WO2014173496A2 - Verfahren zur gewinnung eines luftprodukts in einer luftzerlegungsanlage mit zwischenspeicherung und luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verfahren zur gewinnung eines luftprodukts in einer luftzerlegungsanlage mit zwischenspeicherung und luftzerlegungsanlage Download PDF

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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/20—Boiler-condenser with multiple exchanger cores in parallel or with multiple re-boiling or condensing streams

Definitions

  • the present invention relates to a process for obtaining an air product in an air separation plant and to an air separation plant arranged for carrying out such a process.
  • distillation column systems known per se. These can be designed, for example, as single or two-column systems, in particular as classic double-column systems, but also as three-column or multi-column systems.
  • a distillation column system which comprises a nitrogen column in the form of a single-column apparatus with an additional column for producing oxygen.
  • devices for example columns, for obtaining further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon, can be provided in the abovementioned distillation column systems.
  • pressurized oxygen is needed, for the production of which air separation plants with so-called internal compression can be used.
  • a liquid fraction brought to liquid pressure, in particular liquid oxygen is vaporized against a heat carrier and finally released as a gaseous pressure product.
  • Internal compression has, among other things, energy advantages compared to a subsequent compression of a gas already present
  • the liquid fraction is "pseudo-evaporated".
  • the (pseudo) evaporating liquid fraction of the high-pressure heat transfer fluid is liquefied (or possibly pseudo-liquefied if it is under supercritical pressure).
  • the heat transfer medium is frequently formed by a part of the air supplied to the air separation plant.
  • EP 1 308 680 A1 (US Pat. No. 6 612 129 B2), DE 102 13 212 A1, DE 102 13 211 A1,
  • Air products such as nitrogen or argon which can also be obtained using the internal compression in the gaseous state and are previously present as liquid fractions.
  • the invention is also suitable for all others in a corresponding air separation plant liquid present and in particular fluidly pressurized or liquid pressure fractions. These can also be taken from the system in liquid form.
  • an air product can also be pressurized by means of a partial flow of compressed feed air in a tank arrangement.
  • air products e.g. Pressure oxygen, with high and especially with specified purity needed.
  • the present invention proposes a method for this purpose
  • the invention is based on a known process for the production of air products.
  • the invention can be used in the internal compression described above, but it is generally suitable for all processes for the production of air products in which they are at least temporarily liquid and can be temporarily stored in corresponding tanks.
  • a liquid fraction is obtained, which increases the pressure in liquid form to a target pressure, then against a heat transfer medium evaporated, and finally discharged as an air product in a gaseous state.
  • This usually corresponds to the customer's request.
  • plants also benefit from the process according to the invention, in which an air product is released in the liquid state. In the latter case, the air product corresponds to the liquid fraction, in the internal compression, the liquid fraction is evaporated to the air product.
  • liquid fraction in particular before evaporation in the internal compression, in a tank arrangement with at least two tanks
  • the liquid fraction is fed in alternating operation in the at least two tanks and removed from these.
  • alternating operation of the at least two tanks it is meant here that the liquid fraction is supplied to at least one of the tanks and / or taken from at least one of the tanks and at the same time not supplied to any of the tanks and, at least not taken to provide the air product.
  • the infeed and the withdrawal from one tank is thus never at the same time, if the
  • the tank is always either filled or emptied or neither filled nor emptied (i.e., the liquid fraction is always either fed to or removed from the tank).
  • liquid fraction In the simplified case of only two tanks while the liquid fraction can be fed to a first tank and removed from a second tank or vice versa. However, the liquid fraction may be taken from one of the tanks while it is not supplied to the other tank.
  • Liquid fraction can also be supplied to both tanks at the same time, but not taken at the same time, or taken from both tanks at the same time, but not supplied at the same time. This applies mutatis mutandis to more than two tanks.
  • Composition that is, for example, a content of at least one
  • the method proposed according to the invention has particular advantages when the liquid fraction is pressurized to provide the air product in the liquid state to a target pressure, then vaporized against a heat carrier, and finally released as the air product in the gaseous state, ie in so-called internal compression processes.
  • the evaporation takes place here in particular in the main heat exchanger of the air separation plant.
  • Internal compression is used as an alternative to gaseous product compression (external compression) if the gaseous product is to be recovered under pressure.
  • the continuously occurring liquid fraction is conventionally discharged into the at least two tanks without the intermediate storage according to the invention.
  • the delivery of possibly contaminated air products that do not meet the respective requirements can therefore be prevented only with considerable additional effort.
  • main heat exchanger the speech
  • this is preferably understood as a single heat exchanger block.
  • main heat exchanger it may also be advantageous to realize the main heat exchanger by a plurality of strands connected in parallel with respect to their temperature profile, which are formed by separate components.
  • main heat exchanger or each of its strands, by two or more serially connected heat exchanger blocks.
  • evaporation includes here, as explained above, a
  • Liquid fraction for example, pure oxygen
  • Evaporation eg the main heat exchanger
  • the critical pressure This applies in a corresponding manner to the pressure of the heat carrier, for example the feed air, which liquefies against the liquid fraction (or pseudo-liquefied). It can also be decisive here that the amount is so low that no additional booster compressor is needed.
  • the liquid fraction for example pure oxygen (but also, for example, hydrogen, argon, helium and / or neon, also from external sources), as in conventional air separation plants with
  • Particularly pure air products can be obtained if the liquid fraction is pressure-increased by means of the inventively designed tank assembly by pressure build-up evaporation.
  • the pressure build-up evaporation is basically known. In this case, a part of its contents is taken from a respective tank and evaporated. The expansion during evaporation increases the pressure. In this case, a process pressure of 8 to 16 bar is advantageously used in the context of the present invention.
  • additional pumps which also
  • Installations according to the invention allow an energy saving of about 0.8 to 1 kW per standard cubic meter and hour when using the pressure build-up evaporation
  • the achievable values depend to a significant extent on the
  • the pressure build-up evaporation does not exclude the use of pumps, these may be provided before or after a corresponding tank arrangement. If no pressure build-up evaporation is used, the pressure of the liquid fraction can be increased by means of appropriate pumps before, during or after the intermediate storage according to the invention.
  • the invention is also particularly suitable for pressureless intermediate storage in the tank arrangement, in particular when the Liquid fraction of the system depressurized taken as an air product or pressure is increased only downstream of the tank assembly. Usually, however, pressures,
  • blowoff gas gas released before the refilling of a corresponding tank for pressure reduction (so-called blowoff gas) into a column of the same which is suitable for this purpose
  • the liquid fraction is used to provide the air product only if its composition, which is determined in the tank arrangement, corresponds to a standard value, for example one
  • liquid fraction can be discarded or the air separation plant at a suitable location, such as a pure oxygen column, fed again.
  • the composition of the liquid fraction is determined continuously or at intervals. This can be done at least prior to removal to provide the air product, but also repeatedly, especially when a tank is only partially filled, to overproduction of a non-spec
  • Gas chromatography is particularly suitable for determining a composition of the liquid fraction because it has particularly low detection limits.
  • the present invention is particularly suitable for use with the Applicant's so-called SPECTRA method.
  • a separation column may have a top condenser in which steam from the upper region of the
  • Separation column can be at least partially condensed. This is a nitrogen product, which can then be removed from the system in liquid form. At least part of the won in the top condenser
  • Condensate can also be applied as reflux to the separation column.
  • fluid is removed from the separation column and heated in the top condenser against the fluid to be condensed.
  • the fluid can be taken from the separation column in the form of one or two fluid streams or only after heating in two fluid streams be split. Separate fluid streams taken from the separation column are preferably removed from the latter at different removal levels and therefore have different compositions. One of the two fluid streams may be withdrawn preferably at the bottom of the separation column. In certain cases, it may prove beneficial if a first fluid flow is higher
  • the second fluid flow is withdrawn from an intermediate point of the first separation column, which is arranged above the sump, in particular above the point at which the first fluid flow is withdrawn.
  • One of the two fluid streams e.g. in the main heat exchanger of
  • Air separation plant further heated and relaxed in a relaxation machine.
  • the other fluid stream can be compressed in a compressor coupled to the expansion machine to the pressure of the corresponding separation column (back) and then cooled in the main heat exchanger to a corresponding temperature.
  • a cold compressor is understood here as a compressor which can be operated at an inlet temperature of less than 200 K, in particular less than 150 K, preferably between 90 and 120 K.
  • the SPECTRA process is energetically particularly favorable, because the relaxation takes place in the illustrated expansion machine work.
  • the mechanical energy generated in this case can be used at least partially for recompression, as explained above.
  • the transmission of the mechanical energy from the expansion machine to the recompressor is carried out directly mechanically, for example via a common shaft of the expansion machine and the recompressor.
  • the recompressor is designed as a cold compressor, preferably only a part of the mechanical energy generated by the expansion machine is transferred to the recompressor, the remainder being stored in a warm braking device, e.g. a brake blower, a generator or a dissipative brake, "destroyed".
  • the basic concept of the present invention is therefore not to deliver the liquid fraction continuously and without further control as an air product but to temporarily store it in at least two tanks. This makes it possible to Tank contents in each case on its chemical composition, in particular on
  • Residual contamination check. This can be done discontinuously, for example every ten minutes. Only if the product contained complies with the specified purity requirements, for example, it is vaporized in the main heat exchanger and discharged as gaseous air product.
  • the present invention is in a process in which the feed air cooled in a main heat exchanger and in a first
  • Separation column is fed.
  • a oxygen-enriched stream from the first separation column in a second separation column pure oxygen than the
  • the pure oxygen is after the intermediate storage and pressure increase in the main heat exchanger against at least part of the
  • the invention equally relates to an air separation plant for
  • Fractions, air products, etc. are “removable”, “feedable”, “heatable”, “coolable”, “compressible”, “relaxable”, etc., this means that corresponding bleed.
  • Injection means for example valves or pumps, means for heating or
  • Cooling e.g., heaters or heat exchangers
  • means for compaction e.g., heat exchangers
  • Relaxation e.g., compressors or expansion valves or machines
  • Liquid fraction can drain in this way energy-saving in the tank assembly. However, this is usually supported by a pressurization.
  • “geodetically above” is meant that there is a difference in height between the sampling point from the separation column system and the feed point in the tank assembly, but not that they must be arranged one above the other in a fall line. One lateral offset may therefore be present.
  • the tanks are usually at a height that ensures that the air product is supplied under sufficient pressure.
  • FIG 1 shows an air separation plant according to the prior art
  • FIG. 2 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention.
  • identical or corresponding elements are identical
  • FIG. 1 shows an air separation plant with internal compression according to the prior art, as it is known for example from EP 1 995 537 A2, shown schematically in the form of an installation diagram.
  • the air separation plant equipped for internal compression is designated as 1 10 in total.
  • the invention is also suitable for use in air separation plants without internal compression.
  • Atmospheric air 1 (AIR) is sucked in via a filter 2 from an air compressor 3 and compressed there to an absolute pressure of 6 to 20 bar, preferably about 9 bar. After flowing through an aftercooler 4 and a water separator 5 for separating water (H20), the compressed air 6 in a
  • Cleaning device 7 which has a pair of filled with adsorbent material, preferably molecular sieve containers.
  • the purified air 8 is cooled in a main heat exchanger 9 to about dew point and partially liquefied.
  • a first part 11 of the cooled air 10 is via a throttle valve 51 in a Single column 12 initiated.
  • the feed is preferably some practical or theoretical soils above the sump.
  • the operating pressure of the single column 12 (at the top) is 6 to 20 bar, preferably about 9 bar.
  • Your top condenser 13 is cooled with a first fluid flow 14 and a second fluid flow 18.
  • the first fluid stream 14 is from the bottom of the
  • the main product of the single column 12 is gaseous nitrogen 15, 16 withdrawn at the top of the single column 12, heated in the main heat exchanger 9 to about ambient temperature and finally withdrawn via line 17 as a gaseous pressure product (PGAN). Additional gaseous nitrogen is passed through the top condenser 13. A part 53 of the condensate 52 obtained in the top condenser 13 may be recovered as liquid nitrogen product (PLIN); the rest 54 is given up as reflux to the head of the single column 12.
  • PLIN liquid nitrogen product
  • the first fluid stream 14 is vaporized in the top condenser 13 under a pressure of 2 to 9 bar, preferably about 4 bar and flows in gaseous form via a line 19 to the cold end of the main heat exchanger 9. From this it is at a
  • a relaxation machine 21 Taken intermediate temperature (line 20) and in a relaxation machine 21, which is designed in the example as a turboexpander, work-performing relaxed to about 300 mbar above atmospheric pressure.
  • the expansion machine 21 is mechanically coupled to a cold compressor 30 and a braking device 22, which is formed in the embodiment by an oil brake.
  • the expanded fluid stream 23 is heated in the main heat exchanger 9 to approximately ambient temperature.
  • the warm fluid stream 24 is blown off into the atmosphere (ATM) (line 25) and / or used as regeneration gas 26, 27 in the cleaning device 7, optionally after heating in the heating device 28.
  • ATM atmosphere
  • the second fluid stream 18 is vaporized in the top condenser 13 under a pressure of 2 to 9 bar, preferably about 4 bar and flows in gaseous form via a line 29 to the cold compressor 30, in which it is recompressed to about the operating pressure of the single column.
  • the recompressed fluid flow 31 is in the main heat exchanger. 9 cooled again to column temperature and finally via line 32 of the
  • An oxygen-enriched stream 36 that is substantially free of less volatile impurities is withdrawn from an intermediate location of the single column 12 in the liquid state, which is located 5 to 25 theoretical or practical trays above the air feed.
  • the oxygen-enriched stream 36 is optionally subcooled in a sump evaporator 37 of a pure oxygen column 38 and then fed via a line 39 and a throttle valve 40 to the top of the pure oxygen column 38.
  • the operating pressure of the pure oxygen column 38 (at the top) is 1, 3 to 4 bar, preferably about 2.5 bar.
  • the sump evaporator 37 of the pure oxygen column 38 is also cooled by means of a second part 42 of the cooled feed air 10.
  • the feed air stream 42 is thereby at least partially, for example completely, condensed and flows via a line 43 to the single column 12, where it is introduced approximately at the level of the feed of the remaining feed air 1 1.
  • a high-purity oxygen product is removed as liquid fraction 41, brought by a pump 55 to an elevated pressure of 2 to 100 bar, preferably about 12 bar, led via a line 56 to the cold end of the main heat exchanger 9, there under the elevated Pressure evaporated and warmed to about ambient temperature and finally via line 57 as
  • a top gas 58 of the pure oxygen column 38 is admixed with the above-explained expanded second fluid stream 23 (see link A). If necessary, part of the feed air for pump prevention of the cold compressor 30 is led to its inlet via a bypass line 59 (so-called anti-surge control).
  • liquid oxygen can be removed as a liquid fraction (in the drawing with LOX
  • an external liquid such as liquid argon, liquid nitrogen or liquid oxygen, even from a liquid tank in which Main heat exchanger 9 are evaporated in indirect heat exchange with the feed air (not shown in the drawing).
  • an air separation plant according to a particularly preferred embodiment of the invention is shown schematically and designated 100 in total.
  • the air separation plant 100 shown in FIG. 2 essentially differs from the air separation plant 110 shown in FIG. 1 by a tank arrangement 70 having a plurality of tanks 72 in the example shown.
  • the tank arrangement 70 comprises two identically designed tanks 72, of which only the left tank 72 will be explained in more detail here.
  • the air separation plant 100 according to the invention can also be designed with more than two tanks 72.
  • the tanks 72 can be upright or horizontal
  • Tank assembly 70 further includes in the illustrated example, a valve pair 71, by means of which the tanks 72 can be filled alternately or in parallel. It will be appreciated that if a larger number of tanks 72 are provided, a correspondingly larger number of valves are provided.
  • the tank assembly 70 may, for example geodetic below a sampling point from the pure oxygen column 38, here below the lowest point of the
  • Pure oxygen column 38 may be arranged to assist the transfer of the liquid fraction 41 into the tank assembly 70. l.d.R. However, the pure oxygen column 38 is operated under a pressure that the transfer of the liquid fraction 41 in the
  • Tank arrangement ensures 70, for example, 3 bar.
  • Each of the tanks 72 is associated with a pressure build-up evaporator 73 in the example shown.
  • the pressure build-up evaporator 73 operate in a basically known manner. From the bottom region of the tanks 72, a small amount of oxygen product 41 present in the respective tank 72 is removed, heated and fed into the tank via an unspecified valve. As a result of the evaporation, the pressure in the tanks 72 increases.
  • the tank arrangement 70 can completely replace the above-explained pump 55 by the pressure buildup evaporation, but alternatively it can also be provided in addition to a corresponding pump 55 (not shown in FIG. 2).
  • the tanks 72 in the air separation plant 100 are operated in alternating operation, wherein, as explained, the liquid fraction 41 fed to at least one of the tanks 72 and / or taken from at least one of the tanks 72 but none of the tanks 72 simultaneously supplied and ready to provide of the air product is removed.
  • valve pair 71 For example, always only one of the valves of the valve pair 71 is opened.
  • the corresponding valve associated with the tank 72 is filled in this way.
  • a corresponding bottom-side valve 74 is closed.
  • the pressure in the respective tank 72 is increased by the pressure build-up evaporator 73. Is the
  • corresponding tank 72 is sufficiently filled and is below the desired pressure, the corresponding valve of the valve pair 71 is closed (and the other one opened) and then a valve 74 bottom side of the tank 72 is opened (and the other is closed).
  • the pure oxygen contained in the tank 72 can therefore, as already explained, via the line 56 to the cold end of
  • Main heat exchanger 9 flow and evaporated there under the increased pressure and warmed to about ambient temperature and finally removed via line 57. At the same time, the other tank 72 fills up.
  • the air separation plant 100 according to the invention with the tank arrangement 70 proves to be particularly advantageous because the liquid oxygen present in the respective tanks 72 does not directly, i. In particular, not without further verification, is delivered to the plant boundary. Rather, it is provided by means of a control device 75, which is illustrated in the example shown only on the right tank 72, the purity of the oxygen in the respective tank 72nd
  • valve 72 arranged valve 74 is only opened in each case when the oxygen in the corresponding tank 72 has a sufficient purity. If this is not the case, the tank contents of the tank 72 may be discarded or recycled via a line, not shown, for example, in the pure oxygen column 38. In this way it is ensured that always at the plant boundary
  • Oxygen is delivered with high and especially specifiable purity. This is not possible in conventional systems, because, as explained, with a
  • Another advantageous aspect of the air separation plant 100 according to the invention results from the fact that, as explained, the entry of contaminants in the tank assembly 70 compared to the compression by means of a pump 55 is significantly reduced.
  • Examples of known sources of contamination in pumps are the pump seals, which are completely eliminated in the tank arrangement 70.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Gewinnung eines Luftprodukts (GOX-IC) in einer Luftzerlegungsanlage (100), in der aus Einsatzluft (8) eine Flüssigfraktion (41) gewonnen und zur Bereitstellung des Luftprodukts (GOX-IC) verwendet wird, wobei die Flüssigfraktion (41) in einer Tankanordnung (70) zwischengespeichert wird, vorgeschlagen, wobei eine Tankanordnung (70) mit wenigstens zwei Tanks (72) verwendet wird, wobei die Flüssigfraktion (41) zumindest einem der Tanks (72) zugeführt und/oder zumindest einem der Tanks (72) zur Bereitstellung des Luftprodukts (GOX-IC) entnommen wird und dieses dabei keinem der Tanks (72) gleichzeitig zugeführt und entnommen wird, und wobei jeweils vor dem Entnehmen der Flüssigfraktion (41) aus einem Tank (72) die Zusammensetzung der Flüssigfraktion (41) in dem Tank (72) ermittelt wird. Eine Luftzerlegungsanlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Gewinnung eines Luftprodukts in einer Luftzerlegungsanlage mit
Zwischenspeicherung und Luftzerlegungsanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines Luftprodukts in einer Luftzerlegungsanlage und eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Luftzerlegungsanlage.
Stand der Technik Die Herstellung von Sauerstoff oder von entsprechenden Gemischen in flüssigem oder gasförmigem Zustand erfolgt üblicherweise durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen mit an sich bekannten Destillationssäulensystemen. Diese können beispielsweise als Ein- oder Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein. Im Rahmen dieser Erfindung kommt dabei insbesondere ein Destillationssäulensystem zum Einsatz, das eine Stickstoffsäule in Form eines Einsäulenapparats mit einer zusätzlichen Säule zum Erzeugen von Sauerstoff umfasst. Ferner können in den genannten Destillationssäulensystemen Vorrichtungen, beispielsweise Säulen, zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Für eine Reihe industrieller Anwendungen wird Drucksauerstoff benötigt, zu dessen Gewinnung Luftzerlegungsanlagen mit sogenannter Innenverdichtung zum Einsatz kommen können. In derartigen Luftzerlegungsahlagen wird eine flüssig auf Druck gebrachte Flüssigfraktion, insbesondere Flüssigsauerstoff, gegen einen Wärmeträger verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt abgegeben. Die
Innenverdichtung hat, unter anderem, energetische Vorteile im Vergleich zu einer nachträglichen Verdichtung eines bereits gasförmig vorliegenden
Sauerstoffproduktstroms.
Bei überkritischem Druck findet dabei kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne statt, die Flüssigfraktion wird "pseudoverdampft". Gegen die (pseudo-)verdampfende Flüssigfraktion wird der unter hohem Druck stehende Wärmeträger verflüssigt (oder ggf. pseudoverflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht). Der Wärmeträger wird häufig durch einen Teil der der Luftzerlegungsanlage zugeführten Luft gebildet.
Die Innenverdichtung ist beispielsweise in folgenden Druckschriften beschrieben:
DE 830 805 B, DE 901 542 B (entspricht US 2 712 738 A/US 2 784 572 A),
DE 952 908 B, DE 1 103 363 B (US 3 083 544 A), DE 1 112 997 B (US 3 214 925 A), DE 1 124 529 B, DE 1 117 616 B (US 3 280 574 A), DE 1 226 616 A (US 3 216 206 A), DE 1 229 561 B (US 3 222 878 A), DE 1 199 293 B, DE 1 187 248 B (US 3 371 496 A), DE 1 235 347 B, DE 1 258 882 A (US 3 426 543 A), DE 1 263 037 A (US 3 401 531 A), DE 1 501 722 A (US 3 416 323 A), DE 1 501 723 A (US 3 500 651 A),
DE 25 351 32 B2 (US 4 279 631 A), DE 26 46 690 A1 , EP 0 093 448 B1
(US 4 555 256 A), EP 0 384 483 B1 (US 5 036 672 A), EP 0 505 812 B1
(US 5 263 328 A), EP 0 716 280 B1 (US 5 644 934 A), EP 0 842 385 B1
(US 5 953 937 A), EP 0 758 733 B1 (US 5 845 517 A), EP 0 895 045 B1
(US 6 038 885 A), DE 198 03 437 A1 , EP 0 949 471 B1 (US 6 185 960 B1 ),
EP 0 955 509 A1 (US 6 196 022 B1), EP 1 031 804 A1 (US 6 314 755 B1),
DE 199 09 744 A1 , EP 1 067 345 A1 (US 6 336 345 B1 ), EP 1 074 805 A1
(US 6 332 337 B1), DE 199 54 593 A1 , EP 1 134 525 A1 (US 6 477 860 B2),
DE 100 13 073 A1 , EP 1 139 046 A1 , EP 1 146 301 A1 , EP 1 150 082 A1 ,
EP 1 213 552 A1 , DE 101 15 258 A1 , EP 1 284 404 A1 (US 2003/051504 A1),
EP 1 308 680 A1 (US 6 612 129 B2), DE 102 13 212 A1 , DE 102 13 211 A1 ,
EP 1 357 342 A1 , DE 102 38 282 A1 , DE 103 02 389 A1 , DE 103 34 559 A1 ,
DE 103 34 560 A1 , DE 103 32 863 A1 , EP 1 544 559 A1 , EP 1 585 926 A1 ,
DE 102005 029 274 A1 , EP 1 666 824 A1 , EP 1 672 301 A1 , DE 10 2005 028 012 A1 , WO 2007/033838 A1 , WO 2007/104449 A1 , EP 1 845 324 A1 ,
DE 10 2006 032 731 A1 , EP 1 892 490 A1 , DE 10 2007 014 643 A1 , EP 2 015 012 A2, EP 2 015 013 A2, EP 2 026 024 A1 , WO 2009/095188 A2 und
DE 10 2008 016 355 A1. Die vorliegenden Erläuterungen gelten in entsprechender Weise auch für andere
Luftprodukte wie beispielsweise Stickstoff oder Argon, die ebenfalls unter Verwendung der Innenverdichtung in gasförmigem Zustand erhalten werden können und zuvor als Flüssigfraktionen vorliegen. Die Erfindung eignet sich aber auch für alle anderen in einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage flüssig vorliegenden und insbesondere flüssig auf Druck gebrachten oder flüssig auf Druck zu bringenden Fraktionen. Diese können der Anlage auch flüssig entnommen werden.
Zur Erhöhung des Drucks von Luftprodukten in Luftzerlegungsanlagen ist die sogenannte Druckaufbauverdichtung bekannt und beispielsweise in der DE 676 616 C, und der EP 0 464 630 A1 beschrieben. Wie beispielsweise in der US 6 295 840 B1 offenbart, kann ein Luftprodukt auch mittels eines Teilstroms verdichteter Einsatzluft in einer Tankanordnung auf Druck gebracht werden. Für bestimmte industrielle Anwendungen werden Luftprodukte, z.B. Drucksauerstoff, mit hohem und insbesondere mit spezifiziertem Reinheitsgrad benötigt. Diese
Anforderungen können insbesondere in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen mit Innenverdichtung nur unter beträchtlichem Aufwand oder gar nicht erfüllt werden. Es besteht daher der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur Erzeugung von entsprechenden Luftprodukten, insbesondere mit spezifiziertem Reinheitsgrad, in Luftzerlegungsanlagen, insbesondere in Luftzerlegungsanlagen mit Innenverdichtung.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund ein Verfahren zur
Gewinnung eines Luftprodukts 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 sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht von einem bekannten Verfahren zur Gewinnung von Luftprodukten aus. Beispielsweise kann die Erfindung bei der eingangs erläuterten Innenverdichtung zum Einsatz kommen, sie eignet sich jedoch generell für alle Verfahren zur Gewinnung von Luftprodukten, bei denen diese zumindest zeitweise flüssig vorliegen und in entsprechenden Tanks zwischengespeichert werden können. Wie erläutert, wird bei der Innenverdichtung aus Einsatzluft eine Flüssigfraktion gewonnen, die in flüssiger Form auf einen Zieldruck druckerhöht, anschließend gegen einen Wärmeträger verdampft, und schließlich als Luftprodukt in gasförmigem Zustand abgegeben wird. Dies entspricht im Regelfall dem Kundenwunsch. Es profitieren jedoch auch Anlagen von dem erfindungsgemäßen Verfahren, in denen ein Luftprodukt in flüssigem Zustand abgegeben wird. Im letzteren Fall entspricht das Luftprodukt der Flüssigfraktion, bei der Innenverdichtung wird die Flüssigfraktion zu dem Luftprodukt verdampft.
Es ist vorgesehen, die Flüssigfraktion, insbesondere vor dem Verdampfen bei der Innenverdichtung, in einer Tankanordnung mit wenigstens zwei Tanks
zwischenzuspeichern. Die Flüssigfraktion wird dabei im Wechselbetrieb in die wenigstens zwei Tanks eingespeist und aus diesen entnommen.
Mit einem "Wechselbetrieb" der wenigstens zwei Tanks ist hier gemeint, dass die Flüssigfraktion zumindest einem der Tanks zugeführt und/oder zumindest einem der Tanks entnommen und dabei keinem der Tanks gleichzeitig zugeführt und, zumindest nicht zur Bereitstellung des Luftprodukts, entnommen wird. Die Einspeisung und die Entnahme aus jeweils einem Tank erfolgt damit niemals zeitgleich, wenn die
entsprechende Flüssigfraktion anschließend (z.B. nach Verdampfung) als Luftprodukt abgegeben werden soll. Der Tank wird also in einem Produktionsbetrieb stets entweder befüllt oder entleert oder weder befüllt noch entleert (d.h. die Flüssigfraktion wird immer entweder in den Tank eingespeist oder aus diesem entnommen). Hieraus ergibt sich eine Reihe von Vorteilen, die im Rahmen der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsformen noch näher erläutert werden.
Im vereinfachten Fall von nur zwei Tanks kann dabei die Flüssigfraktion einem ersten Tank zugeführt und einem zweiten Tank entnommen werden oder umgekehrt. Die Flüssigfraktion kann jedoch auch einem der Tanks entnommen bzw. zugeführt werden, während sie dem anderen Tank nicht zugeführt bzw. entnommen wird. Die
Flüssigfraktion kann auch beiden Tanks gleichzeitig zugeführt, jedoch nicht zeitgleich entnommen, oder beiden Tanks gleichzeitig entnommen, jedoch nicht zeitgleich zugeführt werden. Dies gilt jeweils sinngemäß auch für mehr als zwei Tanks.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen und durch den Wechselbetrieb möglich, jeweils vor dem Entnehmen der Flüssigfraktion zur Bereitstellung des Luftprodukts ihre
Zusammensetzung, also beispielsweise einen Gehalt an wenigstens einer
Komponente, in dem jeweiligen Tank zu ermitteln. Da aufgrund der
Zwischenspeicherung eine entsprechende Flüssigfraktion niemals direkt zur Bereitstellung des Luftprodukts verwendet wird, kann dieses stets mit verifizierter Zusammensetzung, beispielsweise mit definierter Reinheit, zur Verfügung gestellt werden. Das üblicherweise erwünschte Gasprodukt selbst kann i.d.R. nicht
kontinuierlich auf seine Reinheit überprüft werden; dies ermöglicht jedoch die hier vorgeschlagene Zwischenspeicherung.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren entfaltet besondere Vorteile, wenn die Flüssigfraktion zur Bereitstellung des Luftprodukts in flüssigem Zustand auf einen Zieldruck druckerhöht, anschließend gegen einen Wärmeträger verdampft, und schließlich als das Luftprodukt in gasförmigem Zustand abgegeben wird, also bei sogenannten Innenverdichtungsverfahren. Die Verdampfung erfolgt hier insbesondere im Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage. Die Innenverdichtung wird als Alternative zur gasförmigen Produktverdichtung (Außenverdichtung) angewendet, wenn das gasförmige Produkt unter Druck gewonnen werden soll. Hierbei wird die kontinuierlich anfallende Flüssigfraktion allerdings herkömmlicherweise ohne die erfindungsgemäße Zwischenspeicherung in den wenigstens zwei Tanks abgegeben. Die Abgabe ggf. verunreinigter Luftprodukte, die nicht den jeweiligen Anforderungen entsprechen, kann daher nur mit beträchtlichem Zusatzaufwand verhindert werden. Erfindungsgemäß ist hingegen stets die Abgabe eines Luftprodukts mit definierter und spezifizierbarer Zusammensetzung möglich.
Ist im Rahmen dieser Anmeldung von einem "Hauptwärmetauscher" die Rede, wird hierunter vorzugsweise ein einziger Wärmetauscherblock verstanden. Bei größeren Anlagen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, den Hauptwärmetauscher durch mehrere hinsichtlich ihres Temperaturverlaufs parallel geschaltete Stränge zu realisieren, die durch voneinander getrennte Bauelemente gebildet werden. Grundsätzlich ist es möglich, den Hauptwärmetauscher, bzw. jeden seiner Stränge, durch zwei oder mehrere seriell verbundene Wärmetauscherblöcke auszubilden. Der Begriff "Verdampfen" schließt hier, wie eingangs erläutert, eine
Pseudoverdampfung unter überkritischem Druck ein. Der Druck, unter dem die
Flüssigfraktion, beispielsweise Reinsauerstoff, in einen Wärmetauscher zur
Verdampfung (z.B. den Hauptwärmetauscher) eingeleitet wird, kann also auch über dem kritischen Druck liegen. Dies gilt in entsprechender Weise für den Druck des Wärmeträgers, beispielsweise die Einsatzluft, der gegen die Flüssigfraktion verflüssigt (oder pseudoverflüssigt) wird. Entscheidend kann hierbei auch sein, dass die Menge so gering ist, dass kein zusätzlicher Boosterverdichter benötigt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Flüssigfraktion, beispielsweise Reinsauerstoff (aber auch beispielsweise Wasserstoff, Argon, Helium und/oder Neon, auch aus externen Quellen), wie in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen mit
Innenverdichtung auch, im flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht ("druckerhöht") werden. Hierdurch kann ein warmer Verdichter für ein entsprechendes Luftprodukt entfallen oder zumindest relativ klein ausgeführt werden. Durch einen Wegfall einer zusätzlichen Verdichtereinheit verbessert sich i.d.R. die Reinheit des erhaltenen gasförmigen Luftprodukts, weil Kontaminationen durch Diffusion durch Dichtungen usw. vermieden werden.
Besonders reine Luftprodukte können erhalten werden, wenn die Flüssigfraktion mittels der erfindungsgemäß ausgebildeten Tankanordnung durch Druckaufbauverdampfung druckerhöht wird. Die Druckaufbauverdampfung ist grundsätzlich bekannt. Hierbei wird einem entsprechenden Tank jeweils ein Teil seines Inhalts entnommen und verdampft. Durch die Expansion während der Verdampfung erhöht sich der Druck. Hierbei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise ein Verfahrensdruck von 8 bis 16 bar verwendet. Die Verwendung zusätzlicher Pumpen, die ebenfalls
Kontaminationen verursachen können, kann entfallen oder diese können kleiner ausgebildet werden. Eine entsprechende Anlage erweist sich damit als sehr viel wartungsärmer als herkömmliche Anlagen mit entsprechenden Pumpen.
Erfindungsgemäße Anlagen ermöglichen bei Einsatz der Druckaufbauverdampfung eine Energieersparnis von ca. 0,8 bis 1 kW pro Normkubikmeter und Stunde
Sauerstoffprodukt bei Reinheiten von beispielsweise unter 10 pbb Ar. Die jeweils erzielbaren Werte richten sich zu einem wesentlichen Anteil nach den
Gewinnungsparametern. Die Druckaufbauverdampfung schließt die Verwendung von Pumpen nicht aus, diese können vor oder nach einer entsprechenden Tankanordnung vorgesehen sein. Wird keine Druckaufbauverdampfung verwendet, kann mittels entsprechender Pumpen vor, während oder nach der erfindungsgemäßen Zwischenspeicherung der Druck der Flüssigfraktion erhöht werden. Die Erfindung eignet sich insbesondere auch bei der drucklosen Zwischenspeicherung in der Tankanordnung, insbesondere dann, wenn die Flüssigfraktion der Anlage drucklos als Luftprodukt entnommen oder erst stromab der Tankanordnung druckerhöht wird. Üblicherweise werden jedoch Drücke,
beispielsweise bis zu 5 bar, verwendet, die es erlauben, das Luftprodukt auch ohne Pumpe zu entnehmen. Von Vorteil kann in diesem Zusammenhang auch sein, das vor der Wiederbefüllung eines entsprechenden Tanks zum Druckabbau abgelassene Gas (sogenanntes Blowoffgas) in eine hierfür geeignete Säule des verwendeten
Destillationssäulensystems zurückzuführen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jeweils die Flüssigfraktion nur dann zur Bereitstellung des Luftprodukts verwendet, wenn ihre in der Tankanordnung bestimmte Zusammensetzung einem Vorgabewert, beispielsweise einer
Mindestreinheit von maximal 10 ppm Restargon oder vorzugsweise maximal 500 ppm Stickstoff entspricht. Ist dies nicht der Fall, kann die Flüssigfraktion verworfen oder der Luftzerlegungsanlage an geeigneter Stelle, beispielsweise einer Reinsauerstoffsäule, erneut zugeführt werden.
Vorteilhafterweise wird die Zusammensetzung der Flüssigfraktion kontinuierlich oder in Intervallen ermittelt. Dies kann zumindest vor der Entnahme zur Bereitstellung des Luftprodukts, jedoch auch wiederholt, erfolgen, insbesondere wenn ein Tank erst teilgefüllt ist, um eine übermäßige Produktion einer nicht spezifikationsgemäßen
Flüssigfraktion zu vermeiden. Die Gaschromatographie eignet sich dabei in besonderer Weise zur Ermittlung einer Zusammensetzung der Flüssigfraktion, weil sie besonders niedrige Nachweisgrenzen aufweist. Die vorliegende Erfindung eignet sich in besonderer Weise zur Verwendung mit dem sogenannten SPECTRA-Verfahren der Anmelderin. Hierbei kann eine Trennsäule einen Kopfkondensator aufweisen, in dem Dampf aus dem oberen Bereich der
Trennsäule zumindest teilweise kondensiert werden kann. Hierbei handelt es sich um ein Stickstoffprodukt, das anschließend in flüssiger Form der Anlage entnommen werden kann. Zumindest ein Teil des in dem Kopfkondensator gewonnenen
Kondensats kann auch als Rücklauf auf die Trennsäule aufgegeben werden.
Ferner wird Fluid der Trennsäule entnommen und in dem Kopfkondensator gegen das zu kondensierende Fluid erwärmt. Das Fluid kann der Trennsäule in Form eines oder zweier Fluidströme entnommen oder erst nach der Erwärmung in zwei Fluidströme aufgeteilt werden. Getrennt der Trennsäule entnommene Fluidströme werden dieser vorzugsweise in unterschiedlicher Entnahmehöhe entnommen und weisen daher unterschiedliche Zusammensetzungen auf. Einer der zwei Fluidströme kann dabei vorzugsweise am Sumpf der Trennsäule abgezogen werden. In bestimmten Fällen kann es sich als günstig erweisen, wenn ein erster Fluidstrom einen höheren
Stickstoffgehalt aufweist als ein zweiter Fluidstrom. In diesem Fall wird der zweite Fluidstrom von einer Zwischenstelle der ersten Trennsäule abgezogen, die oberhalb des Sumpfs angeordnet ist, insbesondere oberhalb der Stelle, an der der erste Fluidstrom entnommen wird.
Einer der zwei Fluidströme wird, z.B. im Hauptwärmetauscher der
Luftzerlegungsanlage, weiter erwärmt und in einer Entspannungsmaschine entspannt. Der andere Fluidstrom kann in einem mit der Entspannungsmaschine gekoppelten Verdichter auf den Druck der entsprechenden Trennsäule (rück)verdichtet und anschließend im Hauptwärmetauscher auf eine entsprechende Temperatur abgekühlt werden. Hierbei ist es besonders günstig, zur Rückverdichtung einen Kaltverdichter zu verwenden. Unter einem "Kaltverdichter" wird hier ein Verdichter verstanden, der bei einer Eintrittstemperatur von weniger als 200 K, insbesondere weniger als 150 K, vorzugsweise zwischen 90 und 120 K, betrieben werden kann.
Das SPECTRA-Verfahren ist energetisch besonders günstig, weil die Entspannung in der erläuterten Entspannungsmaschine arbeitsleistend erfolgt. Die hierbei erzeugte mechanische Energie kann zumindest teilweise zur Rückverdichtung, wie zuvor erläutert, genutzt werden. Die Übertragung der mechanischen Energie von der Entspannungsmaschine auf den Rückverdichter erfolgt unmittelbar mechanisch, beispielsweise über eine gemeinsame Welle der Entspannungsmaschine und des Rückverdichters. Insbesondere dann, wenn der Rückverdichter als Kaltverdichter ausgebildet ist, wird vorzugsweise nur ein Teil der von der Entspannungsmaschine erzeugten mechanischen Energie auf den Rückverdichter übertragen, der Rest wird in einer warmen Bremseinrichtung, z.B. einem Bremsgebläse, einem Generator oder einer dissipativen Bremse, "vernichtet".
Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung ist also, die Flüssigfraktion nicht kontinuierlich und ohne weitere Kontrollmöglichkeit als Luftprodukt abzugeben sondern diese in wenigstens zwei Tanks zwischenzuspeichern. Hierdurch ist es möglich, den Tankinhalt jeweils auf seine chemische Zusammensetzung, insbesondere auf
Restverunreinigungen, zu überprüfen. Dies kann diskontinuierlich, beispielsweise alle zehn Minuten erfolgen. Nur wenn das enthaltene Produkt den jeweils vorgegebenen Reinheitsanforderungen entspricht, wird es beispielsweise im Hauptwärmetauscher verdampft und als gasförmiges Luftprodukt abgegeben.
In besonderer weise eignet sich die vorliegende Erfindung bei einem Verfahren, bei dem die Einsatzluft in einem Hauptwärmetauscher abgekühlt und in eine erste
Trennsäule eingespeist wird. Hierbei wird aus einem sauerstoffangereicherten Strom aus der ersten Trennsäule in einer zweiten Trennsäule Reinsauerstoff als die
Flüssigfraktion gewonnen. Der Reinsauerstoff wird nach der Zwischenspeicherung und Druckerhöhung in dem Hauptwärmetauscher gegen zumindest einen Teil der
Einsatzluft als Wärmeträger verdampft. Die Erfindung betrifft in gleicher Weise eine Luftzerlegungsanlage, die zur
Durchführung eines zuvor erläuterten Verfahrens eingerichtet ist und über
entsprechende Mittel verfügt. Die Luftzerlegungsanlage profitiert von den zuvor erläuterten Vorteilen in gleicher Weise. Auf diese wird verwiesen. Ist hier davon die Rede, dass in einer solchen Luftzerlegungsanlage Ströme,
Fraktionen, Luftprodukte usw. "entnehmbar", "einspeisbar", "erwärmbar", "abkühlbar", "verdichtbar", "entspannbar" usw. sind, bedeutet dies, dass entsprechende Entnahmebzw. Einspeisemittel (z.B. Ventile oder Pumpen), Mittel zur Erwärmung bzw.
Abkühlung (z.B. Heizer oder Wärmetauscher) und Mittel zur Verdichtung bzw.
Entspannung (z.B. Verdichter bzw. Entspannungsventile oder -maschinen) usw.
vorgesehen sind, die in geeigneter Weise ausgebildet sind.
Eine besonders vorteilhaft ausgebildete Luftzerlegungsanlage weist dabei ein
Trennsystem auf, dem die Flüssigfraktion an einer Entnahmestelle entnehmbar ist, die geodätisch oberhalb einer Einspeisestelle in die Tankanordnung liegt. Die
Flüssigfraktion kann auf diese Weise energiesparend in die Tankanordnung abfließen. Dies wird jedoch i.d.R. durch eine Druckbeaufschlagung unterstützt. Mit "geodätisch oberhalb" ist dabei gemeint, dass ein Höhenunterschied zwischen der Entnahmestelle aus dem Trennsäulensystem und der Einspeisestelle in die Tankanordnung besteht, nicht jedoch, dass diese in einer Falllinie übereinander angeordnet sein müssen. Ein lateraler Versatz kann also vorliegen. In größeren Anlagen befinden sich die Tanks jedoch i.d.R. auf einer Höhe, durch die sichergestellt ist, dass das Luftprodukt unter ausreichendem Druck bereitgestellt wird. Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels gegenüber dem Stand der Technik näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß dem Stand der Technik und
Figur 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In den Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Elemente mit identischen
Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage mit Innenverdichtung gemäß dem Stand der Technik, wie er beispielsweise aus der EP 1 995 537 A2 bekannt ist, schematisch in Form eines Anlagendiagramms dargestellt. Die zur Innenverdichtung eingerichtete Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 1 10 bezeichnet. Wie erwähnt, eignet sich die Erfindung jedoch auch zum Einsatz in Luftzerlegungsanlagen ohne Innenverdichtung.
Atmosphärische Luft 1 (AIR) wird über ein Filter 2 von einem Luftverdichter 3 angesaugt und dort auf einen Absolutdruck von 6 bis 20 bar, vorzugsweise etwa 9 bar, verdichtet. Nach Durchströmen eines Nachkühlers 4 und eines Wasserabscheiders 5 zum Abscheiden von Wasser (H20) wird die verdichtete Luft 6 in einer
Reinigungsvorrichtung 7 gereinigt, die ein Paar von mit Adsorptionsmaterial, vorzugsweise Molekularsieb, gefüllten Behältern aufweist. Die gereinigte Luft 8 wird in einem Hauptwärmetauscher 9 auf etwa Taupunkt abgekühlt und teilweise verflüssigt. Ein erster Teil 11 der abgekühlten Luft 10 wird über ein Drosselventil 51 in eine Einzelsäule 12 eingeleitet. Die Einspeisung erfolgt vorzugsweise einige praktische oder theoretische Böden oberhalb des Sumpfs.
Der Betriebsdruck der Einzelsäule 12 (am Kopf) beträgt 6 bis 20 bar, vorzugsweise etwa 9 bar. Ihr Kopfkondensator 13 wird mit einem ersten Fluidstrom 14 und einem zweiten Fluidstrom 18 gekühlt. Der erste Fluidstrom 14 wird vom Sumpf der
Einzelsäule 12 abgezogen, der zweite Fluidstrom 18 von. einer Zwischenstelle einige praktische oder theoretische Böden oberhalb der Luftzuspeisung oder auf gleicher Höhe wie diese.
Als Hauptprodukt der Einzelsäule 12 wird gasförmiger Stickstoff 15, 16 am Kopf der Einzelsäule 12 abgezogen, im Hauptwärmetauscher 9 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung 17 als gasförmiges Druckprodukt (PGAN) abgezogen. Weiterer gasförmiger Stickstoff wird durch den Kopfkondensator 13 geführt. Ein Teil 53 des in dem Kopfkondensator 13 erhaltenen Kondensats 52 kann als Flüssigstickstoffprodukt (PLIN) gewonnen werden; der Rest 54 wird als Rücklauf auf den Kopf der Einzelsäule 12 aufgegeben.
Der erste Fluidstrom 14 wird im Kopfkondensator 13 unter einem Druck von 2 bis 9 bar, vorzugsweise etwa 4 bar verdampft und strömt gasförmig über eine Leitung 19 zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9. Aus diesem wird sie bei einer
Zwischentemperatur entnommen (Leitung 20) und in einer Entspannungsmaschine 21 , die in dem Beispiel als Turboexpander ausgebildet ist, arbeitsleistend auf etwa 300 mbar über Atmosphärendruck entspannt. Die Entspannungsmaschine 21 ist mechanisch mit einem Kaltverdichter 30 und einer Bremseinrichtung 22 gekoppelt, die in dem Ausführungsbeispiel durch eine Ölbremse gebildet wird. Der entspannte Fluidstrom 23 wird im Hauptwärmetauscher 9 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Der warme Fluidstrom 24 wird in die Atmosphäre (ATM) abgeblasen (Leitung 25) und/oder als Regeneriergas 26, 27 in der Reinigungsvorrichtung 7 eingesetzt, gegebenenfalls nach Erwärmung in der Heizeinrichtung 28.
Der zweite Fluidstrom 18 wird im Kopfkondensator 13 unter einem Druck von 2 bis 9 bar, vorzugsweise etwa 4 bar verdampft und strömt gasförmig über eine Leitung 29 zu dem Kaltverdichter 30, in dem er auf etwa den Betriebsdruck der Einzelsäule rückverdichtet wird. Der rückverdichtete Fluidstrom 31 wird im Hauptwärmetauscher 9 wieder auf Säulentemperatur abgekühlt und schließlich über Leitung 32 der
Einzelsäule 12 am Sumpf wieder zugeführt.
Ein sauerstoffangereicherter Strom 36, der im Wesentlichen frei von schwerer flüchtigen Verunreinigungen ist, wird von einer Zwischenstelle der Einzelsäule 12 in flüssigem Zustand abgezogen, die 5 bis 25 theoretische oder praktische Böden oberhalb der Luftzuspeisung angeordnet ist. Der sauerstoffangereicherte Strom 36 wird gegebenenfalls in einem Sumpfverdampfer 37 einer Reinsauerstoffsäule 38 unterkühlt und anschließend über eine Leitung 39 und ein Drosselventil 40 auf den Kopf der Reinsauerstoffsäule 38 aufgegeben. Der Betriebsdruck der Reinsauerstoffsäule 38 (am Kopf) beträgt 1 ,3 bis 4 bar, vorzugsweise etwa 2,5 bar.
Der Sumpfverdampfer 37 der Reinsauerstoffsäule 38 wird außerdem mittels eines zweiten Teils 42 der abgekühlten Einsatzluft 10 gekühlt. Der Einsatzluftstrom 42 wird dabei mindestens teilweise, beispielsweise vollständig, kondensiert und strömt über eine Leitung 43 zur Einzelsäule 12, wo er etwa auf Höhe der Zuspeisung der übrigen Einsatzluft 1 1 eingeleitet wird.
Vom Sumpf der Reinsauerstoffsäule 38 wird ein hochreines Sauerstoffprodukt als Flüssigfraktion 41 entnommen, mittels einer Pumpe 55 auf einen erhöhten Druck von 2 bis 100 bar, vorzugsweise etwa 12 bar gebracht, über eine Leitung 56 zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 geführt, dort unter dem erhöhten Druck verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung 57 als
gasförmiges Produkt (GOX-IC) gewonnen.
Ein Kopfgas 58 der Reinsauerstoffsäule 38 wird dem zuvor erläuterten entspannten zweiten Fluidstrom 23 zugemischt (vgl. Verknüpfung A). Über eine Bypassleitung 59 wird gegebenenfalls ein Teil der Einsatzluft zur Pumpverhütung des Kaltverdichters 30 zu dessen Eintritt geleitet (sogenannte Anti-Surge Control).
Bei Bedarf kann der Anlage stromauf und/oder stromab der Pumpe 55 flüssiger Sauerstoff als Flüssigfraktion entnommen werden (in der Zeichnung mit LOX
bezeichnet). Zusätzlich kann eine externe Flüssigkeit, beispielsweise flüssiges Argon, flüssiger Stickstoff oder flüssiger Sauerstoff, auch aus einem Flüssigtank, in dem Hauptwärmetauscher 9 in indirektem Wärmeaustausch mit der Einsatzluft verdampft werden (in der Zeichnung nicht dargestellt).
In der Figur 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die in der Figur 2 dargestellte Luftzerlegungsanlage 100 unterscheidet sich von der in der Figur 1 dargestellten Luftzerlegungsanlage 1 10 im Wesentlichen durch eine Tankanordnung 70 mit mehreren, im dargestellten Beispiel zwei, Tanks 72. Die Tankanordnung 70 umfasst im dargestellten Beispiel zwei gleichartig ausgebildete Tanks 72, von denen hier nur der linke Tank 72 näher erläutert wird. Wie zuvor erwähnt, kann die erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage 100 auch mit mehr als zwei Tanks 72 ausgebildet sein. Die Tanks 72 können stehend oder liegend
angeordnet sein und beispielsweise von oben oder unten befüllt werden. Die
Tankanordnung 70 umfasst ferner im dargestellten Beispiel ein Ventilpaar 71 , mittels dessen die Tanks 72 alternierend oder parallel befüllt werden können. Es versteht sich, dass, wenn eine größere Anzahl von Tanks 72 vorgesehen ist, in entsprechender Weise eine größere Anzahl von Ventilen vorgesehen ist. Die Tankanordnung 70 kann beispielsweise geodätisch unterhalb einer Entnahmestelle aus der Reinsauerstoffsäule 38, hier also unterhalb des tiefsten Punkts der
Reinsauerstoffsäule 38 angeordnet sein, um die Überführung der Flüssigfraktion 41 in die Tankanordnung 70 zu unterstützen. l.d.R. wird jedoch die Reinsauerstoffsäule 38 unter einem Druck betrieben, der die Überführung der Flüssigfraktion 41 in die
Tankanordnung 70 sicherstellt, beispielsweise 3 bar.
Jedem der Tanks 72 ist im dargestellten Beispiel ein Druckaufbauverdampfer 73 zugeordnet. Die Druckaufbauverdampfer 73 arbeiten in grundsätzlich bekannter Weise. Aus dem Bodenbereich der Tanks 72 wird jeweils eine geringe Menge des im entsprechenden Tank 72 vorliegenden Sauerstoffprodukts 41 , entnommen, erwärmt und kopfseitig in den Tank über ein nicht näher bezeichnetes Ventil eingespeist. Durch die Verdampfung erhöht sich der Druck in den Tanks 72. Die Tankanordnung 70 kann durch die Druckaufbauverdampfung die zuvor erläuterte Pumpe 55 vollständig ersetzen, alternativ dazu jedoch auch zusätzlich zu einer entsprechenden Pumpe 55 vorgesehen sein (in der Figur 2 nicht dargestellt). Wie bereits erläutert werden die Tanks 72 in der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage 100 im Wechselbetrieb gefahren, wobei, wie erläutert, die Flüssigfraktion 41 zumindest einem der Tanks 72 zugeführt und/oder zumindest einem der Tanks 72 entnommen aber dabei keinem der Tanks 72 gleichzeitig zugeführt und zur Bereitstellung des Luftprodukts entnommen wird.
Beispielsweise wird hierbei immer nur eines der Ventile des Ventilpaars 71 geöffnet. Der dem entsprechenden Ventil zugeordnete Tank 72 wird auf diese Weise befüllt. Ein entsprechendes bodenseitiges Ventil 74 ist geschlossen. Gleichzeitig hierzu, oder auch erst nach ausreichender Füllung des entsprechenden Tanks 72, wird der Druck in dem jeweiligen Tank 72 durch den Druckaufbauverdampfer 73 erhöht. Ist der
entsprechende Tank 72 ausreichend befüllt und steht unter dem gewünschten Druck, wird das entsprechende Ventil des Ventilpaars 71 geschlossen (und das jeweils andere geöffnet) und anschließend ein Ventil 74 bodenseitig des Tanks 72 geöffnet (und das jeweils andere geschlossen). Der im Tank 72 enthaltene Reinsauerstoff kann daher, wie bereits zuvor erläutert, über die Leitung 56 zum kalten Ende des
Hauptwärmetauschers 9 fließen und dort unter dem erhöhten Druck verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung 57 entnommen werden. Gleichzeitig füllt sich der andere Tank 72.
Die erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage 100 mit der Tankanordnung 70 erweist sich dabei als besonders vorteilhaft, weil der in den entsprechenden Tanks 72 jeweils vorliegende Flüssigsauerstoff nicht direkt, d.h. insbesondere nicht ohne eine weitere Überprüfung, an die Anlagengrenze abgegeben wird. Vielmehr ist es vorgesehen, mittels einer Kontrolleinrichtung 75, die im dargestellten Beispiel nur am rechten Tank 72 veranschaulicht ist, die Reinheit des Sauerstoffs im jeweiligen Tank 72
kontinuierlich oder intermittierend zu überwachen. Das bodenseitig des
entsprechenden Tanks 72 angeordnete Ventil 74 wird nur jeweils dann geöffnet, wenn der Sauerstoff im entsprechenden Tank 72 eine ausreichende Reinheit aufweist. Ist dies nicht der Fall, kann der Tankinhalt des Tanks 72 verworfen oder über eine nicht dargestellte Leitung beispielsweise in die Reinsauerstoffsäule 38 zurückgeführt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass an der Anlagengrenze stets
Sauerstoff mit hoher und insbesondere spezifizierbarer Reinheit abgegeben wird. Dies ist in herkömmlichen Anlagen nicht möglich, weil, wie erläutert, mit einer
entsprechenden Pumpe 55 kontinuierlich Sauerstoff gefördert wird.
Eine kontinuierliche Bereitstellung von Drucksauerstoff an der Anlagengrenze über die Leitung 57 ist dennoch gewährleistet, weil, wie erwähnt, die Tanks 72 abwechselnd betrieben werden können. So kann stets aus einem der beiden Tanks 72 Sauerstoff über das bodenseitig angeordnete Ventil 74 entnommen werden, während der jeweils andere Tank 42 befüllt und mittels der Kontrolleinrichtung 75 überprüft wird. Zur Reinheitsüberwachung kann jede Kontrolleinrichtung 75 verwendet werden, die aus dem Stand der Technik bekannt ist. Vorzugsweise erfolgt die
Reinheitsüberwachung mittels Gaschromatographie.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage 100 ergibt sich dadurch, dass, wie erläutert, der Eintrag von Kontaminationen in der Tankanordnung 70 gegenüber der Verdichtung mittels einer Pumpe 55 deutlich reduziert ist. Als bekannte Kontaminationsquellen bei Pumpen gelten beispielsweise die Pumpendichtungen, die in der Tankanordnung 70 vollständig entfallen.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Gewinnung eines Luftprodukts (GOX-IC) in einer Luftzerlegungsanlage (100), in der aus Einsatzluft (8) eine Flüssigfraktion (41) gewonnen und zumindest teilweise zur Bereitstellung des Luftprodukts (GOX-IC) verwendet wird, wobei die Flüssigfraktion (41) in einer Tankanordnung (70) mit wenigstens zwei Tanks (72) zwischengespeichert wird, wobei die Flüssigfraktion (41) zumindest einem der Tanks (72) zugeführt und/oder zumindest einem der Tanks (72) zur Bereitstellung des Luftprodukts (GOX-IC) entnommen wird und dabei keinem der Tanks (72) gleichzeitig zugeführt und entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils vor dem Entnehmen der Flüssigfraktion (41) aus einem Tank (72) die Zusammensetzung der Flüssigfraktion (41) in dem Tank (72) ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Flüssigfraktion (41) zur Bereitstellung des Luftprodukts (GOX-IC) in flüssigem Zustand auf einen Zieldruck druckerhöht, anschließend gegen einen Wärmeträger (8) verdampft, und schließlich als das Luftprodukt (GOX-IC) in gasförmigem Zustand abgegeben wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Flüssigfraktion (41) in der Tankanordnung (70) durch Druckaufbauverdampfung druckerhöht wird. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Flüssigfraktion (41) zur Bereitstellung des Luftprodukts (GOX-IC) verwendet wird, wenn ihre in dem Tank (72) bestimmte Zusammensetzung einem Vorgabewert entspricht. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einsatzluft (8) in einem Hauptwärmetauscher (9) abgekühlt und in eine erste Trennsäule (12) der Luftzerlegungsanlage (100) eingespeist (11 , 43) wird, wobei zumindest aus einem sauerstoffangereicherten Strom (36) aus der ersten Trennsäule (12) in einer zweiten Trennsäule (38) Reinsauerstoff als die Flüssigfraktion (41) gewonnen wird, wobei der Reinsauerstoff in der Tankanordnung (70) zwischengespeichert, druckerhöht, in dem Hauptwärmetauscher (9) gegen zumindest einen Teil der Einsatzluft (8) als Wärmeträger verdampft, und als das Luftprodukt (GOX-IC) gasförmig abgegeben wird. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem Fluid aus der ersten Trennsäule (12) entnommen und in einem Kopfkondensator (13) der ersten Trennsäule (12) erwärmt wird, wovon ein erster Fluidstrom (14) in dem Hauptwärmetauscher (9) weiter erwärmt und anschließend in einer Entspannungsmaschine (21) entspannt wird und ein zweiter Fluidstrom (18) in einem mit der Entspannungsmaschine (21) gekoppelten Verdichter (30) verdichtet, anschließend im Hauptwärmetauscher (9) abgekühlt und schließlich erneut in die erste Trennsäule (12) eingespeist wird. Luftzerlegungsanlage (100), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist, mit einem Trennsystem (12, 13, 38), das dazu ausgebildet ist, aus der Einsatzluft (8) die Flüssigfraktion (41) zu gewinnen, und mit einem Abgabesystem (70, 9), das dazu ausgebildet ist, unter Verwendung zumindest eines Teils der Flüssigfraktion (41) das Luftprodukt (GOX- IC) bereitzustellen, wobei das Abgabesystem (70, 9) die Tankanordnung (70) mit den wenigstens zwei Tanks (72) umfasst, zum Zwischenspeichern der Flüssigfraktion (41) eingerichtet ist, und derart betreibbar ist, dass die Flüssigfraktion (41) zumindest einem der Tanks (72) zuführbar und/oder zumindest einem der Tanks (72) zur Bereitstellung des Luftprodukts (GOX-IC) entnehmbar ist und dabei keinem der Tanks (72) gleichzeitig zuführbar und entnehmbar ist, und wobei eine Kontrolleinrichtung (75) bereitgestellt ist, mittels derer jeweils vor dem Entnehmen der Flüssigfraktion (41) aus einem Tank (72) zur Bereitstellung des Luftprodukts (GOX-IC) die Zusammensetzung dieser Flüssigfraktion (41) in dem Tank (72) ermittelbar ist. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 7, die dazu ausgebildet ist, einen Druck der Flüssigfraktion (41) in flüssigem Zustand auf einen Zieldruck zu erhöhen und die Flüssigfraktion (41) gegen einen Wärmeträger (8) zu verdampfen und als das gasförmige Luftprodukt (GOX-IC) abzugeben. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, mit wenigstens einem Hauptwärmetauscher (9), in dem die Einsatzluft (8) abkühlbar ist, und einer ersten Trennsäule (12), in die die Einsatzluft (8) einspeisbar (11 , 43) ist, wobei eine zweite Trennsäule (12) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, aus einem sauerstoffangereicherten Strom (36) aus der ersten Trennsäule (12) Reinsauerstoff als die Flüssigfraktion (41) zu gewinnen, wobei der Reinsauerstoff in dem Hauptwärmetauscher (9) nach der Zwischenspeicherung in der Tankanordnung (70) und nach einer Druckerhöhung gegen zumindest einen Teil der Einsatzluft (8) als Wärmeträger verdampfbar und als das Luftprodukt (GOX-IC) in gasförmigem Zustand abgebbar ist. 0. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 9, bei der Fluid aus der ersten Trennsäule (12) entnehmbar und in einem Kopfkondensator (13) der ersten Trennsäule (12) erwärmbar ist, wovon ein erster Fluidstrom (14) in dem Hauptwärmetauscher (9) weiter erwärmbar und anschließend in einer Entspannungsmaschine (21) entspannbar ist und ein zweiter Fluidstrom (18) in einem mit der Entspannungsmaschine (21 ) gekoppelten Verdichter (30) verdichtbar, anschließend im Hauptwärmetauscher (9) abkühlbar und schließlich erneut in die erste Trennsäule (12) einspeisbar ist.
1. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die
Flüssigfraktion (41) an einer Entnahmestelle aus dem Trennsystem (12, 13, 38), entnehmbar ist, die geodätisch oberhalb einer Einspeisestelle in die
Tankanordnung (70) liegt.
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