DE202015004181U1

DE202015004181U1 - Luftzerlegungsanlage und Steuereinrichtung für Luftzerlegungsanlage

Info

Publication number: DE202015004181U1
Application number: DE202015004181.7U
Authority: DE
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2015-07-09
Anticipated expiration: 2025-06-13

Abstract

Luftzerlegungsanlage (100), die ein Destillationssäulensystem mit einer oder mehreren Destillationssäulen (4), einen oder mehrere Luftverdichter (1) und einen Hauptwärmetauscher (3) umfasst, wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, Einsatzluft in einer Einsatzluftmenge durch den oder die Luftverdichter (1) zu führen und dort zu verdichten und die Einsatzluft anschließend ganz oder teilweise in dem Hauptwärmetauscher (3) abzukühlen und in das Destillationssäulensystem einzuspeisen, und wobei ferner Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, dem Destillationssäulensystem ein unter Verwendung der in das Destillationssäulensystem eingespeisten Einsatzluft erzeugtes flüssiges Luftprodukt in einem ersten Betriebsmodus in einer ersten und in einem zweiten Betriebsmodus in einer zweiten Entnahmemenge zu entnehmen, wobei die erste Entnahmemenge um mehr als 10 Prozent größer als die zweite Entnahmemenge ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluftmenge in dem ersten Betriebsmodus um nicht mehr als 10 Prozent von der Einsatzluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus abweicht.

Description

Die Neuerung betrifft eine Luftzerlegungsanlage und eine Steuereinrichtung für eine derartige Luftzerlegungsanlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Schutzansprüche.
Stand der Technik
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
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.
Die Destillationssäulensysteme von Luftzerlegungsanlagen werden bei unterschiedlichen Betriebsdrücken in ihren Destillationssäulen betrieben. Bekannte Doppelsäulensysteme weisen beispielsweise eine sogenannte (Hoch-)Drucksäule 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 1,2 bis 1,7 bar, insbesondere etwa 1,4 bar, betrieben. Bei den hier angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke im Sumpf entsprechender Destillationssäulen. Die genannten Drücke werden nachfolgend auch als ”Destillationsdrücke” bezeichnet, weil bei ihnen die fraktionierte Destillation der jeweils eingespeisten Luft innerhalb der Destillationssäulen erfolgt. Dies schließt nicht aus, dass in einem Destillationssäulensystem an anderer Stelle auch noch andere Drücke vorliegen können.
Zur Gewinnung von gasförmigem und flüssigem Stickstoff oder anderen flüssigen Luftprodukten können auch Einzelsäulenverfahren und entsprechende Luftzerlegungsanlagen eingesetzt werden. Einzelsäulenverfahren werden üblicherweise zur Erzeugung von Stickstoff eingesetzt. Ein hierbei verwendetes Destillationssäulensystem weist lediglich eine Drucksäule (die Einzelsäule) und keine weitere Säule (Niederdrucksäule) auf, die zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingesetzt und unter niedrigerem Druck als die Drucksäule betrieben wird. Dies schließt nicht aus, dass das Destillationssäulensystem über die Einzelsäule hinaus weitere Destillationssäulen aufweist, beispielsweise zur Gewinnung von besonders reinem Stickstoff oder Sauerstoff.
In der US 8 429 933 B2 sind ein Verfahren und eine Luftzerlegungsanlage zur Herstellung eines flüssigen Produktstroms, beispielsweise von flüssigem Stickstoff, in einer variablen Produktionsmenge bzw. Entnahmemenge beschrieben, wobei eine entsprechende Einzelsäule eingesetzt wird. Der Produktstrom wird in an sich bekannter Weise durch Tieftemperaturrektifikation von verdichteter Luft in einer Destillationssäule hergestellt. Bei geringerer Entnahmemenge des flüssigen Produktstroms wird die Luft lediglich mittels eines Hauptluftverdichters, bei erhöhter Entnahmemenge zusätzlich mittels eines dem Hauptluftverdichter nachgeschalteten Nachverdichters verdichtet. Die verdichteten Luftmengen und damit die Mengen der der Destillationssäule zugeführten Einsatzluft unterscheiden sich dabei in Abhängigkeit von der Entnahmemenge des flüssigen Produktstroms. Der Hauptluftverdichter kann entweder derart betrieben werden, dass die durch ihn geführte Luftmenge sich zwar abhängig von der Entnahmemenge des flüssigen Produktstroms verändert, sein Ausgangsdruck aber konstant ist, oder es kann ein variabler Verdichter verwendet werden, der eine Erhöhung des Drucks der vergrößerten Luftmenge ermöglicht.
Für die Tieftemperaturrektifikation benötigte Kälte wird gemäß der US 8 429 933 B2 durch Entspannen und Anwärmen eines sauerstoffreichen Gasstroms aus der Destillationssäule bereitgestellt, dessen Menge mit der Menge der Einsatzluft schwankt. Zur Entspannung des sauerstoffreichen Gasstroms kann eine drehzahlvariable Entspannungsturbine eingesetzt werden, die mit einem Generator gekoppelt sein kann.
Eine variabler Betrieb von Verdichtern kann sich unter bestimmten Umständen als nachteilig erweisen. Es besteht weiterhin der Bedarf nach Verbesserungen bei entsprechenden Verfahren und Luftzerlegungsanlagen.
Offenbarung der Neuerung
Vor diesem Hintergrund werden eine Luftzerlegungsanlage und eine Steuereinrichtung für eine derartige Luftzerlegungsanlage gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Schutzansprüche vorgeschlagen. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Neuerung
Die hier beanspruchte Luftzerlegungsanlage weist ein Destillationssäulensystem, das eine oder mehrere Destillationssäulen umfasst, einen oder mehrere Luftverdichter und einen Hauptwärmetauscher auf. Es sind Mittel vorgesehen die dafür eingerichtet sind, Einsatzluft in einer Einsatzluftmenge durch den oder die Luftverdichter zu führen und dort auf ein vorgegebenes Druckniveau zu verdichten, sowie die Einsatzluft anschließend ganz oder teilweise in dem Hauptwärmetauscher abzukühlen und in das Destillationssäulensystem einzuspeisen.
Ferner sind Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, dem Destillationssäulensystem ein unter Verwendung der in das Destillationssäulensystem eingespeisten Einsatzluft erzeugtes flüssiges Luftprodukt in einem ersten Betriebsmodus in einer ersten und in einem zweiten Betriebsmodus in einer zweiten Entnahmemenge zu entnehmen, wobei die erste Entnahmemenge um mehr als 10 Prozent größer als die zweite Entnahmemenge ist. Es ist vorgesehen, dass die Einsatzluftmenge in dem ersten Betriebsmodus um nicht mehr als 10 Prozent von der Einsatzluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus abweicht bzw. dass die Einsatzluftmenge in dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus derart bemessen ist, dass sie zur Bereitstellung der ersten Entnahmemenge des flüssigen Luftprodukts in dem ersten Betriebsmodus ausreicht.
Mit anderen Worten wird im Rahmen der hier vorgeschlagenen Neuerung die Einsatzluftmenge nicht oder nur kaum verändert, wenn die Entnahmemenge des flüssigen Luftprodukts verändert wird. Die Einsatzluftmenge wird also im Gegensatz beispielsweise zur US 8 429 933 B2 nicht oder nur kaum verringert, wenn die Entnahmemenge des flüssigen Luftprodukts verringert wird.
Die ”Einsatzluft” bezeichnet hier die in einem oder mehreren Verdichtern einer entsprechenden Anlage erstmalig und insbesondere stromauf eines Hauptwärmetauschers verdichtete Luft, beispielsweise die durch einen Hauptluftverdichter verdichtete Luft. Ein oder mehrere hierbei eingesetzte Verdichter können also kontinuierlich mit gleichem Durchsatz betrieben werden. Dies schließt aber nicht aus, dass nachgeordnete Verdichter, die die bereits verdichtete Einsatzluft oder aus dieser gebildete Fraktionen oder Ströme verdichten, mit unterschiedlichem Durchsatz betrieben werden können, beispielsweise ein Kreislaufverdichter wie unten im Rahmen der Figurenbeschreibung beschrieben. Mit besonderem Vorteil eignet sich die vorliegende Neuerung zur Gewinnung von flüssigem Stickstoff als dem flüssigen Luftprodukt; beispielsweise kann ein Einsäulensystem zum Einsatz kommen.
Die Neuerung kann jedoch für sämtliche Arten von Luftzerlegungsanlagen mit unterschiedlichen Destillationssäulensystemen zweckmäßig sein. Ein Beispiel für eine Luftzerlegungsanlage, bei der die Entnahmemenge eines flüssigen Luftprodukts, dort Stickstoff, schwanken kann, aber die Einsatzluftmenge nicht oder nur kaum verändert wird, findet sich beispielsweise in der EP 1 134 525 B1 . Es können jedoch auch andere Luftzerlegungsanlagen zweckmäßiger Art zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann auch die in der US 8 429 933 B2 vorgeschlagene Luftzerlegungsanlage in einer Weise modifiziert werden, die keine oder nur eine geringe Schwankung der Einsatzluftmenge bei schwankenden Entnahmemengen flüssiger Luftprodukte ermöglicht. Auch Luftzerlegungsanlagen, die andere flüssige Luftprodukte als Stickstoff oder stickstoffreiche Fluide bereitstellen, können von der vorliegenden Neuerung profitieren.
Ein ”(Luft-)Verdichter” ist im Sprachgebrauch dieser Anmeldung 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 in die Luftzerlegungsanlage eingespeiste Luftmenge, also die Einsatzluft, geführt wird. Ein ”Nachverdichter”, in dem typischerweise ein Teil der im Hauptverdichter 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. Die vorliegende Neuerung kann in Luftzerlegungsanlagen mit beliebigen Luftverdichtern und Luftverdichterkombinationen eingesetzt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Neuerung werden vorteilhafterweise sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Betriebsmodus die gleiche Anzahl an Verdichtern bzw. Verdichterstufen (sofern mehrstufige Verdichter vorgesehen sind) zur Verdichtung der Einsatzluft eingesetzt und von dieser durchströmt, es werden also nicht einzelne Verdichter zu- oder abgeschaltet, wie beispielsweise in der US 8 429 933 B2 in einer Ausgestaltung vorgeschlagen. Auch müssen im Rahmen der vorliegenden Neuerung vorteilhafterweise keine drehzahlvariablen Verdichter zum Einsatz kommen. Ein oder mehrere eingesetzte Verdichter werden im Rahmen dieser Neuerung vorteilhafterweise auf den Fall der maximalen Entnahmemenge des flüssigen Luftprodukts ausgelegt und kontinuierlich mit einem entsprechenden Luftdurchsatz betrieben.
Besonders vorteilhaft ist eine Luftzerlegungsanlage bei dem die erste Entnahmemenge um mehr als 20, 30, 40, 50, 100, 200, 300, 400 oder 500 Prozent größer als die zweite Entnahmemenge ist, also eine besonders flexible Variation der Entnahmemenge des flüssigen Luftprodukts zulässt.
Gleichzeitig weicht in einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage die Einsatzluftmenge in dem ersten Betriebsmodus um nicht mehr als 5, 4, 3, 2 oder 1 Prozent von jener in dem zweiten Betriebsmodus ab, so dass ein oder mehrere zum Einsatz kommende Verdichter kontinuierlich durchlaufen können. Insbesondere kann die Einsatzluftmenge in dem ersten Betriebsmodus auch völlig gleich zu der Einsatzluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus sein.
Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass, wenn der oder die Luftverdichter einen oder mehrere Radialverdichter oder eine oder mehrere Radialverdichterstufen umfassen, Mittel vorgesehen sind, den oder die Radialverdichter oder die Radialverdichterstufen(n) in dem ersten Betriebsmodus mit einer ersten und in dem zweiten Betriebsmodus mit einer zweiten Drehzahl zu betreiben, wobei sich die erste Drehzahl um nicht mehr als 10, 5, 4, 3, 2 oder 1 Prozent von der zweiten Drehzahl unterscheidet. Die Drehzahlen können einander dabei auch völlig gleichen.
Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, durch den oder die Luftverdichter eine Gesamtluftmenge zu führen, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus um nicht mehr als 10, 5, 4, 3, 2 oder 1 Prozent unterscheidet. Auch die Gesamtluftmengen können einander gleichen.
Eine Steuereinheit für eine Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem, das eine oder mehrere Destillationssäulen umfasst, einem oder mehreren Luftverdichtern und einem Hauptwärmetauscher ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Neuerung. Die Steuereinheit steuert Mittel an, die dafür eingerichtet sind, Einsatzluft in einer Einsatzluftmenge durch den oder die Luftverdichter zu führen und in diesem zu verdichten, sowie die Einsatzluft anschließend ganz oder teilweise in dem Hauptwärmetauscher abzukühlen und in das Destillationssäulensystem einzuspeisen.
Die Steuereinheit steuert ferner Mittel an, die dafür eingerichtet sind, dem Destillationssäulensystem ein unter Verwendung der in das Destillationssäulensystem eingespeisten Einsatzluft erzeugtes flüssiges Luftprodukt in einem ersten Betriebsmodus in einer ersten und in einem zweiten Betriebsmodus in einer zweiten Entnahmemenge zu entnehmen, wobei die erste Entnahmemenge um mehr als 10 Prozent größer als die zweite Entnahmemenge ist. Es ist vorgesehen, dass die Einsatzluftmenge in dem ersten Betriebsmodus um nicht mehr als 10 Prozent von der Einsatzluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus abweicht.
Zu Merkmalen und Vorteilen der Steuereinheit wird auf die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile der Luftzerlegungsanlage ausdrücklich verwiesen.
Die Neuerung sowie weitere Einzelheiten der Neuerung werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage, die der vorliegenden Neuerung zugrunde gelegt werden kann, in schematischer Darstellung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist eine mit einem Einsäulensystem versehene Luftzerlegungsanlage schematisch veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet. Eine Steuereinrichtung der Luftzerlegungsanlage 100 ist mit 200 bezeichnet.
Der Luftzerlegungsanlage 100 wird Einsatzluft in Form eines Stoffstroms a zugeführt, der beispielsweise in einer nicht dargestellten Filtereinrichtung von Partikeln befreit und anschließend einem oder mehreren Luftverdichtern 1 zugeführt wird. Der oder die Luftverdichter können in unterschiedlicher Konfiguration bereitgestellt sein und beispielsweise einen oder mehrere Hauptluftverdichter und einen oder mehrere Nachverdichter umfassen. Nach einer Kühlung in einem nicht gesondert bezeichneten Nachkühler wird der verdichtete Strom beispielsweise einer an sich bekannten adsorptiven Reinigungseinrichtung 2 zugeführt und dort beispielsweise von Wasser und Kohlendioxid befreit.
Die verdichtete und gereinigte Einsatzluft, nun als Stoffstrom b veranschaulicht, steht unter einem Druck von beispielsweise etwa 3,5 bar. Die Einsatzluft des Stroms b wird in einem Hauptwärmetauscher 3 auf etwa Taupunkt abgekühlt und in Form eines Stoffstroms c einer Einzelsäule 4 an einer Zwischenstelle zugeführt. Die Erfindung kann auch mit anderen Destillationssäulensystemen zum Einsatz kommen. Die Zwischenstelle liegt im vorliegenden Fall beispielsweise 5 bis 20 theoretische bzw. praktische Böden oberhalb des Sumpfs der Einzelsäule 4. Der Betriebsdruck am Sumpf der Einzelsäule 4 beträgt im vorliegenden Beispiel etwa 3,0 bar. In der Einzelsäule 4 wird eine Tieftemperaturrektifikation der Einsatzluft des Stoffstroms c vorgenommen.
Am Kopf der Einzelsäule 4 kann ein stickstoffreicher Stoffstrom d abgezogen werden, der beispielsweise noch etwa 1 ppm bis 1 ppb Sauerstoff enthalten kann. Der Stoffstrom d kann in einem Unterkühler 5 und anschließend im Hauptwärmetauscher 3 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt werden. Der erwärmte Stoffstrom d, nun mit e bezeichnet, kann einem Kreislaufverdichter 6 zugeführt werden, der beispielsweise zwei bis drei Stufen aufweist. Hinter jeder Stufe des Kreislaufverdichters 6 kann sich eine Nach- bzw. Zwischenkühlung zur Entfernung der Kompressionswärme befinden, wovon jedoch in der schematischen Zeichnung nur ein Nachkühler veranschaulicht und nicht gesondert bezeichnet ist.
Ein erster Teil des beispielsweise auf einen Druck von 9,5 bar verdichteten Stoffstroms e kann in Form des Stoffstroms f zum Hauptwärmetauscher 3 zurückgeführt, dort auf mehrere Kelvin oberhalb der Säulentemperatur der Einzelsäule 4 abgekühlt und dem Verflüssigungsraum eines Kondensatorverdampfers 7 zugeführt werden. Der Kondensatorverdampfer 7 ist in einem eigenen Behälter außerhalb der Einzelsäule 4 angeordnet. Dies stellt im vorliegenden Fall nicht nur ein apparatives Detail dar, sondern ermöglicht verfahrenstechnisch die Abkopplung des Drucks im Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers 7 vom Betriebsdruck der Einzelsäule 4. Der Stoffstrom f wird in dem Verflüssigungsraum des Kondensatorverdampfers 7 unter etwa dem Austrittsdruck des Kreislaufverdichters 6 vollständig oder nahezu vollständig verflüssigt. Die dabei gebildete stickstoffreiche Flüssigkeit wird in Form des Stoffstroms h im Unterkühler 5 unterkühlt und in Form eines Stoffstroms i und über ein nicht gesondert bezeichnetes Drosselventil auf den Kopf der Einzelsäule 4 aufgegeben.
Am Kopf der Einzelsäule 4 kann ferner ein stickstoffreicher Stoffstrom k abgezogen und als Flüssigstickstoffprodukt bereitgestellt werden. In der Zeichnung wird der Stoffstrom aus der Einzelsäule abgezogen, deren Kopf hier als Flashgasabscheider zwischen dem den Stoffstrom i drosselnden Drosselventil und der Flüssigproduktentnahme dient.
Ein zweiter Teilstrom des im Kreislaufverdichter 6 verdichteten Stoffstroms e wird als gasförmiges Stickstoffprodukt unter Druck in Form eines Stoffstroms l abgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann ein Teilstrom m des Stoffstroms e aus einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters 6 herausgeführt und bei einem Druck zwischen dem Betriebsdruck der Einzelsäule 4 und dem Enddruck des Kreislaufverdichters 6 als gasförmiges Druckstickstoffprodukt gewonnen werden. In beiden Fällen dient der Kreislaufverdichter 6 gleichzeitig als Produktverdichter.
Aus der Einzelsäule 4 wird eine sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit in Form eines Stoffstroms n abgezogen und in einen Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers 7 eingespeist. Der Stoffstrom n kann beispielsweise mittels einer Pumpe 8 auf einen Druck von 4 bis 8 bar gebracht und unter diesem erhöhten Druck oder gegebenenfalls nach leichter Drosselung über ein nicht gesondert bezeichnetes Drosselventil in den Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers 7 eingeleitet werden. Dampf, der aus dem Kondensatorverdampfer 7 unter diesem Druck abgezogen wird, kann in Form eines ersten Teilstroms o unter Drosselung mittels eines nicht gesondert bezeichneten Drosselventils zur Einzelsäule 4 zurückgeführt werden. Ein zweiter Teilstrom p kann zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 3 geführt werden. Nach Anwärmung auf eine Zwischentemperatur strömt dieser Teilstrom p Fraktion zu einer Restgasturbine 9 und kann dort arbeitsleistend auf beispielsweise etwa 1,5 bar entspannt werden. Eine parallele Entspannung (Bypass) kann in einem nicht gesondert bezeichneten Drosselventil erfolgen. Das arbeitsleistend entspannte sauerstoffangereicherte Gas des Stoffstroms p kann im Hauptwärmetauscher 3 vollständig angewärmt und in Form des Stoffstroms q beispielsweise als unreines Sauerstoffprodukt abgegeben werden.
Die in der 1 veranschaulichte Luftzerlegungsanlage 100 unterscheidet sich vom Stand der Technik, beispielsweise gemäß der US 4 400 188 A , unter anderem durch die Art der Kälteerzeugung. Diese wird hier durch arbeitsleistende Entspannung eines sauerstoffangereicherten Gases in Form des Teilstroms p aus dem Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers 7 bewerkstelligt. Eine einfache Variation des Flüssigproduktanteils wird, wie erwähnt, durch die Abkopplung des Drucks im Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers 7 vom Betriebsdruck der Einzelsäule 4 erzielt. Weitere Ausgestaltungen sind beispielsweise in den 2 bis 8 der EP 1 134 525 B1 beschrieben und eignen sich auch für die Gewinnung anderer Luftprodukte. Wie erwähnt, können jedoch auch andere Typen von Luftzerlegungsanlagen zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann auch die in der US 8 429 933 B2 oder der US 4 400 188 A vorgeschlagene Luftzerlegungsanlage in einer Weise modifiziert bzw. betrieben werden, die keine oder nur eine geringe Schwankung der Einsatzluftmenge bei schwankenden Entnahmemengen flüssiger Luftprodukte ermöglicht, beispielsweise wie nachfolgend beschrieben.
Um die Verdampfung unter dem erhöhten Druck zu gewährleisten, muss auch auf der Verflüssigungsseite des Kondensatorverdampfers 7 ein entsprechend erhöhter Druck von etwa 9 bar herrschen, d. h. der Kreislaufverdichter 6 muss einen entsprechend hohen Enddruck aufweisen. Der Vorteil der Abkoppelung des Kondensatorverdampfers 7 vom Betriebsdruck der Säule erschöpft sich nicht in einer etwas größeren Kälteleistung der Restgasturbine 9, die eine Folge des höheren Eintrittsdrucks ist. Vielmehr kann durch diese Maßnahme die Flüssigproduktion (hier in Form des Stoffstroms k) mit relativ einfachen Mitteln in einem Bereich von etwa 0 bis 4,3% der Einsatzluftmenge variiert werden. Das Umschalten zwischen den Betriebsfällen funktioniert folgendermaßen:
Um beispielsweise maximale Flüssigproduktion zu erreichen, wird zunächst die Abgabe an gasförmigem Stickstoff (in Form des oder der Stoffströme l und/oder m) reduziert, wobei der Kreislaufverdichter 6 unverändert mit konstantem Durchsatz und konstantem Enddruck weiterläuft, ebenso wie der oder die Luftverdichter 1. Es wird also mehr Stickstoff zum Kondensatorverdampfer 7 geführt und damit mehr Flüssigkeit in Form des Stoffstroms i auf die Einzelsäule 4 aufgegeben. Durch das erhöhte Rücklaufverhältnis in der Einzelsäule i fällt die Sauerstoffkonzentration im Sumpf ab. Als Folge hiervon erhöht sich der Verdampfungsdruck der sauerstoffangereicherten Fraktion (aus dem Stoffstrom n) im Verdampfungsraum des Kondensatorverdampfers 7 von beispielsweise 3 bar bei maximaler Entnahmemenge des oder der Stoffströme m bzw. n auf bis zu beispielsweise 6 bar im Fall maximaler Flüssigkeitsentnahme in Form des Stoffstroms k. Dies führt wiederum zur Erhöhung von Eintrittsdruck und Durchsatz an der Restgasturbine 9. Hierdurch steht eine entsprechend erhöhte Kälteleistung für die angestrebte zusätzliche Produktverflüssigung zur Verfügung. Der in die Einzelsäule 4 zurückströmende Dampf des Stoffstroms o wird so abgedrosselt, dass der Betriebsdruck der Einzelsäule 4 konstant bleibt. Die Flüssigkeitsproduktion kann soweit erhöht werden, dass in Form des oder der Stoffströme 1 und/oder m keinerlei gasförmiges Druckstickstoffprodukt mehr abgegeben wird, sondern der gesamte erzeugte Stickstoff in Form des Stoffstroms i als Flüssigprodukt gewonnen wird.
Um den umgekehrten Fall, die maximale Druckgasproduktion mit einer Flüssigproduktion von beispielsweise 0% der Einsatzluftmenge, zu erreichen, wird genau umgekehrt verfahren. Der Kondensatorverdampfer 7 wird dann verdampfungsseitig mit einem Druck gefahren, der etwa 0,2 bar höher als der Druck am Sumpf der Einzelsäule 4 ist; die beiden Drücke können im Extremfall auch gleich sein. In dieser Verfahrensweise ergibt sich dennoch eine Energieeinsparung von etwa 30% gegen über einem Standard-Stickstoffgenerator.
Der oder die Luftverdichter 1 und der Kreislaufverdichter 6 können im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in einer Kombimaschine zusammengefast und mit einem gemeinsamen Antrieb versehen werden. Die Kennlinie des Apparats kann vollautomatisch zwischen den oben erwähnten extremen Betriebsfällen und jedem dazwischenliegenden Fall hin- und hergefahren werden, ohne dass die Verdichtungsmaschinen (Luftverdichter und Kreislaufverdichter) nachgeregelt werden müssen. Angepasst werden müssen lediglich die Restgasturbine und die Menge des gasförmigen Produktstickstoffs in Form des oder der Stoffströme l und/oder m.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8429933 B2 [0006, 0007, 0012, 0014, 0016, 0034]
EP 1134525 B1 [0014, 0034]
US 4400188 A [0034, 0034]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, ”Cryogenic Rectification” [0002]

Claims

Luftzerlegungsanlage (100), die ein Destillationssäulensystem mit einer oder mehreren Destillationssäulen (4), einen oder mehrere Luftverdichter (1) und einen Hauptwärmetauscher (3) umfasst, wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, Einsatzluft in einer Einsatzluftmenge durch den oder die Luftverdichter (1) zu führen und dort zu verdichten und die Einsatzluft anschließend ganz oder teilweise in dem Hauptwärmetauscher (3) abzukühlen und in das Destillationssäulensystem einzuspeisen, und wobei ferner Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, dem Destillationssäulensystem ein unter Verwendung der in das Destillationssäulensystem eingespeisten Einsatzluft erzeugtes flüssiges Luftprodukt in einem ersten Betriebsmodus in einer ersten und in einem zweiten Betriebsmodus in einer zweiten Entnahmemenge zu entnehmen, wobei die erste Entnahmemenge um mehr als 10 Prozent größer als die zweite Entnahmemenge ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluftmenge in dem ersten Betriebsmodus um nicht mehr als 10 Prozent von der Einsatzluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus abweicht.
Luftzerlegungsanlage (100), die ein Destillationssäulensystem mit einer oder mehreren Destillationssäulen (4), einen oder mehrere Luftverdichter (1) und einen Hauptwärmetauscher (3) umfasst, wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, Einsatzluft in einer Einsatzluftmenge durch den oder die Luftverdichter (1) zu führen und dort zu verdichten und die Einsatzluft anschließend ganz oder teilweise in dem Hauptwärmetauscher (3) abzukühlen und in das Destillationssäulensystem einzuspeisen, und wobei ferner Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, dem Destillationssäulensystem ein unter Verwendung der in das Destillationssäulensystem eingespeisten Einsatzluft erzeugtes flüssiges Luftprodukt in einem ersten Betriebsmodus in einer ersten und in einem zweiten Betriebsmodus in einer zweiten Entnahmemenge zu entnehmen, wobei die erste Entnahmemenge um mehr als 10 Prozent größer als die zweite Entnahmemenge ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluftmenge in dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus derart bemessen ist, dass sie zur Bereitstellung der ersten Entnahmemenge des flüssigen Luftprodukts in dem ersten Betriebsmodus ausreicht.
Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Entnahmemenge um mehr als 20, 30, 40, 50, 100, 200, 300, 400 oder 500 Prozent größer als die zweite Entnahmemenge ist.
Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einsatzluftmenge in dem ersten Betriebsmodus um nicht mehr als 5, 4, 3, 2 oder 1 Prozent von jener in dem zweiten Betriebsmodus abweicht.
Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einsatzluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus gegenüber dem ersten Betriebsmodus um nicht mehr als 5, 4, 3, 2 oder 1 Prozent reduziert wird.
Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der oder die Luftverdichter (1) einen oder mehrere Radialverdichter oder eine oder mehrere Radialverdichterstufen umfassen.
Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 4, bei dem Mittel vorgesehen sind, den oder die Radialverdichter oder die Radialverdichterstufen(n) in dem ersten Betriebsmodus mit einer ersten und in dem zweiten Betriebsmodus mit einer zweiten Drehzahl zu betreiben, wobei sich die erste Drehzahl um nicht mehr als 10, 5, 4, 3, 2 oder 1 Prozent von der zweiten Drehzahl unterscheidet.
Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem Mittel vorgesehen sind, durch den oder die Luftverdichter (1) eine Gesamtluftmenge zu führen, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus um nicht mehr als 10, 5, 4, 3, 2 oder 1 Prozent unterscheidet.
Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Gesamtluftmenge gleich der Einsatzluftmenge ist.
Steuereinheit (200) für eine Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem, das eine oder mehrere Destillationssäulen (4) umfasst, einem oder mehreren Luftverdichtern (1) und einem Hauptwärmetauscher (3), wobei die Steuereinheit (200) Mittel ansteuert, die dafür eingerichtet sind, Einsatzluft in einer Einsatzluftmenge durch den oder die Luftverdichter (3) zu führen und in diesem auf ein vorgegebenes Druckniveau zu verdichten, sowie die Einsatzluft anschließend ganz oder teilweise in dem Hauptwärmetauscher (3) abzukühlen und in das Destillationssäulensystem einzuspeisen, und wobei die Steuereinheit (200) ferner Mittel ansteuert, die dafür eingerichtet sind, dem Destillationssäulensystem ein unter Verwendung der in das Destillationssäulensystem eingespeisten Einsatzluft erzeugtes flüssiges Luftprodukt in einem ersten Betriebsmodus in einer ersten und in einem zweiten Betriebsmodus in einer zweiten Entnahmemenge zu entnehmen, wobei die erste Entnahmemenge um mehr als 10 Prozent größer als die zweite Entnahmemenge ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluftmenge in dem ersten Betriebsmodus um nicht mehr als 10 Prozent von der Einsatzluftmenge in dem zweiten Betriebsmodus abweicht.