WO2007033838A1 - Verfahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

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Definitions

  • the monograph by Hausen and Linde also describes the cleaning of the feed air for such an air separation plant by means of a thermally regenerated molecular sieve in at least two containers.
  • There impurities are removed from the air, which could hinder the cryogenic decomposition, especially water and carbon dioxide, possibly also other substances such as ethylene and nitrous oxide.
  • the other can be regenerated by means of a Regeneriergasstroms heated to at least 100 ° C, preferably 150 to 200 0 C.
  • the regeneration gas used is normally a pressureless residual gas from the low-temperature decomposition, for example impure nitrogen from the low-pressure column of a two-column system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem ein Luftstrom ('Luftmenge 2') in einem Luftverdichter verdichtet, mindestens ein Teil des verdichteten Luftstroms in einer Reinigungsvorrichtung gereinigt, mindestens ein Teil des gereinigten Luftstroms abgekühlt, mindestens ein Teil des abgekühlten Luftstroms als Einsatzluftstrom ('Luftmenge 1 ') in ein Destilliersäulen-System eingeleitet und mindestens ein Produktstrom ('GOX-Produkt 2') in dem Destilliersäulen-System gewonnen und mindestens zum Teil als erstes Endprodukt ('GOX-Produkt 1') abgegeben wird. Die Reinigungsvorrichtung weist mindestens zwei Behälter auf, die zyklisch betrieben werden. Ein Zyklus weist jeweils eine Beladungsphase, eine thermische Regenerierphase und eine Druckaufbauphase auf. Während der Druckaufbauphase wird ein Teil des verdichteten Luftstroms in den entsprechenden Behälter der Reinigungsvorrichtung geleitet. Vor Beginn der Druckaufbauphase wird der Einsatzluftstrom im Umfang einer ersten Einsatzmenge in das Destilliersäulen-System eingeleitet. Während der Druckaufbauphase wird der Einsatzluftstrom im Umfang einer zweiten Einsatzmenge, die geringer ist als die erste Einsatzmenge ist, in das Destilliersäulen-System eingeleitet. Der Produktstrom wird in einen Pufferbehälter eingeleitet und der Endproduktstrom wird aus dem Pufferbehälter entnommen. Vor Beginn der Druckaufbauphase wird der Produktstrom im Umfang einer ersten Produktmenge aus dem Destilliersäulen-System und der Endproduktstrom in einer ersten Abgabemenge aus dem Puffer entnommen. Während der Druckaufbauphase wird der Produktstrom im Umfang einer ersten Produktmenge aus dem Destilliersäulen-System entnommen, die kleiner als die erste Produktmenge ist, und der Endproduktstrom wird in einer zweiten Abgabemenge aus dem Puffer entnommen. Das Verhältnis zwischen zweiter Abgabemenge und erster Abgabemenge ist größer als das Verhältnis zwischen zweiter Produktmenge und erster Produktmenge.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , also mit thermisch regenerierter Reinigungsvorrichtung (TSA - temperature swing adsorption).
Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung 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.
In der Monografie von Hausen und Linde (Seiten 307 bis 309) ist auch die Reinigung der Einsatzluft für eine derartige Luftzerlegungsanlage mittels eines thermisch regenerierten Molekularsiebs in mindestens zwei Behältern beschrieben. Dort werden Verunreinigungen aus der Luft entfernt, welche die Tieftemperaturzerlegung behindern könnten, insbesondere Wasser und Kohlendioxid, gegebenenfalls auch weitere Stoffe wie Ethylen und Lachgas. Während einer der beiden Behälter durch zu reinigende Luft beladen wird, kann der andere mittels eines auf mindestens 100°C, vorzugsweise 150 bis 200 0C erhitzten Regeneriergasstroms regeneriert werden. Als Regeneriergas wird regelmäßig ein druckloses Restgas aus der Tieftemperaturzerlegung eingesetzt, zum Beispiel Unreinstickstoff aus der Niederdrucksäule eines Zweisäulensystems. Nach Abschluss der Regenerierphase folgt daher eine Druckaufbauphase, in dem der Druck des regenerierten Behälters wieder auf den Austrittsdruck des Luftverdichters gebracht wird. Erst anschließend kann die Einsatzluft auf den regenerierten Behälter umgeschaltet werden. Während der Druckaufbauphase wird bei TSA-Verfahren bisher meist der Durchsatz am Luftverdichter erhöht und die zusätzliche Luftmenge als Druckaufbaugas (Schaltluft) in den regenerierten Behälter geleitet. Anschließend wird der Durchsatz am Luftverdichter wieder auf den Normalwert verringert. Damit kann die Einsatzluftmenge, die in die Tieftemperaturzerlegung eingeleitet wird, konstant gehalten werden. Dieser Abschnitt des Prozesses "spürt" nichts von der Druckaufbauphase. Dieses bekannte Verfahren ist in Figur 1 dargestellt: Figur 1 stellt wie alle folgenden Zeichnungen den zeitlichen Verlauf verschiedener Strommengen für einen Zeitraum von etwa 50 Minuten dar. Dieser Zeitraum bildet einen Ausschnitt aus einem Zyklus, der in den Beispielen insgesamt 100 bis 300 Minuten dauert. Der "Produktstrom wird hier durch einen gasförmigen Sauerstoffstrom ("GOX-Produkt") gebildet, der unmittelbar aus dem Destilliersäulen-System entnommen wird. Die Kurve "Luftmenge 2" stellt die Menge des Luftstroms dar, der in dem Luftverdichter verdichtet wird (Verdichtungsmenge). Die "Einsatzmenge" wird als "Luftmenge 1" bezeichnet. Die "Schaltluftmenge" bildet das Druckaufbaugas und ist gleich der Differenz zwischen Verdichtungs- und Einsatzmenge.
Alternativ kann gemäß Figur 2 die Verdichtungsmenge konstant gehalten werden. Dies hat den Vorteil, dass der Luftverdichter nicht extra für die Druckaufbauphase größer dimensioniert werden muss. Allerdings wird die Einsatzmenge zum Destilliersäulen- System entsprechend der abgezweigten Schaltluftmenge während der Druckaufbauphase verringert. Entsprechend verringert sich die Produktmenge ("GOX- Produkt") und/oder die Produktreinheit. Ein solches Verfahren ist aus EP 947790 A1 bekannt, wo angestrebt wird, nachteilige Auswirkungen auf den Trennvorgang im Destilliersäulen-System zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit des oben beschriebenen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Einsatzluftmenge für die Tieftemperaturzerlegung ist auch hier während der Druckaufbauphase geringer als im Normalbetrieb (vor Beginn der Druckaufbauphase). Nach Abschluss des Druckaufbaus wird die Einsatzmenge wieder entsprechend erhöht. Die entsprechende Differenz zwischen Verdichtungs- und Einsatzmenge steht als Druckaufbauluft (Schaltluft) für die Luftreinigung zur Verfügung. Der Durchsatz am Luftverdichter muss entsprechend weniger oder gar nicht erhöht werden. Dadurch braucht der Luftverdichter entsprechend wenig Überkapazität gegenüber dem Normalbetrieb aufzuweisen, die Investitionskosten sinken entsprechend. Ist bei elektrischem Antrieb des Luftverdichters ein maximaler Energieverbrauch (power limit) vorgegeben oder gibt es bei Dampfantrieb Zwänge hinsichtlich kurzfristiger Erhöhung des Dampfverbrauchs, so können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren derartige Randbedingungen optimal ausgenutzt werden, weil während der Druckaufbauphase keine oder nur geringe Veränderungen der Leistungsaufnahme des Luftverdichters notwendig sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Produktstrom in einen Pufferbehälter eingeleitet und das Endprodukt wird aus dem Pufferbehälter entnommen. Das Produkt kann beispielsweise gasförmig gepuffert werden, insbesondere in einem Gasdruckbehälter; dieser kann auch durch das Rohrleitungssystem gebildet werden, mit dem das Endprodukt verteilt und/oder transportiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Pufferbehälter um ein Gefäß zur Flüssigspeicherung handeln, zum Beispiel um einen Flüssigtank. Als Flüssigpuffer können aber auch ohnehin vorhandene Behälter mit Flüssigkeitsstand verwendet werden, beispielsweise ein Abscheider, der Sumpf einer oder mehrerer Säulen oder der Verdampfungsraum eines Kondensator-Verdampfers.
Bei flüssiger Pufferung kann das Endprodukt in flüssiger Form abgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Endprodukt im Wege einer Innenverdichtung flüssig aus dem Pufferbehälter entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, gegen einen Prozessstrom hohen Drucks verdampft (oder - bei überkritischem Druck - pseudo-verdampft) und schließlich als gasförmiges Druckprodukt geliefert werden.
Auch Kombinationen zwischen Gas- und Flüssigpufferung sind möglich.
Gemäß der Erfindung wird während der Druckaufbauphase zwar eine verminderte Produktmenge erzeugt. Dies führt aber lediglich zu einem kurzfristig verminderten Flüssigkeitsstand oder Speicherdruck im Pufferbehälter. Die Abgabemenge des Endprodukts macht die Verminderung entweder nur teilweise mit oder bleibt vollständig konstant.
Es ist günstig, wenn die zweite Abgabemenge gleich oder im Wesentlichen gleich der ersten Abgabemenge ist.
Unter "im Wesentlichen gleich" wird hier eine Abweichung von weniger als 1 %, vorzugsweise weniger als 0,5 %, höchst vorzugsweise weniger als 0,2 % verstanden. "Im Wesentlichen gleich" schließt vollständige Gleichheit ein.
Es ist günstig, wenn vor Beginn der Druckaufbauphase eine erste Verdichtungsmenge in dem Luftverdichter verdichtet wird, während der Druckaufbauphase eine zweite Verdichtungsmenge in dem Luftverdichter verdichtet wird und die erste Verdichtungsmenge und die zweite Verdichtungsmenge im Wesentlichen gleich sind. Kurz gesagt wird der Durchsatz am Luftverdichter am Beginn der Druckaufbauphase unverändert gehalten. Vorzugsweise bleibt der Durchsatz am Luftverdichter ständig konstant, wenn die Steuerung der Druckaufbauluft nicht durch eine automatische Lastanpassung überlagert wird.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Destilliersäulen-System von einer automatischen Laststeuerung gesteuert wird. Selbst wenn die Abgabemenge des Endprodukts konstant ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine automatische Laststeuerung (ALC - automatic load control) eingesetzt. Diese dient hier allerdings nicht (oder nicht nur) zur Anpassung der Abgabemenge des Endprodukts an einen schwankenden Bedarf, sondern umgekehrt zur Aufrechterhaltung der geforderten Produktreinheit bei verringerter Einsatzluftmenge während der Druckaufbauphase.
Insbesondere dann, wenn die Abgabemenge über einen längeren Zeitraum konstant ist, erweist es sich als günstig, wenn vor Beginn der Druckaufbauphase die Produktmenge größer als die Abgabemenge ist. Im Normalbetrieb zwischen zwei Druckaufbauphasen wird dann etwas mehr Produkt im Destilliersäulen-System erzeugt, als an die Verbraucher abgegeben wird, vorzugsweise genau so viel, dass die während der Druckaufbauphase zeitweise verringerte Produktion ausgeglichen wird. Damit sind Produktmenge und Abgabemenge im zeitlichen Mittel über einen oder mehrere Zyklen der Reinigungsvorrichtung gleich. Hierzu muss zwar die gesamte Anlage entsprechend überdimensioniert werden, allerdings lediglich um einen Faktor im Promillebereich, beispielsweise um 4 %0. Dies ist mit dem Verfahren nach Figur 1 zu vergleichen, das einen um etwa 5 % überdimensionierten Luftverdichter erfordert. Bei der Erfindung wird also 4,6 % an Verdichterkapazität eingespart. Dies bedeutet, insbesondere bei sehr großen Anlagen eine deutliche Einsparung an Investitionskosten.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 6.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, auf die sich die Figuren 3 bis 5 beziehen.
Hierbei zeigen:
Figur 3 den zeitlichen Verlauf wichtiger Mengenströme bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit gasförmigem Sauerstoff als Produkt- und Endproduktstrom,
Figur 4 eine vergrößerte Darstellung von Daten aus Figur 2 und Figur 5 Kurven zu einem zweiten Ausführungsbeispiel mit Innenverdichtung von Sauerstoff.
Das erste Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein klassisches Zwei-Säulen-Verfahren zur Tieftemperatur-Luftzerlegung, bei dem das Destilliersäulen-System eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, die thermisch gekoppelt sind. Atmosphärische Luft wird gefiltert, in einem Luftverdichter verdichtet und anschließend einer Reinigungsvorrichtung zugeführt. Mindestens ein Teil des gereinigten Luftstroms wird in einem Hauptwärmetauscher gegen Rückströme abgekühlt und als "Einsatzluftstrom" in das Destilliersäulen-System eingeleitet. Gasförmiger Sauerstoff wird aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule als "Produktstrom" entnommen, im Hauptwärmetauscher in indirektem Wärmeaustausch mit dem Einsatzluftstrom abgekühlt und in ein Pipelinesystem eingespeist, das den "Pufferbehälter" darstellt. Aus dem Pipeleinsystem wird an mehreren Stellen Sauerstoff für einen oder mehrere Verbraucher abgezogen. Die Summe dieser Ströme bildet den "Endproduktstrom". Die Figuren 3 und 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Mengen folgender Ströme des ersten Ausführungsbeispiels:
GOX-Produkt 1 = Produktstrom ("Produktmenge") GOX-Produkt 2 = Endproduktstrom ("Endproduktmenge") Luftmenge 1 = Einsatzluft ("Einsatzmenge")
Luftmenge 2 = Luftmenge durch Luftverdichter ("Verdichtungsmenge") Schaltluft = Luftmenge für den Druckaufbau der Reinigungsvorrichtung = Differenz zwischen Luftmenge 2 und Luftmenge 1
Während der Druckaufbauphase (zwischen den Zeitpunkten 2 und 5) bleibt die Verdichtungsmenge konstant. In diesem Zeitraum wird Schaltluft abgezweigt. Die Einsatzmenge verringert sich entsprechend.
Im Rahmen einer automatischen Lastregelung wird die Betriebsweise des Destilliersäulen-System an die verringerte Einsatzmenge angepasst. Entsprechend vermindert sich die Produktmenge, die aus dem Destilliersäulen-System abgezogen wird. Die Endproduktmenge vermindert sich jedoch nicht, sondern die Verbraucher werden mit unveränderten Mengen an Endprodukt versorgt.
Während der Druckaufbauphase sinkt der Speicherdruck in der Pipeline etwas ab. Zwischen zwei Druckaufbauphasen wird er allerdings wieder auf den ursprünglichen Wert erhöht, weil in diesem Zeitraum die Produktmenge geringfügig (in dem Beispiel 0,4 %) über der Endproduktmenge liegt.
Der angegebene zeitliche Verlauf kann selbstverständlich überlagert werden von anderen Lastanpassungen, die in der Regel eine wesentlich größere Periode aufweisen und beispielsweise von einem variierenden Bedarf an Endprodukt abhängen.
Der "Produktstrom wird hier durch einen gasförmigen Sauerstoffstrom ("GOX- Produkt 1") gebildet, der unmittelbar aus dem Destilliersäulen-System entnommen wird. Die Kurve "Luftmenge 2" stellt der Menge des Luftstroms dar, der in dem Luftverdichter verdichtet wird (Verdichtungsmenge). Die "Einsatzmenge" wird als "Luftmenge 1" bezeichnet. Die "Schaltluftmenge" bildet das Druckaufbaugas und ist gleich der Differenz zwischen Verdichtungs- und Einsatzmenge.
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich nur insofern vom ersten, als der "Produktstrom" durch flüssigen Sauerstoff aus der Niederdrucksäule ("LOX-Produkt" in Figur 5) gebildet wird und als "Pufferbehälter" ein Flüssigtank eingesetzt wird. Aus diesem Flüssigtank wird Flüssigsauerstoff als "Endproduktstrom" entnommen, im Hauptwärmetauscher verdampft und angewärmt und schließlich dem oder den Verbrauchern zugeführt ("GOX-Produkt" in Figur 5).

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem
- ein Luftstrom in einem Luftverdichter verdichtet,
- mindestens ein Teil des verdichteten Luftstroms in einer Reinigungsvorrichtung gereinigt,
- mindestens ein Teil des gereinigten Luftstroms abgekühlt,
- mindestens ein Teil des abgekühlten Luftstroms als Einsatzluftstrom in ein Destilliersäulen-System eingeleitet,
- mindestens ein Produktstrom in dem Destilliersäulen-System gewonnen und mindestens zum Teil als Endproduktstrom abgegeben wird,
- die Reinigungsvorrichtung mindestens zwei Behälter aufweist, die zyklisch betrieben werden,
- ein Zyklus jeweils eine Beladungsphase, eine thermische Regenerierphase und eine Druckaufbauphase aufweist, und
- während der Druckaufbauphase ein Teil des verdichteten Luftstroms in den entsprechenden Behälter der Reinigungsvorrichtung geleitet wird, wobei
- vor Beginn der Druckaufbauphase der Einsatzluftstrom im Umfang einer ersten Einsatzmenge in das Destilliersäulen-System eingeleitet wird und
- während der Druckaufbauphase der Einsatzluftstrom im Umfang einer zweiten Einsatzmenge, die geringer ist als die erste Einsatzmenge ist, in das Destilliersäulen-System eingeleitet wird. dadurch gekennzeichnet, dass
- der Produktstrom in einen Pufferbehälter eingeleitet wird und
- der Endproduktstrom aus dem Pufferbehälter entnommen wird, wobei
- vor Beginn der Druckaufbauphase der Produktstrom im Umfang einer ersten Produktmenge aus dem Destilliersäulen-System und der Endproduktstrom in einer ersten Abgabemenge aus dem Puffer entnommen wird und
- während der Druckaufbauphase der Produktstrom im Umfang einer ersten Produktmenge, die kleiner als die erste Produktmenge ist, aus dem Destilliersäulen-System und der Endproduktstrom in einer zweiten Abgabemenge aus dem Puffer entnommen wird und
- das Verhältnis zwischen zweiter Abgabemenge und erster Abgabemenge größer als das Verhältnis zwischen zweiter Produktmenge und erster Produktmenge ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgabemenge gleich oder im Wesentlichen gleich der ersten Abgabemenge ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- vor Beginn der Druckaufbauphase eine erste Verdichtungsmenge in dem Luftverdichter verdichtet wird,
- während der Druckaufbauphase eine zweite Verdichtungsmenge in dem Luftverdichter verdichtet wird und
- die erste Verdichtungsmenge und die zweite Verdichtungsmenge gleich oder im Wesentlichen gleich sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System von einer automatischen Laststeuerung gesteuert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn der Druckaufbauphase die Produktmenge größer als die Abgabemenge ist.
6. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit
- einem Luftverdichter zum Verdichten eines Luftstroms,
- einer Reinigungsvorrichtung zum Reinigen mindestens eines Teils des verdichteten Luftstroms, die mindestens zwei Behälter aufweist,
- einem Hauptwärmetauscher zum Abkühlen mindestens eines Teils des gereinigten Luftstroms,
- einer Einsatzleitung zum Einleiten mindestens eines Teils des abgekühlten Luftstroms als Einsatzluftstrom in ein Destilliersäulen-System,
- Mitteln zum Gewinnen eines Produktstroms in dem Destilliersäulen-System,
- Mitteln zum Abziehen mindestens eines Teils des Produktstroms als Endproduktstrom und mit
- Steuerungsmitteln, die einen zyklischen Betrieb der Behälter der Reinigungsvorrichtung bewirken, wobei
- ein Zyklus jeweils eine Beladungsphase, eine thermische Regenerierphase und eine Druckaufbauphase aufweist, - während der Druckaufbauphase ein Teil des verdichteten Luftstroms in den entsprechenden Behälter der Reinigungsvorrichtung geleitet wird, und
- die Steuerungsmittel so ausgebildet sind, dass
- vor Beginn der Druckaufbauphase der Einsatzluftstrom im Umfang einer ersten Einsatzmenge in das Destilliersäulen-System eingeleitet wird und
- während der Druckaufbauphase der Einsatzluftstrom im Umfang einer zweiten Einsatzmenge, die geringer ist als die erste Einsatzmenge ist, in das Destilliersäulen-System eingeleitet wird. gekennzeichnet durch
- Mittel zur Einleitung des Produktstroms in einen Pufferbehälter und
- Mittel zu Entnehmen des Endproduktstroms aus dem Pufferbehälter, wobei
- die Steuerungsmittel so ausgebildet sind, dass
- vor Beginn der Druckaufbauphase der Produktstrom im Umfang einer ersten Produktmenge aus dem Destilliersäulen-System und der Endproduktstrom in einer ersten Abgabemenge aus dem Puffer entnommen wird und
- während der Druckaufbauphase der Produktstrom im Umfang einer ersten Produktmenge, die kleiner als die erste Produktmenge ist, aus dem Destilliersäulen-System und der Endproduktstrom in einer zweiten Abgabemenge aus dem Puffer entnommen wird und
- das Verhältnis zwischen zweiter Abgabemenge und erster Abgabemenge größer als das Verhältnis zwischen zweiter Produktmenge und erster Produktmenge ist.
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