DE202008013445U1 - Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit
– einem Hauptluftverdichter (2) zur Verdichtung von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck (p1),
– einer Reinigungsvorrichtung (4) zur Reinigung von verdichteter Einsatzluft (3, 17), wobei die Reinigungsvorrichtung (4) mindestens zwei umschaltbare Behälter aufweist,
– einem Nachverdichter (8) zur Nachverdichtung mindestens eines ersten Luftstroms (6), der mindestens einen Teil der gereinigten Einsatzluft (5) umfasst, auf einen zweiten Druck (p2), der höher als der erste Druck (p1) ist,
– Mitteln zum Einleiten mindestens eines Teils der Einsatzluft in ein Destilliersäulen-System eingeleitet wird und mit
– einer Stickstoffproduktleitung (13) und/oder ein Sauerstoffproduktleitung (12), die mit dem Destilliersäulen-System verbunden sind, gekennzeichnet durch einen Zusatzwärmetauscher zur Abkühlung des ersten Luftstroms (6) stromaufwärts des Nachverdichters (8) durch indirekten Wärmeaustausch (24) mit einem externen Kühlmittel (25).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.
  • Derartige Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und entsprechende Vorrichtungen sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt. Das Destilliersäulen-System der Erfindung kann als Einsäulensystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung ausgebildet sein, als Zweisäulensystem (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehrsäulensystem. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung.
  • In vielen Fällen wird ein erster Luftstrom, der meist durch einen Teilstrom der Einsatzluft gebildet wird, auf einen zweiten Druck nachverdichtet, der höher als der erste Druck ist, der Austrittsdruck des Hauptluftverdichters. Dieser höhere Luftdruck wird beispielsweise für die Erzeugung von Prozesskälte durch arbeitsleistende Entspannung und/oder für die Verdampfung oder (bei überkritischen Drücken) Pseudo-Verdampfung eines oder mehrerer flüssig auf Druck gebrachter Produktströme aus dem Destilliersäulen-System (so genannte Innenverdichtung) genutzt.
  • Die Reinigungsvorrichtung wird durch mindestens zwei Behälter gebildet, die mit einem Adsorptionsmittel, beispielsweise einem Molekularsieb, gefüllt sind und zyklisch betrieben werden. Während einer der Behälter von der Einsatzluft durchströmt wird, durchläuft ein anderer eine Regenerierphase, in der er mittels Temperaturänderung (TSA – temperature swing adsorption) oder Druckänderung (PSA – pressure swing adsorption) oder einer Kombination dieser beiden Methoden regeneriert wird.
  • Wird die Einsatzluft auf einen anderen Behälter umgeschaltet, weist sie stromabwärts der Reinigungsvorrichtung kurzzeitig (zum Beispiel für 5 bis 20 Minuten, insbesondere für 10 bis 15 Minuten während eines Zyklus von 2 bis 4 Stunden), eine gegenüber dem stationären Betrieb erhöhte Temperatur auf. Dies wird bisher in Kauf genommen, da die Temperaturschwankungen durch nachfolgende Kältepuffer wie zum Beispiel den Hauptwärmetauscher ausgeglichen werden, bevor die Einsatzluft das Destilliersäulen-System erreicht. Beim Einsatz eines Nachverdichters stromabwärts der Reinigungsvorrichtung fehlen solche Kältepuffer jedoch. Wegen der erhöhten Temperatur im ersten Luftstrom arbeitet der Nachverdichter nicht mehr in seinem optimalen Betriebspunkt, also bei einem schlechteren Wirkungsgrad. Auch die mechanische Auslegung des Nachverdichters muss an diese höheren Eintrittstemperaturen angepasst werden. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass die Pumpgrenze des Verdichters erreicht wird. Diese Effekte treten insbesondere bei vergleichsweise hohem erstem Druck von 8 bar oder mehr, insbesondere 10 bar oder mehr, auf.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig ist, insbesondere einen besonders niedrigen Energieverbrauch, besonders niedrige Investitionskosten und/oder eine besonders hohe Betriebsstabilität aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der erste Luftstrom stromaufwärts des Nachverdichters durch indirekten Wärmeaustausch mit einem externen Kühlmittel gekühlt wird. Insbesondere weist die Vorrichtung einen Zusatzwärmetauscher zur Abkühlung des ersten Luftstroms stromaufwärts des Nachverdichters durch indirekten Wärmeaustausch mit einem externen Kühlmittel auf.
  • Unter einem "externen Kühlmittel" wird hier ein Fluid verstanden, das nicht aus der Einsatzluft abgeleitet wird, also insbesondere keinen Produktstrom des Destilliersäulen-Systems darstellt.
  • Damit kann mindestens ein Teil der während der Umschaltphase in den ersten Luftstrom eingeführten zusätzlichen Wärme entfernt werden, bevor dieser den Nachverdichter erreicht. Dies führt zu geringeren oder verschwindenden Schwankungen der Eintrittstemperatur des Nachverdichters. Er kann entsprechend günstiger ausgelegt und ständig im optimalen Betriebspunkt betrieben werden.
  • Der indirekte Wärmeaustausch mit dem externen Kühlmittel wird vorzugsweise in einem Zusatzwärmetauscher durchgeführt, der beispielsweise als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgebildet ist. Falls der erste Luftstrom nur durch einen Teil der Einsatzluft gebildet wird, muss nur dieser Teil zusätzlich gekühlt werden, der Zusatzwärmetauscher kann relativ kostengünstig ausgeführt werden.
  • Es ist günstig, wenn das externe Kühlmittel durch Kühlwasser gebildet wird. Kühlwasser wird in einer Luftzerlegungsanlage regelmäßig für die Nachkühlung von verdichteten Prozessströmen durch direkten oder indirekten Wärmeaustausch eingesetzt und ist daher am Ort verfügbar.
  • Häufig weisen Luftzerlegungsanlagen einen Kühlwasserkreislauf mit Direktkontaktkühler zur Abkühlung der Einsatzluft zwischen Hauptluftverdichter und Reinigungsvorrichtung und einer Kühlvorrichtung zu Abkühlung des Kühlwassers auf. Hier ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, wenn das externe Kühlmittel stromabwärts des Verdunstungskühlers aus dem Kühlwasserkreislauf abgezweigt wird. Die Kühlvorrichtung kann durch eine Kälteanlage gebildet werden; vorzugsweise wird sie durch einen Verdunstungskühler realisiert, in dem das Kühlwasser durch direkten Kontakt mit einem trockenen Gasstrom abgekühlt wird. Als trockener Gasstrom wird vorzugsweise ein Reststrom und/oder ein Produktstrom des Destilliersäulen-Systems eingesetzt. Hierbei kann der Verdunstungskühler als Kältepuffer genutzt werden. Er wird dazu vorzugsweise so ausgeführt, dass er über einen relativ großen Flüssigkeitsinhalt (hold-up) verfügt, der ausreicht, um für beispielsweise 10 bis 15 Minuten einen relativ kleinen Kaltwasserstrom als externes Kühlmittel zu nutzen.
  • Das externe Kühlmittel kann stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs mit dem ersten Luftstrom in den Kühlwasserkreislauf zurückgeführt werden.
  • Besonders günstig ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Prozessen, bei denen die Einsatzluft in dem Hauptluftverdichter auf einen ersten Druck verdichtet wird, der mindestens 1 bar über dem höchsten Druck des Destilliersäulen-Systems liegt und insbesondere 8 bis 30 bar, vorzugsweise 15 bis 25 bar beträgt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der indirekte Wärmeaustausch mit dem externen Kühlmittel nur zeitweise betrieben, insbesondere während einer Umschaltphase, in der zwischen zwei Behältern der Reinigungsvorrichtung umgeschaltet wird. Die Umschaltphase dauert vorzugsweise etwa 5 bis 20 Minuten, insbesondere 10 bis 15 Minuten, während einer Gesamtzykluszeit von 2 bis 4 Stunden. Außerhalb der Umschaltphase wird der erste Luftstrom zwischen Reinigungsvorrichtung und Nachverdichter nicht abgekühlt, indem er an dem entsprechenden Zusatzwärmetauscher vorbeigeführt wird und/oder dem Zusatzwärmetauscher kein externes Kühlmittel zugeführt wird.
  • Die Eintrittstemperatur des Nachverdichters liegt beispielsweise höher als 275 K, insbesondere höher als 300 K liegt.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Atmosphärische Luft 1 wird in einem Hauptluftverdichter 2 auf einen ersten Druck p1 von 20 bar verdichtet. Die verdichtete Einsatzluft 3 wird in einem Direktkontaktkühler 15 in direktem Wärmeaustausch mit Kühlwasser 16 abgekühlt und anschließend über Leitung 17 einer Reinigungsvorrichtung 4 zugeführt, die ein Paar umschaltbarer Behälter aufweist. In der Phase, die in der Zeichnung dargestellt ist, wird gerade der rechte Behälter beladen, das heißt vom Einsatzluftstrom 3 durchströmt und der linke Behälter wird mittels eines trockenen Gases (Regeneriergas 14) regeneriert.
  • Die gereinigte Einsatzluft 5 wird in einen ersten Luftstrom 6 und einen zweiten Luftstrom 7 aufgeteilt. Der zweite Luftstrom wird direkt einer Coldbox 11 zugeleitet, die den gesamten kalten Anlagenteil, insbesondere einen Hauptwärmetauscher und ein Destilliersäulen-System, enthält. Das Destilliersäulen-System weist in dem Ausführungsbeispiel eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule auf. Der zweite Luftstrom 7 wird nach Abkühlung im Hauptwärmetauscher in die Hochdrucksäule eingeleitet (nicht dargestellt).
  • Der erste Luftstrom 6 wird in einem Nachverdichter 8 mit Nachkühler 9 auf einen zweiten Druck von 35 bar nachverdichtet. Der nachverdichtete erste Luftstrom 10 wird der Coldbox 11 zugeleitet, im Hauptwärmetauscher abgekühlt und (pseudo-)verflüssigt und ebenfalls in das Destilliersäulen-System eingeleitet.
  • Ein Prozessstrom 27 der Luftzerlegung, vorzugsweise ein Teilstrom des ersten Luftstroms 10 oder des zweiten Luftstroms 7, wird in einer Entspannungsmaschine 28, vorzugsweise einem Turboexpander, arbeitsleistend entspannt. Die Entspannungsmaschine ist über eine gemeinsame Welle mit dem Nachverdichter 8 verbunden und treibt diesen an.
  • Der Niederdrucksäule des Destilliersäulen-Systems wird ein flüssiger Sauerstoffproduktstrom abgezogen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck von 30 bar gebracht, im Hauptwärmetauscher verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt (nicht dargestellt) und schließlich als gasförmiger Druckproduktstrom 12 abgezogen. Stickstoff aus der Niederdrucksäule wird ebenfalls im Hauptwärmetauscher angewärmt (nicht dargestellt) und über Leitung 13 aus der Coldbox abgezogen. Mindestens ein Teil 14 des Stickstoffprodukts kann als trockenes Gas zur Regenerierung der Reinigungsvorrichtung 4 eingesetzt werden. Nach Abzug aus der Reinigungsvorrichtung wird das Regeneriergas über Leitung 18 in die Atmosphäre abgeblasen.
  • Der Direktkontaktkühler 15 ist in einen Kühlwasserkreislauf eingebunden, in dem relativ warmes Kühlwasser 20, das in dem Beispiel aus einem nicht dargestellten Kühlturm stammt, über Leitung 29 auf einen Verdunstungskühler 21 aufgegeben und im direktem Gegenstrom zu einem trockenen Gas, zum Beispiel einem Teil des Stickstoffprodukts 13, abgekühlt wird. Kaltes Kühlwasser 22, 23 wird zum Kopf des Direktkontaktkühler 15 geführt. Außerdem wird an einer Zwischenstelle ein Teil 16 des relativ warmen Kühlwassers 20 aus dem Kühlturm aufgegeben. Das sehr warme Kühlwasser 19 wird über Leitung 30 zum Kühlturm zurückgeführt.
  • Erfindungsgemäß wird während einer Umschaltphase der Reinigungsvorrichtung 4 der erste Luftstrom in einem Zusatzwärmetauscher 24 in indirektem Wärmeaustausch mit einem externen Kühlmittel abgekühlt. Als externes Kühlmittel wird in dem Beispiel kaltes Kühlwasser 25 aus dem Verdunstungskühler 21 eingesetzt. Das im Zusatzwärmetauscher angewärmte Kühlwasser 26 wird in den warmen Ast des Kühlwasserkreislaufs zurückgespeist und über Leitung 30 zum Kühlturm geleitet.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • - Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) [0002]

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit – einem Hauptluftverdichter (2) zur Verdichtung von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck (p1), – einer Reinigungsvorrichtung (4) zur Reinigung von verdichteter Einsatzluft (3, 17), wobei die Reinigungsvorrichtung (4) mindestens zwei umschaltbare Behälter aufweist, – einem Nachverdichter (8) zur Nachverdichtung mindestens eines ersten Luftstroms (6), der mindestens einen Teil der gereinigten Einsatzluft (5) umfasst, auf einen zweiten Druck (p2), der höher als der erste Druck (p1) ist, – Mitteln zum Einleiten mindestens eines Teils der Einsatzluft in ein Destilliersäulen-System eingeleitet wird und mit – einer Stickstoffproduktleitung (13) und/oder ein Sauerstoffproduktleitung (12), die mit dem Destilliersäulen-System verbunden sind, gekennzeichnet durch einen Zusatzwärmetauscher zur Abkühlung des ersten Luftstroms (6) stromaufwärts des Nachverdichters (8) durch indirekten Wärmeaustausch (24) mit einem externen Kühlmittel (25).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Kühlmittel (25) durch Kühlwasser gebildet wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Einsatzluft (3) stromaufwärts der Reinigungsvorrichtung (4) in einem Direktkontaktkühler (15) durch direkten Kontakt mit Kühlwasser (16) abgekühlt wird, das Kühlwasser in einem Kühlwasserkreislauf (19, 22, 23) geführt und in dem Kühlwasserkreislauf in einer Kühlvorrichtung (21) abgekühlt wird und dass das externe Kühlmittel (25) stromabwärts der Kühlvorrichtung (21) aus dem Kühlwasserkreislauf (19) abgezweigt wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Kühlmittel (26) stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs (24) mit dem ersten Luftstrom (6) in den Kühlwasserkreislauf (19, 20) zurückgeführt wird.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft (1) in dem Hauptluftverdichter (2) auf einen ersten Druck (p1) verdichtet wird, der mindestens 1 bar über dem höchsten Druck des Destilliersäulen-Systems liegt und insbesondere 8 bis 30 bar beträgt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der indirekte Wärmeaustausch (24) mit dem externen Kühlmittel (25) nur zeitweise betrieben wird, insbesondere während einer Umschaltphase, in der zwischen zwei Behältern der Reinigungsvorrichtung (24) umgeschaltet wird.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperatur des Nachverdichters (8) höher als 275 K, insbesondere höher als 300 K liegt.
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