-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
-
Stand der Technik
-
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt. Derartige Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den Destillationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand (beispielsweise flüssigem Sauerstoff, LOX, gasförmigem Sauerstoff, GOX, flüssigem Stickstoff, LIN und/oder gasförmigem Stickstoff, GAN), also den Destillationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Destillationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein (siehe hierzu beispielsweise F. G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, Boca Raton: CRC Press, 2006; Kapitel 3: Air Separation Technology).
-
Die Destillationssäulensysteme von Luftzerlegungsanlagen werden bei unterschiedlichen Betriebsdrücken in ihren Destillationssäulen betrieben. Bekannte Doppelsäulensysteme weisen beispielsweise eine sogenannte Hochdrucksäule und eine sogenannte Niederdrucksäule auf. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, insbesondere etwa 5,5 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Betriebsdruck von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, insbesondere etwa 1,4 bar, betrieben. Bei den hier angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke im Sumpf entsprechender Destillationssäulen.
-
In die Destillationssäulensysteme wird abgekühlte Druckluft (Einsatzluft) eingespeist, die mittels unterschiedlicher Verdichter oder Kombinationen aus unterschiedlichen Verdichtern (beispielsweise Hauptluftverdichtern und Nachverdichtern) auf Druck gebracht wird. Auch in einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage gewonnene Produkte können mit Verdichtern (Produktverdichtern) oder entsprechenden Kombinationen von Verdichtern auf Druck gebracht werden.
-
Die Betriebskosten einer Luftzerlegungsanlage werden im Wesentlichen vom Energieverbrauch bestimmt, der seinerseits hauptsächlich vom Energieverbrauch der Verdichter (Hauptluftverdichter, Nachverdichter und Produktverdichter) abhängig ist.
-
Bei der Luftzerlegung können Verfahren, bei denen die Einsatzluft mittels eines Hauptluftverdichters in etwa auf den Druck der Hochdrucksäule gebracht wird und nur ein Teil der Einsatzluft mittels eines Nachverdichters nachverdichtet und anschließend zur Kältegewinnung genutzt wird, aber auch sogenannte High-Air-Pressure-(HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei einem HAP-Verfahren wird die gesamte Einsatzluft in einem Hauptluftverdichter auf einen Druck verdichtet, der deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied beträgt mindestens 4 bar und vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar. HAP-Verfahren sind beispielsweise aus der
EP 2 466 236 A1 , der
EP 2 458 311 A1 und der
US 5 329 776 A bekannt, Verfahren, die mit Hauptluftverdichtern und Nachverdichtern arbeiten, beispielsweise aus der eingangs zitierten Fachliteratur. Die vorliegende Erfindung betrifft dabei insbesondere solche Verfahren mit Hauptluftverdichtern und Nachverdichtern, aber auch Anlagen, in denen keine Nachverdichtung vorgenommen wird, also nur ein Hauptluftverdichter vorgesehen ist.
-
Vor der Abkühlung und Einspeisung in das Destillationssäulensystem wird die Einsatzluft in Luftzerlegungsanlagen gereinigt, d. h. insbesondere von Feuchtigkeit und Kohlendioxid befreit, wie ebenfalls in der eingangs zitierten Fachliteratur beschrieben. Dies erfolgt typischerweise unter Verwendung von Adsorbersätzen. Ein Adsorbersatz umfasst typischerweise wenigstens zwei Adsorberbehälter, die mit einem geeigneten Adsorbermaterial, beispielsweise Molekularsieb, gefüllt sind, und im Wechselbetrieb von der zu reinigenden Einsatzluft durchströmt und regeneriert werden. Zur Regeneration werden dabei typischerweise erwärmte Ströme (sogenanntes Regeneriergas) eingesetzt, die dem Destillationssäulensystem entnommen werden, beispielsweise sogenannter Unreinstickstoff aus der Niederdrucksäule. Das Regeneriergas löst die zuvor aus der Einsatzluft adsorbierten Verunreinigungen aus dem Adsorptionsmaterial. Die Einrichtungen zur Bereitstellung entsprechenden Regeneriergases und zur Führung desselben durch den Adsorbersatz werden nachfolgend unter dem Begriff ”Regeneriergassystem” zusammengefasst. Ein solches Regeneriergassystem umfasst zumindest ein umschaltbares Leitungssystem und eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des Regeneriergases.
-
Ein für den Betrieb von Luftzerlegungsanlagen entscheidender Druck ist der Betriebsdruck der Niederdrucksäule. Niederdrucksäulen werden, wie erwähnt, vorzugsweise mit einem Druck von ca. 1,4 bar im Sumpf betrieben. Obwohl eine Destillation in der Niederdrucksäule grundsätzlich auch bei Atmosphärendruck erfolgen könnte, ist dieser relativ hohe Druck erforderlich, um aus der Niederdrucksäule entnommene bzw. in dieser enthaltene Fluide durch die Niederdrucksäule und Einrichtungen wie Unterkühlungsgegenströmer, Hauptwärmetauscher und insbesondere das Regeneriergassystem zu drücken. Aufgrund der erforderlichen Druckdifferenz zur Hochdrucksäule ergibt sich hieraus ein Druck von ca. 5,5 bar am Austritt des Hauptluftverdichters.
-
Der Energieverbrauch des Hauptluftverdichters hängt also stark vom Druck in der Niederdrucksäule des Destillationssäulensystems ab. Eine Verringerung dieses Drucks um 10 mbar verursacht eine etwa dreifache (ca. 30 mbar) Verminderung des Drucks am Hauptluftverdichter.
-
Es sind Verfahren bekannt, bei welchen das Regeneriergas nicht aus der Niederdrucksäule entnommen wird sondern aus der Hochdrucksäule. Das Regeneriergas wird nach seiner Entnahme in einer oder mehreren Entspannungsturbinen (sogenannte PGAN-Turbinen) entspannt, so dass es mit einem Überdruck von 120 bis 150 mbar in das Regeneriergassystem eingespeist werden kann. Der Druck in der Niederdrucksäule kann in diesem Fall um ca. 40 mbar reduziert werden, bleibt jedoch trotzdem relativ hoch, da Fluide auch in diesem Fall durch die Niederdrucksäule selbst, Unterkühlungsgegenströmer, Hauptwärmetauscher und Verdunstungskühler durchgeleitet werden müssen. Der durch den Hauptluftverdichter zu liefernde Druck ist etwa um 120 mbar niedriger als bei konventionellen Verfahren.
-
Es besteht daher weiter der Bedarf nach Möglichkeiten, den Druck in der Niederdrucksäule einer Luftzerlegungsanlage verringern und damit den Energieverbrauch des Hauptluftverdichters reduzieren zu können.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deren Grundlagen und die verwendeten Begriffe erläutert.
-
Ein ”Verdichter” ist eine Vorrichtung, die zum Verdichten wenigstens eines gasförmigen Stroms von wenigstens einem Eingangsdruck, bei dem dieser dem Verdichter zugeführt wird, auf wenigstens einen Enddruck, bei dem dieser dem Verdichter entnommen wird, eingerichtet ist. Ein Verdichter bildet eine bauliche Einheit, die jedoch mehrere ”Verdichterstufen” in Form von Kolben-, Schrauben- und/oder Schaufelrad- bzw. Turbinenanordnungen (also Axial- oder Radialverdichterstufen) aufweisen kann. Dies gilt auch insbesondere für den ”Haupt(luft)verdichter” einer Luftzerlegungsanlage, der sich dadurch auszeichnet, dass durch diesen die gesamte oder der überwiegende Anteil der in die Luftzerlegungsanlage eingespeisten Luftmenge, also der Einsatzluftstrom, verdichtet wird. Ein ”Nachverdichter”, in dem typischerweise ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Luftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird, ist häufig ebenfalls mehrstufig ausgebildet. Insbesondere werden entsprechende Verdichterstufen mittels eines gemeinsamen Antriebs, beispielsweise über eine gemeinsame Welle, angetrieben.
-
Eine ”Entspannungsturbine” bzw. ”Entspannungsmaschine”, die über eine gemeinsame Welle mit weiteren Entspannungsturbinen oder Energiewandlern wie Ölbremsen, Generatoren oder Verdichtern gekoppelt sein kann, ist zur Entspannung eines gasförmigen oder zumindest teilweise flüssigen Stroms eingerichtet. Insbesondere können Entspannungsturbinen zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung als Turboexpander ausgebildet sein. Wird ein Verdichter mit einer oder mehreren Entspannungsturbinen angetrieben, jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors, zugeführte Energie, wird der Begriff ”turbinengetriebener” Verdichter oder alternativ ”Booster” verwendet. Anordnungen aus turbinengetriebenen Verdichtern und Entspannungsturbinen werden auch als ”Boosterturbinen” bezeichnet.
-
Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe ”Druckniveau” und ”Temperaturniveau”, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ±1%, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten, ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei den hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
-
Unter einem ”Verdunstungskühler” wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung verstanden, in der ein Wasserstrom dadurch abgekühlt werden kann, dass ihm durch teilweise Verdampfung Wärme entzogen wird. Hierzu wird in einem Verdunstungskühler ein gasförmiger Fluidstrom (hier als ”Verdunstungsfluid” bezeichnet) eingesetzt, der durch den Verdunstungskühler geführt und in Kontakt mit dem Wasserstrom gebracht wird. Verdunstungskühler werden in Luftzerlegungsanlagen typischerweise dazu eingesetzt, Wasser, das in einem Direktkontaktkühler zur Abkühlung von verdichteter Einsatzluft eingesetzt wird, abzukühlen. Entsprechend wird im Rahmen dieser Anmeldung unter einem ”Direktkontaktkühler” eine Einrichtung verstanden, in denen ein gasförmiges Fluid, beispielsweise verdichtete Luft, in direkten Kontakt mit einem Fluid in flüssigem Zustand gebracht und hierdurch abgekühlt wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung geht von einem an sich bekannten Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft in einer Luftzerlegungsanlage aus. Unter ”Einsatzluft” wird dabei die Luft verstanden, die in der Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung von Luftprodukten verwendet wird, beispielsweise zur Gewinnung von stickstoff- oder sauerstoffangereicherten oder stickstoff- oder sauerstoffreichen Fluiden. Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzte Luftzerlegungsanlage umfasst ein Destillationssäulensystem, einen Hauptluftverdichter, mittels dessen die (gesamte) Einsatzluft verdichtet wird, und einen Direktkontaktkühler, mittels dessen die Einsatzluft nach dem Verdichten in dem Hauptluftverdichter unter Verwendung von Wasser abgekühlt wird. Dieses Wasser wird mittels eines Verdunstungskühlers abgekühlt, der unter Verwendung eines aus der Einsatzluft gebildeten Verdunstungsfluids, das dem Destillationssäulensystem entnommen wird, betrieben wird. Bei einem Verdunstungsfluid kann es sich beispielsweise um sogenannten Unreinstickstoff aus einer Niederdrucksäule des Destillationssäulensystems handeln, wie auch unten noch erläutert.
-
Wie bereits oben erwähnt, kommt es insbesondere aufgrund der Gegendrücke in den Einrichtungen zur Aufreinigung der Einsatzluft zu einem minimal erforderlichen Druck in der Niederdrucksäule einer Luftzerlegungsanlage. Dieser minimale Druck ist unter anderem durch den Gegendruck des Verdunstungskühlers bestimmt. Zwar kann, wie erwähnt, der erforderliche Minimaldruck einer entsprechenden Niederdrucksäule bereits dadurch verringert werden, dass ein Regenerationsfluid für Reinigungseinrichtungen für die Einsatzluft der Hochdrucksäule anstatt der Niederdrucksäule entnommen werden, der Gegendruck des Verdunstungskühlers bleibt hingegen in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen ein Hindernis zur weiteren Verringerung des Betriebsdrucks der Niederdrucksäule.
-
Die vorliegende Erfindung sieht daher vor, das aus der Einsatzluft gebildete und dem Destillationssäulensystem entnommene Verdunstungsfluid durch Bereitstellen eines unteratmosphärischen Druckniveaus durch einen entsprechenden Verdunstungskühler zu saugen. Das Verdunstungsfluid selbst wird dem Destillationssäulensystem dabei zwar noch auf einem überatmosphärischen Druckniveau entnommen, dieses reicht jedoch nicht aus, um den Gegendruck des Verdunstungskühlers zu überwinden, ist also niedriger als letzterer. Ein derartiges Verdunstungsfluid kann erfindungsgemäß aber aufgrund der Bereitstellung des unteratmosphärischen Druckniveaus, das das Verdunstungsfluid durch den Verdunstungskühler saugt, auf einem niedrigeren Druckniveau bereitgestellt werden, so dass die Niederdrucksäule eines Destillationssäulensystems bei geringeren Drücken betrieben werden kann. Mit anderen Worten wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Druck im Sumpf einer entsprechenden Niederdrucksäule weiter reduziert, so dass das Verdunstungsfluid, bei dem es sich beispielsweise um Kopfgas der Niederdrucksäule handelt, stromauf des Verdunstungskühlers mit einem nur sehr geringen Überdruck von beispielsweise 0 bis 20 mbar vorliegt. Typischerweise wird die Niederdrucksäule nicht im Vakuum betrieben, da für Regelzwecke ein geringer Überdruck vorteilhaft ist. Das Verdunstungsfluid wird nun, beispielsweise mit Hilfe eines Ventilators, durch den Verdunstungskühler gesaugt, der beispielsweise in einem oberen Teil eines solchen Verdunstungskühlers angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Gegendruck des Verdunstungskühlers überwunden werden, ohne dass das Verdunstungsfluid bei entsprechendem Überdruck bereitgestellt werden müsste.
-
Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind insbesondere an kalten Tagen spürbar, wenn nur eine relativ kleine (oder gar keine) Gasmenge zu Kühlzwecken in dem Verdunstungskühler benötigt wird. Die zur Bereitstellung des unteratmosphärischen Druckniveaus zum Saugen des Verdunstungsfluids durch diesen Verdunstungskühler erforderliche Energie ist in solchen Fällen sehr gering bzw. entfällt völlig. In diesem Fall kann der Druck der Niederdrucksäule nochmals um weitere beispielsweise 40 bis 50 mbar reduziert werden, was zu einer weiteren Druckreduzierung am Hauptluftverdichter von 150 mbar und entsprechend geringem Energieverbrauch führt. Im Gegensatz dazu muss in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen permanent in der Niederdrucksäule ein Druckniveau bereitgestellt werden, dass für den ”worst case” ausgelegt ist, d. h. Zeiten, in denen im Verdunstungskühler eine große Menge an Verdunstungsfluid benötigt wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet jedoch auch Vorteile unter ”normalen” Bedingungen und an warmen Tagen, da der insgesamt niedrigere Verfahrensdruck sowohl in der Hochdrucksäule als auch in der Niederdrucksäule und, falls vorhanden, in eine Argonsäule sich positiv auf die Destillation auswirkt und entweder zu einem besseren sogenannten Luftfaktor führt (d. h. eine geringere Luftmenge muss verdichtet werden) oder zu einem günstigeren sogenannten Einblaseäquivalent (eine größere Menge an Fluid kann kälteleistend entspannt werden). Auch in solchen Fällen ist daher aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs der Luftzerlegungsanlage insgesamt erzielbar.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann, obgleich es im Rahmen dieser Anmeldung, insbesondere in Bezug auf die Figuren, am Beispiel einer Anlage für Hochdruck-Reinsauerstoff mit Außenverdichtung veranschaulicht ist, wie es sich beispielsweise für ein Oxyfuel-Verfahren eignet, grundsätzlich auf alle möglichen Luftzerlegungsverfahren übertragen werden. Oxyfuel-Verfahren nutzen eine verbesserte Verbrennung eines Brennstoffs einer sauerstoffangereicherten Atmosphäre, benötigen also beträchtliche Mengen an Sauerstoff aus einer Luftzerlegungsanlage. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Innenverdichtungsanlagen zur Bereitstellung von Rein- oder Unreinsauerstoff, für Unreinsauerstoffanlagen mit mehreren Hoch- oder Niederdrucksäulen mit und ohne Nebenkondensator sowie für Anlagen mit und ohne Argonproduktion. Zu Details bezüglich entsprechender Anlagen sei auf die eingangs zitierte Fachliteratur verwiesen. Wie auch insbesondere unter Bezugnahme auf die 2 erläutert, kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Luftzerlegungsanlage ein Produktstrom (Sauerstoff oder auch Stickstoff) oder ein Teilproduktstrom vor der Verdichtung in einem Produktverdichter einem Hauptwärmetauscher bei kalten Temperaturen (–50°C oder mehr) entnommen werden. Für die Verdichtung wird in diesem Fall weniger Energie benötigt. Die hierbei zusätzlich erforderliche Kälte kann in einer Entspannungsturbine erzeugt werden, die am warmen Ende eines Wärmetauschers platziert werden kann. Im Gegensatz zu der Ausführungsform, die in 1 veranschaulicht ist, ist daher keine Erwärmung eines entsprechenden Stroms erforderlich.
-
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen, die bereits zuvor teilweise erläutert wurden, und die in den abhängigen Patentansprüchen angegeben sind, nochmals zusammengefasst erläutert.
-
Insbesondere eignet sich, wie erwähnt, das erfindungsgemäße Verfahren für eine Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem, das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule umfasst. Sowohl der Druck der Hochdrucksäule als auch der Druck der Niederdrucksäule kann aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen, wie bereits erläutert, reduziert werden.
-
Ferner eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Luftzerlegungsanlagen, die einen Adsorbersatz aufweisen, mittels dessen die Einsatzluft nach dem Abkühlen in dem Direktkontaktkühler gereinigt wird, und der unter Verwendung eines aus der Einsatzluft gebildeten und der Hochdrucksäule entnommenen Regenerationsfluids regeneriert wird. In entsprechenden Anlagen ist, wie bereits zuvor erläutert, der Minimaldruck in der Niederdrucksäule bereits von Haus aus reduziert, sodass in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen eine besonders effektive Reduzierung des Drucks in der Niederdrucksäule und damit der Verdichterleistung des Hauptluftverdichters erzielt wird.
-
Vorteilhafterweise wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung des Regenerationsfluid nach der Entnahme aus der Hochdrucksäule auf unterschiedliche Temperaturniveaus erwärmt und auf den unterschiedlichen Temperaturniveaus entspannt. Dies ermöglicht eine selektive Bereitstellung von Kälte, je nach der Auslegung einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage, wie bereits zuvor unter Bezugnahme auf die Bereitstellung von ”kalten” Druckprodukten erläutert.
-
Vorteilhafterweise wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Erwärmen des Regenerationsfluid zumindest ein Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage verwendet, dem das Regenerationsfluid auf den unterschiedlichen Temperaturniveaus entnommen wird, die sich jeweils für die beabsichtigte Verwendung besonders eignen.
-
Vorteilhafterweise wird zum Entspannen des Regenerationsfluids auf den unterschiedlichen Temperaturniveaus jeweils eine Entspannungsturbine, insbesondere eine Generatorturbine, verwendet. Eine Generatorturbine ist eine Entspannungsturbine, die mit einem Generator gekoppelt ist, so dass auf diese Weise Entspannungsarbeit effektiv in elektrische Energie umgesetzt werden kann.
-
Weiter vorteilhaft ist es, wenn das Verdunstungsfluid der Niederdrucksäule an deren Kopf entnommen wird, so dass die hierzu bekannten Einrichtungen, wie sie auch in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen zum Einsatz kommen können, verwendet werden können.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zum Bereitstellen des unteratmosphärischen Druckniveaus ein Ventilator verwendet wird. Bekannte Verdunstungskühler sind typischerweise nach oben geöffnete Behälter, durch die das Verdunstungsfluid von unten nach oben strömt und auf die von oben ein feinverteilter Wasserstrom aufgegeben wird. Ein entsprechender Ventilator, der besonders günstig an den jeweiligen Kältebedarf angepasst werden kann, wird in diesem Fall vorteilhafterweise am oberen Ende eines entsprechenden Verdunstungskühlers angeordnet.
-
Wie ebenfalls bereits teilweise erläutert, wird vorteilhafterweise eine Menge des zum Betreiben des Verdunstungskühlers verwendeten Verdunstungsfluids in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur, bei der die Luftzerlegungsanlage betrieben wird, eingestellt. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise, wie erläutert, bei geringen Außentemperaturen eine nochmalige Reduzierung der Druckniveaus im Destillationssäulensystem und daher der durch den Hauptluftverdichter bereitzustellenden Drücke erreichen.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere die Niederdrucksäule auf einem Druckniveau von 1,00 bis 1,40 bar, insbesondere von 1,10 bis 1,20 bar, beispielsweise von 1,15 bar, an ihrem Kopf betrieben werden. Das Druckniveau kann daher deutlich reduziert werden und muss lediglich an die übrigen Erfordernisse in einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage, beispielsweise ein zur Regelung erforderliches Druckniveau angepasst werden.
-
Vorteilhafterweise wird in diesem Fall die Hochdrucksäule, deren Druckniveau von dem Druckniveau der Niederdrucksäule abhängt, auf einem Druckniveau von 4,50 bis 4,90 bar, insbesondere von 4,60 bis 4,80 bar, beispielsweise von 4,72 bar, an ihrem Kopf betrieben. Auf diese Weise verbessert sich, wie zuvor erläutert, die Trennbeziehungsweise Destillationsleistung einer entsprechenden Säule.
-
Das Verdunstungsfluid wird dem Verdunstungskühler vorteilhafterweise auf einem Druckniveau von 1,00 bis 1,10 bar, beispielsweise von 1,05 bar, zugeführt. Ein entsprechendes Druckniveau reicht typischerweise nicht aus, um den Gegendruck in einem Verdunstungskühler zu überwinden; durch die Bereitstellung der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist jedoch eine effektive Kühlung auch mit derartigen geringen Druckniveaus möglich.
-
Das unteratmosphärische Druckniveau, das in dem Verdunstungskühler zum Durchsaugen des Verdunstungsfluids durch diesen bereitgestellt wird, beträgt insbesondere 0,80 bis 0,99 bar, insbesondere 0,90 bis 0,98 bar, beispielsweise 0,96 bar. Dieses reicht aus, um das Verdunstungsfluid, das bei dem zuvor erläuterten Druck bereitgestellt wird, durch den Verdunstungskühler zu saugen, ohne dass in der Niederdrucksäule höhere Drücke eingestellt werden müssten.
-
Die Erfindung betrifft auch eine Luftzerlegungsanlage zur Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft, die ein Destillationssäulensystem, einen Hauptluftverdichter, der dafür eingerichtet ist, die Einsatzluft zu verdichten, und einen Direktkontaktkühler, der dafür eingerichtet ist, die Einsatzluft nach dem Verdichten in dem Hauptluftverdichter unter Verwendung von Wasser abzukühlen, aufweist. Zum Abkühlen des Wassers wird ein Verdunstungskühler bereitgestellt. Ferner sind Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, den Verdunstungskühler unter Verwendung eines aus der Einsatzluft gebildeten Verdunstungsfluids, das dem Destillationssäulensystem entnommen wird, zu betreiben. Eine entsprechende Anlage zeichnet sich erfindungsgemäß durch Mittel aus, die dafür eingerichtet sind, das aus der Einsatzluft gebildete und dem Destillationssäulensystem auf einem überatmosphärischen Druckniveau entnommene Verdunstungsfluid durch Bereitstellen eines unteratmosphärischen Druckniveaus durch den Verdunstungskühler zu saugen, wie bereits zuvor erläutert.
-
Zu Merkmalen und Vorteilen einer solchen Luftzerlegungsanlage, die insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, wie es zuvor im Detail erläutert wurde, sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Eine entsprechende Anlage profitiert von den bezüglich des Verfahrens erläuterten Vorteilen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
In 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht.
-
In 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
In den Figuren tragen einander entsprechende Elemente identische Bezugszeichen und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
-
In 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet.
-
Der Luftzerlegungsanlage 100 wird über ein Filter 1 Einsatzluft (AIR) zugeführt, die mittels eines Hauptluftverdichters 2 verdichtet wird, beispielsweise auf einen Druck von 5,1 bar. Ein hierdurch erzeugter Druckluftstrom a wird in einem Direktkontaktkühler 3 vorgekühlt, welcher unter anderem mit einem abgekühlten Wasserstrom b aus einem Verdunstungskühler 4 beschickt wird. Der Wasserstrom b wird dabei über eine nicht näher bezeichnete Pumpe auf den Direktkontaktkühler 3 aufgegeben. Zur Bereitstellung des gekühlten Wasserstroms b wird dem Verdunstungskühler 4 Wasser (H2O) eines Stroms c zugeführt, welches teilweise auch ohne Kühlung in den Direktkontaktkühler 3 eingespeist wird. Dem Direktkontaktkühler 3 wird ein Wasserstrom d entnommen und beispielsweise aus der Anlage 100 ausgeführt.
-
Die vorliegende Erfindung gemäß der dargestellten Ausführungsform entfaltet ihre besonderen Vorteile insbesondere durch die Ausgestaltung des Verdunstungskühlers 4, welche unten näher erläutert wird.
-
Nach der Kühlung in dem Direktkontaktkühler 3 wird ein entsprechend gekühlter Druckluftstrom, nun mit e bezeichnet, einem Adsorbersatz 50 zugeführt, welcher im dargestellten Beispiel 2 mit einem geeigneten Adsorptionsmaterial gefüllte und im Wechselbetrieb betriebene Adsorberbehälter 5, 6 umfasst. Der Strom e wird im dargestellten Betriebszustand des Adsorbersatzes 50 durch den Adsorberbehälter 6 geführt, der Adsorberbehälter 5 wird hingegen von einem Regeneriergasstrom f durchströmt. Der Regeneriergasstrom f wird im dargestellten Beispiel mittels einer Regeneriergasheizung 70, umfassend einen mit einem Dampfstrom g (STEAM) betriebenen und den Dampfstrom g zu Kondensat (COND) kondensierenden Wärmetauscher 7 und eine elektrische Heizeinrichtung 8, erwärmt. Zur Bereitstellung des Regeneriergasstroms f wird ein Strom h verwendet, dessen Bereitstellung unten näher erläutert wird, und von dem ein Teil an die Atmosphäre (ATM) abgeblasen werden kann. Der Strom h wird gemäß der hier veranschaulichten Ausführungsform mit einem Druck von ca. 1,2 bar bereitgestellt.
-
Ein in dem Adsorbersatz 50 getrockneter Druckluftstrom ist mit i bezeichnet. Dieser wird gemäß der dargestellten Ausführungsform auf einem Druck von beispielsweise 4,9 bar einem Hauptwärmetauscher 9 warmseitig zugeführt und kaltseitig entnommen. Der entsprechend abgekühlte Strom i, nun mit k bezeichnet wird zu einem Teil bei einer Temperatur geringfügig oberhalb des Taupunkts und im dargestellten Beispiel auf einem Druck von ca. 4,75 bar in eine Hochdrucksäule 10 eines Doppelsäulensystems eingespeist. Ein Teil des Stroms k wird im dargestellten Beispiel in einem Nebenkondensator 16 (siehe unten) verflüssigt und erst anschließend in die Hochdrucksäule 10 eingespeist. Ein Teil hiervon wird der Hochdrucksäule 10 auf etwa der gleichen Höhe entnommen, durch einen Unterkühler 13 geführt und anschließend in Form des Stroms I in eine Niederdrucksäule 11 des Destillationssäulensystems eingespeist. Die Hochdrucksäule 10 und die Niederdrucksäule 11 stehen über einen Hauptkondensator 14 in wärmetauschender Verbindung. Die Hochdrucksäule 10 wird im dargestellten Beispiel an ihrem Kopf bei einem Druck von ca. 4,72 bar betrieben, die Niederdrucksäule 11 in ihrem Sumpf bei einem Druck von ca. 1,25 bar und an ihrem Kopf bei einem Druck von ca. 1,15 bar.
-
Vom Kopf der Hochdrucksäule 10 wird ein stickstoffangereichertes Fluid gasförmig entnommen und teilweise in Form des Stroms m unter anderem zur Bereitstellung des Regeneriergasstroms f bzw. des Stroms h verwendet. Hierzu wird der Strom m dem Hauptwärmetauscher 9 kaltseitig zugeführt und zum Teil warmseitig in Form des Stroms n und zum Teil auf einer Zwischentemperatur in Form des Stroms o entnommen. Ein Teil des warmseitig dem Hauptwärmetauscher 9 entnommen Stroms n kann als Druckstickstoffprodukt (PGAN) bereitgestellt werden, ein Teil hiervon wird jedoch optional über einen Wärmetauscher 19 erwärmt und anschließend mittels einer Entspannungsturbine 18b entspannt. Auch der auf einer Zwischentemperatur dem Hauptwärmetauscher 9 entnommene Strom o wird im dargestellten Beispiel in einer Entspannungsturbine 18a entspannt. Die Entspannungsturbinen 18a und 18b können jeweils mit Generatoren G gekoppelt sein, wodurch sich aus der bei der Entspannung frei werdenden Arbeit elektrische Energie gewinnen lässt. Die jeweils in den Entspannungsturbinen 18a und 18b entspannten Ströme werden bei unterschiedlichen Temperaturen dem Hauptwärmetauscher 9 zugeführt und in diesem miteinander vereinigt. Stromab des Hauptwärmetauschers 9 liegt auf diese Weise der bereits oben erwähnte Strom h mit dem ebenfalls erläuterten Druck vor.
-
Weiteres stickstoffreiches Fluid vom Kopf der Hochdrucksäule 10 wird in dem Hauptkondensator 14 verflüssigt und zu einem Teil als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 10 aufgegeben und zu einem weiteren Teil in Form des Stroms p in die Niederdrucksäule 11 überführt. Ein Teil hiervon kann auch als Flüssigstickstoffprodukt (LIN) entnommen werden. Ferner kann vorgesehen sein, Flüssigstickstoff einzuspeisen und bei der Bereitstellung des Stroms p zu verwenden.
-
Am Argonübergang wird der Niederdrucksäule 11 ein Strom q entnommen und in eine Rohargonsäule 12 überführt. Flüssigkeit aus dem Sumpf der Rohargonsäule 12 wird in Form des Stroms r in die Niederdrucksäule 11 zurückgeführt. Gasförmiges Fluid vom Kopf der Rohargonsäule 12 wird zu einem Teil als Strom s bereitgestellt, welcher wie unten erläutert verwendet wird. Weiteres Fluid vom Kopf der Rohargonsäule 12 wird in einem Rohargonkondensator 14 verflüssigt und auf die Rohargonsäule 12 als Rücklauf aufgegeben. In einen Verdampfungsraum des Rohargonkondensators 14 wird eine Sumpfflüssigkeit der Hochdrucksäule 10 eingespeist, die dieser in Form des Stroms t entnommen und anschließend durch den Unterkühler 13 geführt wird. Ein in dem Verdampfungsraum des Rohargonkondensators 14 erhaltenes Verdampfungsprodukt wird in Form des Stroms u in die Niederdrucksäule 11 überführt. Aus dem Flüssigkeitsbad des Verdampfungsraums des Rohargonkondensators 14 kann ein Strom v entnommen und ebenfalls in die Niederdrucksäule überführt werden.
-
Vom Kopf der Niederdrucksäule 11 wird ein Strom w, sogenannter Unreinstickstoff, entnommen, durch den Unterkühler 13 geführt und anschließend in dem Hauptwärmetauscher 9 erwärmt. Der weiter mit w bezeichnete Strom liegt im dargestellten Beispiel anschließend bei einem Druck von ca. 1,05 bar vor. Gemäß der in 1 veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung wird zumindest ein Teil des Stroms w beim Betrieb des Verdunstungskühlers 4 verwendet. Um einen Gegendruck des Verdunstungskühlers 4 überwinden zu können, ist hierzu ein Lüfter 21 vorgesehen, welcher am Kopf des Verdampfungskühlers 4 einen leichten Unterdruck, im dargestellten Beispiel ca. 0,96 bar, erzeugt. Ein nicht in den Verdampfungskühler 4 eingespeister Teil des Stroms w und der durch den Lüfter 21 geführte Anteil hiervon wird an die Atmosphäre (ATM) abgeblasen, im dargestellten Beispiel bei einem Druck von ca. 1,013 bar.
-
Aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 11 wird schließlich ein Strom x entnommen und in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators 16 eingespeist. Ein Verdampfungsprodukt aus dem Verdampfungsraum des Nebenkondensators 16 kann in Form des Stroms y abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher 9 erwärmt und als gasförmiges Sauerstoffprodukt (GOX), im dargestellten Beispiel bei einem Druck von ca. 1,25 bar, bereitgestellt, oder mittels eines Sauerstoffverdichters 20 zu einem Drucksauerstoffprodukt (PGOX) auf einen gewünschten Druck nachverdichtet werden. Aus dem Sumpf des Verdampfungsraums des Nebenkondensators 16 kann ein Strom z in einer Spülmenge entnommen, mittels einer Pumpe 17 durch den Hauptwärmetauscher geführt und mit dem Strom y vereinigt werden.
-
In 2 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 200 bezeichnet.
-
Die Luftzerlegungsanlage 200, die in 2 veranschaulicht ist, unterscheidet sich insbesondere dadurch von der Luftzerlegungsanlage 100, die in 1 veranschaulicht ist, dass der Strom y, d. h. das Verdampfungsprodukt aus dem Verdampfungsraum des Nebenkondensators 16, dem Hauptwärmetauscher 9 nicht warmseitig, d. h. an dessen warmen Ende, sondern bei einer Zwischentemperatur entnommen wird. Auf diese Weise kann ein kaltes Sauerstoffprodukt (GOX), bzw., nach einer entsprechenden Verdichtung in einem Sauerstoffverdichter 20, ein kaltes bzw. vergleichsweise kaltes Drucksauerstoffprodukt (PGOX) bereitgestellt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2466236 A1 [0006]
- EP 2458311 A1 [0006]
- US 5329776 A [0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- F. G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, Boca Raton: CRC Press, 2006; Kapitel 3: Air Separation Technology [0002]
