine Luftdestillationsapparatur 5 aus einer Doppelsäule, die ihrerseits eine Mitteldrucksäule 6, eine darüber angeordnete Niederdrucksäule 7 sowie einen Verdampfer-Kondensator 8 enthält, einen Vorratstank für flüssigen Sauerstoff 10, einen Vorratstank für verflüssigte Luft 11, zwei Pumpen 12 und 13, einen Luftnachverdichter 14 und einen zusätzlichen Behälter oder "Puffer" 15. Diese Anlage ist zur Produktion einer varibalen Durchflußmenge an gasförmigem Sauerstoff über eine Produktionsleitung 16 unter einem Druck von etwa 15 bar vorgesehen.
  • Zur Beschreibung der Funktionsweise dieser Anlage wird zunächst angenommen, daß der Bedarf an gasförmigem Sauerstoff in der Leitung 16 konstant ist und der Nominalproduktion, d. h. etwa 20% der durch den Verdichter 1 verdichteten nominalen Luftdurchflußmenge, entspricht.
  • Die Nominaldurchflußmenge an zu behandelnder, durch den Verdichter 1 auf 6 bar verdichteter und durch einen Luft- oder Wasserkühler 17 auf Umgebungstemperatur abgekühlter Luft wird in der Apparatur 2 gereinigt und dann in zwei Ströme mit jeweils konstanter Durchflußmenge aufgeteilt.
  • Ein erster Strom wird in den Passagen 19 der Austauschleitung 3 abgekühlt; ein Teil tritt nach teilweise r Abkühlung aus dieser Austauschleitung aus, wird in der Turbine 4 auf 1 bar entspannt und in der Nähe seines Taupunkts über eine Leitung 20 in die Niederdrucksäule 7 eingespeist; der Rest wird weiter bis in die Nähe seines Taupunkts bei 6 bar abgekühlt und dann über eine Leitung 21 in den Boden der Mitteldrucksäule 6 eingespeist.
  • Ein zweiter Strom wird bei 14 auf einen weiter unten definierten hohen Kondensationsdruck nachverdichtet, dann in den Passagen 22 der Austauschleitung abgekühlt und verflüssigt und danach nach Entspannung auf 6 bar in einem Entspannungsventil 23 in flüssiger Form im Vorratstank 11 gespeichert. Am Boden dieses Vorratstanks wird eine konstante Durchflußmenge an verflüssigter Luft abgezogen und in eine erste konstante Durchflußmenge bei 6 bar, die über eine Leitung 24 der Mitteldrucksäule zugeführt wird, und eine zweite konstante Durchflußmenge, die in einem Entspannungsventil 25 gegen 1 bar entspannt und dann in die Niederdrucksäule 7 eingespeist wird, aufgeteilt.
  • Im Verdampfer-Kondensator 8 wird eine konstante Durchflußmenge an flüssigem Sauerstoff im Sumpf der Niederdrucksäule 7 durch Kondensation einer nahezu gleichen Stickstoffdurchflußmenge am Kopf der Mitteldrucksäule 6 verdampft. Aus dem Sumpf der Mitteldrucksäule abgezogene und in einem Entspannungsventil 26 gegen 1 bar entspannte "angereicherte Flüssigkeit" (mit Sauerstoff angereicherte Luft) wird in einer mittleren Höhe der Niederdrucksäule zugeführt, wohingegen am Kopf der Mitteldrucksäule abgezogene und in einem Entspannungsventil 27 gegen 1 bar entspannte "abgereicherte Flüssigkeit" (fast reiner Stickstoff) am Kopf der Niederdrucksäule eingespeist wird.
  • Eine konstante Durchflußmenge an flüssigem Sauerstoff, die etwa 20% der eintretenden Luftdurchfluß menge entspricht, gelangt über eine Leitung 28 in den Vorratstank 10. Eine genau gleich große konstante Durchflußmenge an flüssigem Sauerstoff wird am Boden dieses Vorratstanks abgezogen und in zwei Ströme mit konstanten Durchflußmengen aufgeteilt:
  • - Ein größerer erster Strom, der beispielsweise 80% der Gesamtdurchflußmenge ausmacht, wird durch die Pumpe 12 auf 12 bar verdichtet, dann in den Passagen 29 der Austauschleitung verdampft und der Produktionsleitung 16 zugeführt.
  • - Ein zweiter Strom wird durch die Pumpe 13 auf einen viel höheren Druck, beispielsweise 30 bar, verdichtet, in den Passagen 30 der Austauschleitung verdampft und dem Behälter 15 zugeführt.
  • Der Behälter 15 ist über eine mit einem Entspannungs- und Durchflußregelventil 34 versehene Leitung 33 mit der Produktionsleitung 16 verbunden, und in diesem Ventil 34 wird eine der Durchflußmenge des oben erwähnten zweiten Stroms entsprechende konstante Durchflußmenge entspannt und vom Behälter 15 der Leitung 16 zugeführt.
  • Außerdem wird am Kopf der Niederdrucksäule eine konstante Durchflußmenge an unreinem Stickstoff abgezogen, in den Passagen 31 der Austauschleitung angewärmt und über eine Leitung 32 als Rückstand ausgeschleust.
  • Wie man sieht, enthält die Anlage einen einzigen Nachverdichter 14, so daß die Kondensation der nachverdichteten Luft in den Passagen 22 der Austauschleitung zur gleichzeitigen Verdampfung von Sauerstoff unter einem Druck von 15 bar und Sauerstoff unter einem Druck von 30 bar genutzt wird.
  • Hierzu wählt man den Druck der nachverdichteten Luft so, daß er zur Verdampfung von Sauerstoff unter einem Druck von 15 bar "konkomitant" ist. Hierbei handelt es sich um denjenigen Druck, bei dem der Luftverflüssigungsknick G in der Nähe der Schulter P der Verdampfung von Sauerstoff unter einem Druck von 15 bar liegt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, in der die ausgetauschten Wärmemengen Q auf der Ordinate und die Temperaturen t auf der Abszisse aufgetragen sind.
  • Bei diesem Druck liegt der obige Knick G bei einer Temperatur unterhalb der Schulter P' der Verdampfung von Sauerstoff unter einem Druck von 30 bar, wie ebenfalls aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 hervorgeht, was jedoch durchaus möglich ist, sofern gleichzeitig ein flüssiges Produkt aus der Anlage ausgeschleust wird (in diesem Beispiel flüssiger Sauerstoff oder Stickstoff), wie die FR-A-2 674 014 lehrt.
  • In Fig. 2 gibt der Punkt A die Eingangstemperatur der Turbine 4 wieder, und diese Eingangstemperatur wird so gewählt, daß man am warmen Ende der Austauschleitung einen minimalen Temperaturunterschied in der Größenordnung von wenigen Grad erhält.
  • Als numerisches Beispiel kann man für die nachverdichtete Luft einen Druck von etwa 40 bar wählen.
  • Alle in die Doppelsäule 5 mündenden und davon ausgehenden Leitungen sind mit nicht gezeigten Einrichtungen zur Gewährleistung einer konstanten Durchflußmenge versehen. Somit wird die Einstellung dieser Doppelsäule bei Variation des Bedarfs an gasförmigem Sauerstoff nicht verändert. Darüber hinaus bleibt die Durchflußmenge an bei 30 unter dem hohen Druck verdampftem Sauerstoff konstant.
  • Bei einem Anstieg des Sauerstoffbedarfs sind mehrere Fälle zu unterscheiden:
  • (1) Wenn die Verbrauchsspitze in der Amplitude auf einen vorgegebenen Wert beschränkt ist, beispielsweise einen Wert von 120% der Nominaldurchflußmenge, wird eine entsprechende ergänzende Durchflußmenge an flüssigem Sauerstoff mit Hilfe der Pumpe 12 aus dem Vorratstank 10 entnommen, wobei man die Pumpdurchflußmenge der Pumpe erhöht, und bei 29 unter dem Produktionsdruck durch Kondensation von durch den Nachverdichter 14 nachverdichteter Luft bei 22 verdampft.
  • Dies entspricht dem herkömmlichen Flüssigsauerstoff/Flüssigluft-Schaukelbetrieb: das Flüssigsauerstoff-Niveau im Vorratstank 10 sinkt, während das Niveau im Vorratstank 11 steigt.
  • (2) Wenn die Verbrauchsspitze in der Amplitude über dem obigen vorgegebenen Wert liegt, sind zwei Fälle zu unterscheiden:
  • (a) Wenn die Verbrauchsspitze von kurzer Dauer ist, wird die notwendige ergänzende Sauerstoffdurchflußmenge, die über den vorgegebenen Wert hinausgeht, durch weiteres Öffnen des Ventils 34 aus dem Behälter 15 entnommen und nach Entspannung in diesem Ventil der Produktionsleitung 16 zugeführt.
  • Beispielsweise werden bei einer 160% der Nominaldurchflußmenge entsprechenden Verbrauchsspitze 20% der ergänzenden Durchflußmenge von der Pumpe 12 und die restlichen 40% vom Behälter 15 geliefert.
  • (b) Bei Entnahme einer ergänzenden Durchflußmenge aus dem Behälter 15 nimmt jedoch selbstverständlich der darin herrschende Druck ab. Folglich muß bei einer allzu langen Dauer der Verbrauchsspitze die im Vergleich zur Nominaldurchflußmenge ergänzende Sauerstoffdurchflußmenge notwendigerweise durch externe Einrichtungen, beispielsweise einen Sauerstoffhilfsspeicher, geliefert werden.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung sich auch auf den folgenden Fall anwenden läßt: Der Sauerstoff wird unter einem Druck von etwa 1 bar produziert, und der Sauerstoffbedarf liegt immer über einem gegebenen Minimalwert. Eine diesem Minimalwert entsprechende konstante Durchflußmenge an gasförmigem Sauerstoff kann somit direkt am Boden der Niederdrucksäule 7 über eine Leitung 35 abgezogen werden, wie es in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet ist, und dann in der Austauschleitung angewärmt werden. Durch diese Variante kann die Kapazität der Vorratstanks 10 und 11 verringert werden. Ebenso kann die Doppelsäule gleichzeitig konstante Produktionen von flüssigem Sauerstoff und/oder gasförmigem Stickstoff und/oder flüssigem Stickstoff über die Leitungen 36 und/oder 37 und/oder 38 gewährleisten, wie es ebenfalls in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet ist.
  • Es sind auch noch andere Varianten der Erfindung denkbar.
  • So fehlt in der Variante gemäß Fig. 3 die Pumpe 13. Die zusätzliche Sauerstoffdurchflußmenge wird über eine Leitung 39 in Gasform aus dem Sumpf der Säule 7 abgezogen, bei 30 unter dem niedrigen Druck angewärmt, durch einen Hilfsverdichter 40 auf den hohen Druck verdichtet und dann dem Behälter 15 zugeführt.
  • Bei einer weiteren Variante handelt es sich bei dem zur Verdampfung mindestens einer der beiden Sauerstoffdurchflußmengen eingesetzten Fluid um Stickstoff. Insbesondere in der Variante gemäß Fig. 4, bei der Sauerstoff bei etwa 1 bar produziert wird, erfolgt die Verdämpfung der Hauptdurchflußmenge mit Hilfe des Verdampfers 8 der Doppelsäule. Dieser Hauptstrom wird dann in Gasform über eine Leitung 41 aus dem Sumpf der Säule 7 abgezogen und bei 29 angewärmt. Die Druckseite der Pumpe 12 ist dann mit dem Sumpf der Säule verbunden, welche den Vorratstank 10 unter dem Einfluß der Schwerkraft speist.
  • In diesem Fall ergibt die Verdampfung der variablen Sauerstoffdurchflußmenge eine variable Durchflußmenge von flüssigem Stickstoff in der Säule 6. Daher ist die Leitung 38 mit einem Stickstoffvorratstank 42 verbunden, und der Boden dieses Vorratstanks ist mit einer Pumpe 43 zur Rückführung einer konstanten Durchflußmenge von flüssigem Stickstoff zum Kopf der Säule 6 verbunden.
  • Bei der Schaukel handelt es sich bei dieser Variante um eine Sauerstoff/Stickstoff-Schaukel, und der Konstantniveau-Vorratstank 11 kann entfallen.
  • Bei Kombination der Varianten gemäß den Fig. 3 und 4 liegt in der Austauschleitung 3 kein zu verdampfender Sauerstoff mehr vor. Daher entfallen die Elemente 14, 22, 23, 11, 24 und 25, und die gesamte Eintrittsluft wird bei 1 auf 6 bar verdichtet und den Passagen 19 zugeführt.

Claims (16)

1. Verfahren zur Produktion eines Luftgases, insbesondere von Sauerstoff, mit variabler Durchflußmenge durch Luftdestillation, bei dem man zumindest einen Teil des zu produzierenden Gases in Form einer ersten Flüssigkeit in einem ersten Vorratstank (10) speichert; aus diesem Vorratstank eine variable Durchflußmenge der ersten Flüssigkeit abzieht und (bei 12, 29; 12, 8, 29) in Gasform und auf den Produktionsdruck bringt, wobei die variable Durchflußmenge (bei 29; 8) durch Kondensieren einer entsprechenden variablen Durchflußmenge eines zweiten Fluids, insbesondere zu destillierender Luft, verdampft wird; dieses kondensierte zweite Fluid in Form einer zweiten Flüssigkeit in einem zweiten Vorratstank (11) speichert und der Destillationsapparatur eine gesteuerte Durchflußmenge dieser zweiten Flüssigkeit zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß man eine zusätzliche Durchflußmenge des zu produzierenden Gases in Gasform und auf einen über dem Produktionsdruck liegenden hohen Druck bringt, danach unter diesem hohen Druck in einem zusätzlichen Behälter (15) speichert und bei bestimmten Gasverbrauchsspitzen zumindest einen Teil des in diesem zusätzlichen Behälter enthaltenen überschüssigen Gases (bei 34) auf den Produktionsdruck bringt und danach entnimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die zusätzliche Durchflußmenge in flüssiger Form (bei 13) auf den hohen Druck verdichtet und die verdichtete zusätzliche Durchflußmenge vor dem Eintragen in den zusätzlichen Behälter (15) unter diesem hohen Druck verdampft.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die verdichtete zusätzliche Durchflußmenge durch Wärmeaustausch mit dem zweiten Fluid verdampft.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die variable Durchflußmenge und die zusätzliche Durchflußmenge durch Wärmeaustausch mit dem zweiten Fluid unter einem einzigen Kondensationsdruck verdampft.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den einzigen Kondensationsdruck so wählt, daß die Kondensationstemperatur des zweiten Fluids kleiner ist als die Verdampfungstemperatur des Gases, zumindest unter dem hohen Druck.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationstemperatur des zweiten Fluids unter dem Kondensationsdruck zur Verdampfungstemperatur des Gases unter dem Produktionsdruck konkomitant ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man aus der Destillationsapparatur (5) eine konstante Durchflußmenge der ersten Flüssigkeit abzieht und eine konstante Durchflußmenge der zweiten Flüssigkeit aus dem zweiten Vorratstank (11) zur Destillationsapparatur leitet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der zusätzlichen Durchflußmenge um eine untergeordnete Fraktion der Durchflußmenge der ersten Flüssigkeit, insbesondere etwa 25% davon bei Nominalbetrieb, handelt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Durchflußmenge konstant ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Verbrauchsspitzen um Spitzen mit einer über einem vorgegebenen Wert liegenden Amplitude handelt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die überschüssige Durchflußmenge des Gases bis zu einer vorgegebenen überschüssigen Durchflußmenge des Gases durch Erhöhung der variablen Durchflußmenge bereitstellt.
12. Anlage zur Produktion eines Luftgases, insbesondere von Sauerstoff, mit variabler Durchflußmenge, enthaltend: eine Luftdestillationsapparatur (5); eine Wärmeaustauschleitung (3) zum Abkühlen der zu destillierenden Luft durch Wärmeaustausch mit Produkten, die von der Destillationsapparatur kommen; einen ersten Vorratstank (10) zum Speichern des Gases in Form einer ersten Flüssigkeit; erste Einrichtungen (12, 29; 12, 8, 29) zum Abziehen einer variablen Durchflußmenge der ersten Flüssigkeit aus dem ersten Vorratstank und zum Bringen der ersten Flüssigkeit in Gasform und auf den Produktionsdruck, wobei diese ersten Einrichtungen zweite Einrichtungen (29; 8) zum Verdampfen der variablen Durchflußmenge durch Kondensieren einer entsprechenden variablen Durchflußmenge eines zweiten Fluids, insbesondere zu destillierender Luft, in Form einer zweiten Flüssigkeit aufweisen; und einen zweiten Vorratstank (11) zum Speichern der zweiten Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie dritte Einrichtungen (13, 30) zum Bringen einer zusätzlichen Durchflußmenge des zu produzierenden Gases in Gasform und auf einen über dem Produktionsdruck liegenden hohen Druck und anschließenden Einleiten in einen zusätzlichen Behälter (15) und eine mit einem Entspannungs- und Durchflußregelventil (34) versehene Leitung (33), die diesen zusätzlichen Behälter mit der Produktionsleitung (16) der Anlage verbindet, enthält.
13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Einrichtungen (13, 30) eine Pumpe (13) zum Verdichten der zusätzlichen Durchflußmenge in flüssiger Form und Einrichtungen (30) zum Verdampfen der verdichteten zusätzlichen Durchflußmenge enthalten.
14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (13) mit dem ersten Vorratstank (10) verbunden ist.
15. Anlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen einzigen Nachverdichter (14) enthält, der das zweite Fluid durch Wärmeaustausch mit der variablen Durchflußmenge und mit der zusätzlichen Durchflußmenge auf einen einzigen Kondensationsdruck bringt.
16. Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie Abzieheinrichtungen (28), die auf das Abziehen einer konstanten Durchflußmenge der ersten Flüssigkeit aus der Destillationsapparatur (5) ausgelegt sind, und Einrichtungen zum Leiten einer konstanten Durchflußmenge der zweiten Flüssigkeit aus dem zweiten Vorratstank (11) zur Destillationsapparatur enthält.
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