DE19912155C2 - Kryogener vakuumisolierter Sauerstoff-Generator - Google Patents

Kryogener vakuumisolierter Sauerstoff-Generator

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen kyrogenen vakuumisolierten Sauerstoff-Generator zur Verwendung als On-site-Luftzerleger zur Erzeugung von hochreinem, gasförmigem Sauerstoff, mit mindestens einer den LOX-Vorratsbehälter (6) mit der Rektifiziersäule (1) verbindenden und in unterschiedlichen Druckbereichen der oberen Niederdrucksäule der Rektifiziersäule (1) angeordneten Speiseleitung (7). DOLLAR A Der erfindungsgemäße kyrogene vakuumisolierte Sauerstoff-Generator ist vorteilhaft vor Ort als besonders wirtschaltlicher Kleinluftzerleger mit einer Sauerstoff-Produktionskapazität von bis zu 500 m·3·/h einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen kryogenen vakuumisolierten Sauerstoff-Generator zur Verwendung als On-site-Luftzerleger zur Erzeugung von hochreinem gasförmigem Sauerstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff werden bisher Luftzerlegungs­ anlagen als Sauerstoff-Generatoren eingesetzt, welche im wesentlichen aus zwei mit einem vorgeschalteten Wärmetauscher und einem nachgeschalteten Unterkühler in einem pulver-isolierten Raum ("cold box") angeordneten Rektifiziersäulen, bestehend aus einer unteren Hochdrucksäule ("6-bar-Säule") und einer durch einen Kondensator mit dieser thermisch gekoppelten oberen Niederdrucksäule ("1,5-bar-Säule"), in der die gereinigte, verdichtete und in dem Wärmetauscher auf ca. minus 190°C abgekühlte, teilweise in einer Expansionsturbine entspannte und durch eine in die untere Niederdrucksäule einmündenden Luftleitung zugeführte kalte Luft mittels Rektifizierung in ihre Bestandteile zerlegt wird.
Die Rektifiziersäulen dieser bekannten Sauerstoff-Generatoren sind mit konventionellen Siebböden oder geordneten Packungen und Flüssigkeitssammler ausgestattet, wobei in den unteren Teil der Mitteldrucksäule die Prozeßluft (Zerlegungsluft) als Zulaufstrom eintritt, im Kondensator Flüssigstickstoff als Rücklaufflüssigkeit genutzt und ein ca. 36%iger Sauerstoff als Sumpfprodukt erzeugt wird, und die obere Niederdrucksäule als Zulauf den 36%igen Sauerstoff aus der unteren Mitteldrucksäule und den durch die kälteerzeugenden Expansionsturbine erzeugten Luftstrom aufweist sowie ebenfalls Flüssigkeitsstickstoff als Rücklaufflüssigkeit nutzt und außerdem Reinsauerstoff sowie eine oder mehrere gasförmige Stickstofffraktionen erzeugt.
Eine derartige Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft ist beispielsweise aus der DE 197 37 521 A1 mit mindestens einer im evakuierten Isolationsraum ("cold box") angeordneten und zum Ausgleich der Kältebilanz mit flüssigem Stickstoff aus einem außerhalb des Isolationsraums angeordneten Speicherbehälter gespeisten Rektifiziersäule bekannt.
Des weiteren ist in der DE 39 13 880 A1 ein Verfahren mit Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft zur variablen Sauerstoffgewinnung aufgezeigt, bei denen im Bedarfsfall der Niederdruckstufe der Rektifikation mindestens ein Teil der zuvor aus der Druckstufe der Rektifikation entnommenen und in einem separaten Speicherbehälter zwischengelagerten sauerstoffangereicherten flüssigen Fraktion (Sumpfflüssigkeit) wieder zugeführt wird.
Bei beiden vorbekannten Anlagen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft erfolgt jedoch die Einspeisung von Flüssiggas in die Niederdrucksäule mittels mit der Niederdrucksäule positionsfest verbundenen und damit dem jeweiligen Anlagenbetrieb nicht optimal anpassbaren Speiseleitungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoff-Generator der eingangs genannten Art so zu verbessern, das dieser als besonders wirtschaft­ licher, mit niedrigen Betriebskosten einsetzbarer On-site-Kleinluftzerleger verwendbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen kryogenen vakuumisolierten Sauerstoff- Generator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße ausschließliche LOX-assist-Betrieb des Sauerstoff- Generators mit einer den unterschiedlichen betriebstechnischen und prozeßspezifischen Anforderungen im Anlagenbetrieb gerecht werdenden LOX-Einspeisung in die Rektifiziersäule gewährleistet den besonders wirtschaftlichen Einsatz des Sauerstoff-Generators als mit niedrigen Betriebskosten zu betreibenden Kleinluftzerleger vor Ort mit einer Sauerstoff- Produktionskapazität von bis zu 500 m3/h.
Erfindungsgemäß erfolgt die LOX-Einspeisung in die Rektifiziersäule derart, daß der als thermisches Kopplungselement im unteren Bereich der oberen Niederdrucksäule angeordnete, beim Nichtbetrieb der Anlage die Umgebungstemperatur aufweisende Kondensator beim Anfahren der Anlage mit dem durch die Speiseleitung zugeführten kalten flüssigen Sauerstoff (LOX) nicht in Berührung kommt, um seine Beschädigung oder Zerstörung durch thermische Spannungen auszuschließen.
In einer ersten vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist für den Anfahrbetrieb die den flüssigen Sauerstoff aus dem außerhalb der "cold box" des Sauerstoff- Generators angeordneten LOX-Vorratsbehälter in die "cold box" zuführende Speiseleitung oberhalb der Rektifiziereinbauten (konventionelle Siebböden oder geordnete Packungen) der unteren Mitteldrucksäule und für den Normalbetrieb oberhalb des Kondensators im Bereich der Rektifiziereinbauten der oberen Niederdrucksäule der Rektifiziersäule angeordnet.
Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Abkühlung der kalten Anlagenteile in der "cold box" zuerst in der unteren Mitteldrucksäule mittels Flüssigsauerstoff, wobei mit dem in der oberen Niederdrucksäule angeordneten Kondensator nur kalte Gasströme in Berührung kommen.
Nach Erreichen der erforderlichen Generator-Betriebstemperatur erfolgt die LOX- Einspeisung in die Niederdrucksäule der Rektifiziersäule. Die für den anschließenden stationären Anlagen-Betrieb notwendige geringe LOX-Menge wird in Abhängigkeit von dem oberhalb des Kondensators vorhandenen Konzentrationsprofil eingespeist. Besonders vorteilhaft ist die räumliche Trennung der LOX-Zuspeisung entsprechend dem Betriebszustand des Sauerstoff- Generators (Anfahr- bzw. Normalbetrieb). Durch diese erfindungsgemäße Ausführungsform ist eine sehr schnelle Inbetriebnahme (kurzzeitiges Abkühlen des O2-Generators) und eine besonders effiziente Sauerstoff-Produktion (hohe Sauerstoff-Ausbeute aufgrund der LOX-Einspeisung oberhalb des Kondensators) möglich.
In einer zweiten vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist für den Anfahrbetrieb die den flüssigen Sauerstoff (LOX) aus dem, in der Regel vakuumisolierten LOX- Vorratsbehälter in die "cold box" zuführende Speiseleitung in Höhe der im Bereich der Rektifiziereinbauten der oberen Niederdrucksäule zur Einspeisung der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit vorhandenen Sauerstoffleitung angeordnet. Für den Normalbetrieb ist die LOX-Speiseleitung oberhalb des Kondensators im Bereich der Rektifiziereinbauten der oberen Niederdrucksäule angeordnet.
Durch diese weitere vorteilhafte erfindungsgemäße Ausführungsform erfolgt die Abkühlung der kalten Anlagenteile in der "cold box" zuerst im Bereich der Rektifiziereinbauten der Niederdrucksäule. Die Sauerstoffverdampfung in diesem Bereich führt zur gut regelbaren Abkühlung der Säulen. Vorteilhaft ist ebenfalls, daß die LOX-Zuspeisung in räumlicher Trennung entsprechend dem Betriebszustand des Sauerstoff-Generators (Anfahr- bzw. Normalbetrieb) erfolgt.
In einer dritten vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist für den Anfahr- und Normalbetrieb zur Zufuhr des flüssigen Sauerstoffs (LOX) aus dem LOX- Vorratsbehälter in die Rektifiziersäule nur eine einzige, in Höhe der die sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit aus dem Bodenbereich der unteren Mitteldrucksäule zuführenden Sauerstoffleitung oberhalb des Kondensators im Bereich der Rektifiziereinbauten der oberen Niederdrucksäule der Rektifiziersäule angeordnete Speiseleitung vorgesehen.
Diese besonders einfache LOX-Einspeisung in die Rektifiziersäule senkt deren apparativen und regelungstechnischen Aufwand, da nur eine Leitung mit einem Regelorgan (Ventil) erforderlich und damit diese erfindungsgemäße Ausführungsform besonders kostengünstig ist. Dabei erfolgt die LOX-Einspeisung durch zweckentsprechend angeordnete und ausgebildete Düsen o. ä. direkt auf die Siebböden bzw. Packungseinbauten der oberen Niederdrucksäule der Rektifiziersäule.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist für den Anfahr- und Normalbetrieb des Sauerstoff-Generators nur eine einzige, den flüssigen Sauerstoff (LOX) aus dem LOX-Vorratsbehälter in Höhe des Kondensators in die obere Niederdrucksäule der Rektifiziersäulen einbringende Speiseleitung vorgesehen.
Durch die erfindungsgemäß die Rektifiziersäulen thermisch kontaktierende LOX- Speiseleitung wird beim Anfahren der Anlage der durch die Speiseleitung aus dem LOX-Vorratsbehälter der Rektifiziersäulen zugeführte kalte flüssige Sauerstoff (LOX) am Mantel der Rektifiziersäulen unter Abkühlen des Behältermantels verdampft und anschließend der tiefkalte flüssige Sauerstoff (LOX) dem durch die vorbeschriebene Mantelkühlung ebenfalls abgekühlten Kondensator zur bestimmungsgemäßen Verwendung zugeführt wird.
Besonders vorteilhaft wird dabei der tiefkalte Flüssigsauerstoff (LOX) an der im Anlagen-Normalbetrieb für eine optimale Sauerstoff-Ausbeute günstigsten Stelle in die obere Niederdrucksäule der Rektifiziersäule eingespeist.
Die vorbeschriebene thermische Kontaktierung beseitigt beim Anfahrbetrieb die Gefahr eines zu schnellen Abkühlens des Kondensators und der damit verbundenen hohen mechanischen/thermischen Belastung des Kondensators, die zu seiner Beschädigung oder Zerstörung führen könnte.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt eine schematische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sauerstoff-Generators zur Erzeugung von hochreinem gasförmigen Sauerstoff aus Luft mit einer in einem von einem Isoliermantel 2 umschlossenen und pulver­ vakuumisolierten Isolationsraum 3 angeordneten, mit einer unteren Mitteldrucksäule und einer oberen, einen Kondensator 4 aufweisenden Niederdrucksäule ausgebildeten zweistufigen Rektifiziersäule 1, die mit einem Wärmetauscher 5, einem Unterkühler 12 und durch eine für die Zufuhr des zum ausschließlichen LOX-assist-Betrieb ausgebildeten und mit einem Entspannungsventil 13 ausgerüsteten Speiseleitung 7 mit einem außerhalb des Isolationsraums 3 angeordneten, den Flüssigsauerstoff (LOX) lagernden, vakuumisolierten LOX-Vorratsbehälter 6 sowie mit einer durch den Wärmetauscher 5 Zerlegungsluft aus einer nicht dargestellten Molsieb-Station in den unteren Bereich der Mitteldrucksäule der Rektifiziersäule 1 zuführenden Luftleitung 8, mit einer am Kopf der oberen Niederdrucksäule angeordneten Stickstoffproduktleitung 11 zum Abzug von gasförmigem Stickstoffprodukt und mit einer im Bereich des Kondensators 4 in der oberen Niederdrucksäule angeordneten Sauerstoffproduktleitung 9 zum Abführen eines gasförmigen Sauerstoffprodukts sowie mit einer den Bodenbereich der unteren Mitteldrucksäule mit den Rektifizierbereich der oberen Niederdrucksäule verbindenden, durch den Unterkühler 12 verlaufenden und mit einem Entspannungsventil 14 ausgebildeten Sauerstoffleitung 10 zum Abzug der im Bodenbereich der unteren Mitteldrucksäule vorhandenen sauerstoff­ angereicherten Sumpfflüssigkeit, verbunden ist.
Die aus der nicht dargestellten Molsieb-Station der Luftzerlegungsanlage über die Luftleitung 8 dem Wärmetauscher 5 zugeführte, zuvor gereinigte und verdichtete Zerlegungsluft wird in diesem durch die gegenströmenden Stickstoff-/Sauerstoff­ produkte auf etwa minus 190°C abgekühlt und anschließend in den Bereich der unteren Mitteldrucksäule der Rektifiziersäule 1 eingebracht. Der durch die Rektifizierung der Luft im Bereich der Rektifiziereinbauten (konventionelle Siebböden oder geordnete Packungen) in der unteren Mitteldrucksäule aufwärts strömende gasförmige Stickstoff (GAN) kondensiert im LOX-gekühlten Kondensator 4 zu flüssigem Stickstoff (LIN), wobei das Stickstoff-Kondensat der unteren Mitteldrucksäule zur weiteren Rektifizerung der Zerlegungsluft wieder zugeführt wird. Der in der durch die Leitung 10 von dem Bodenbereich der unteren Mitteldrucksäule über den Unterkühler 12 und dem Entspannungsventil 13 der oberen Niederdrucksäule zugeführten Sumpfflüssigkeit angereicherte Sauerstoff wird im Kondensator 4 zu gasförmigem Sauerstoff (GOX) verdampft und als gasförmiges Sauerstoffprodukt mit einem Sauerstoff-Anteil von mindestens 99,6% über die im Bereich des Kondensators 4 in der oberen Niederdrucksäule angeordnete Sauerstoffproduktleitung 9 über den Wärmetauscher 5 unter Erwärmung seiner bestimmungsgemäßen Verwendung zugeführt. Das im Kopfteil der oberen Niederdrucksäule vorhandene gasförmige Stickstoffprodukt wird über die Stickstoffproduktleitung 11 durch den Unterkühler 12 und durch den Wärmetauscher 5 unter Wärmeabgabe seiner bestimmungsgemäßen Verwendung zugeführt.
Zur GOX-Notversorgung im Fall von Betriebsunterbrechungen des Sauerstoff- Generators ist der den flüssigen Sauerstoff (LOX) lagernde, vakuumisolierte LOX- Vorratsbehälter 6 mit einer zweckmäßig angeordnete Absperrventile 15, 16 und einen Verdampfer 17 aufweisenden Sauerstoffleitung 18 zur Direkterzeugung von hochreinem gasförmigen Sauerstoff (GOX) ausgerüstet ("back up-System").
Bezugszeichen-Aufstellung
1
Rektifiziersäule
2
Isoliermantel
3
Isolationsraum
4
Kondensator
5
Wärmetauscher
6
LOX-Vorratsbehälter
7
Speiseleitung (LOX)
8
Luftleitung
9
Sauerstoffproduktleitung (GOX)
10
Sauerstoffleitung (Sumpfflüssigkeit)
11
Stickstoffproduktleitung
12
Unterkühler
13
Entspannungsventil
14
Entspannungsventil
15
Absperrventil
16
Absperrventil
17
Verdampfer
18
Sauerstoffleitung (LOX/GOX)

Claims (3)

1. Kryogener vakuumisolierter Sauerstoff-Generator zur Verwendung als On-site-Luftzerleger zur Erzeugung von hochreinem, gasförmigem Sauerstoff mit mindestens einer, in einem von einem Isoliermantel umschlossenen Isolationsraum angeordneten, eine untere Mitteldrucksäule und eine obere Niederdrucksäule mit Rektifiziereinbauten und Flüssigkeitssammler aufweisenden Rektifiziersäule, die mit einem im unteren Bereich der oberen Niederdrucksäule angeordneten Kondensator ausgerüstet und mit einem Wärmetauscher und mit einem Unterkühler sowie mit einer die obere Niederdrucksäule mit einem außerhalb des Isolationsraumes angeordneten, flüssigen Sauerstoff lagernden Vorratsbehälter verbindenden Speiseleitung zur Zufuhr von flüssigem Sauerstoff (LOX), mit einer Luftleitung zur Zufuhr von Zerlegungsluft, mit einer Sauerstoffproduktleitung zum Abführen eines gasförmigen Sauerstoffprodukts, mit einer Sauerstoffleitung zum Abzug einer im Bodenbereich der unteren Mitteldrucksäule befindlichen sauerstoff­ angereicherten Sumpfflüssigkeit und Rückführung der sauerstoffangereicherten Sumpfflüssigkeit in die obere Niederdrucksäule sowie mit einer im Kopfteil der oberen Niederdrucksäule angeordneten Stickstoffproduktleitung zum Abführen eines gasförmigen Stickstoffprodukts verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der kryogene vakuumisolierte Sauerstoff-Generator mindestens eine den LOX Vorratsbehälter (6) mit der Rektifiziersäule (1) verbindende und in unterschiedlichen Druckbereichen der oberen Niederdrucksäule der Rektifiziersäule (1) angeordnete Speiseleitung (7) aufweist.
2. Kryogener vakuumisolierter Sauerstoff-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Anfahrbetrieb die den flüssigen Sauerstoff aus dem LOX- Vorratsbehälter (6) in die Rektifiziersäule (1) zuführende Speiseleitung (7) in Höhe der Sauerstoffleitung (10) im Bereich der Rektifiziereinbauten der oberen Niederdrucksäule oder in Höhe des Kondensators (4) der oberen Niederdrucksäule oder oberhalb der Rektifiziereinbauten der unteren Mitteldrucksäule der Rektifiziersäule (1) angeordnet ist.
3. Kryogener vakuumisolierter Sauerstoff-Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Normalbetrieb die den flüssigen Sauerstoff aus dem LOX-Vorratsbehälter (6) in die Rektifiziersäule (1) zuführende Speiseleitung (7) oberhalb des Kondensators (4) oder in Höhe der Sauerstoffleitung (10) im Bereich der Rektifiziereinbauten der oberen Niederdrucksäule der Rektifiziersäule (1) angeordnet ist.
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