DE3012062A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von gasfoermigen sauerstoff - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von gasfoermigen sauerstoff

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DE3012062A1 DE19803012062 DE3012062A DE3012062A1 DE 3012062 A1 DE3012062 A1 DE 3012062A1 DE 19803012062 DE19803012062 DE 19803012062 DE 3012062 A DE3012062 A DE 3012062A DE 3012062 A1 DE3012062 A1 DE 3012062A1
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Helmar 8192 Geretsried Güther
Dietmar 8000 München Winkler
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Description

-fr.
LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
H II85 H 8O/19
Fa/fz 25. März I98O
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff durch Tieftemperaturrektifikation von Luft, bei dem die Luft in einem Verdichter komprimiert, gekühlt und einer Rektifiziereinrichtung zugeführt wird, aus der Sauerstoff als Produkt entnommen wird, wobei Schwankungen der Sauerstoffabnahmemenge durch Speicherung von überschüssig produziertem Sauerstoff in flüssiger Form bzw. zusätzlichem Verdampfen von gespeichertem Sauerstoff ausgeglichen werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren ist in der DE-OS 26 05 647 beschrieben worden. Es ist geeignet zur Erzeugung einer zeitlich veränderlichen Menge von Sauerstoff, wie sie z.B. bei der Reinigung von Abwasser benötigt wird. Die Menge des benötigten Sauerstoffs hängt ab von der Menge der Schmutzfracht, die wiederum starken tageszeitliehen und saisonalen Schwankungen unterliegt. In der Luftzerlegungsanlage wird eine zeitlich konstante Menge Sauerstoff erzeugt. Sofern der ^jitsächliche Bedarf an Sauerstoff geringer als die produzierte Menge ist, wird der überschüssige
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Sauerstoff in flüssiger Form gespeichert. Im umgekehrten pail, wenn·mehr Sauerstoff benötigt wird als mit der Luftzerlegungsanlage produziert werden kann, wird zusätzlich gespeicherter Sauerstoff verdampft und abgegeben. Das Verdampfen bzw. Kondensieren von Sauerstoff erfolgt durch gleichzeitiges Kondensieren bzw. Verdampfen eines Hilfsfluids, z.B. Stickstoff. Diese Verfahrensweise ist unter der Bezeichnung Wechse!speicherung bekannt.
Bei der Weohse!speicherung kann in wirtschaftlich vertretbarer Weise nur eine begrenzte Menge Sauerstoff gespeichert werden. Wegen der begrenzten Speicherkapazität können nur periodisch auftretende Bedarfsschwankungen um einen Mittelwert ausgeglichen werden, und dies auch nur in bestimmten Grenzen und über begrenzte Zeiträume, die durch das zur Verführung stehende Speichervolumen festgelegt sind. Die Wechse!speicherung ist außerdem nicht in der Lage, Änderungen des Mittelwertes des Sauerstoffbedarfs auszugleichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das sich durch einen niedrigen und zeitlich weitgehend konstanten Energiebedarf auch bei stark schwankender Sauerstoffabnahmemenge auszeichnet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei erhöhtem Bedarf an Sauerstoff dem Verdichter mindestens ein zweiter Verdichter in Parallelschaltung zugeschaltet wird, wobei jeder Verdichter unter Vollast für sich allein jeweils nur einen Teil der in der Rektifiziereinrichtung verarbeitbaren Luftmenge liefert.
Gemäß der Erfindung ist ein Verdichter als sogenannter Grundlastverdichter ständig in Betrieb. Der Grundlastver-
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dichter komprimiert nur einen Teil der Luftmenge, die in der Rektifiziereinrichtung maximal verarbeitet werden kann. In der Rektifiziereinrichtung wird hierbei eine konstante Säuerstoffmenge produziert, die geringer ist als die maximal produzierbare Menge. Schwankungen im Sauerstoffverbrauch um die produzierte Menge werden durch Wechse!speicherung ausgeglichen. Sobald der mittlere Sauerstoffbedarf über die Leistung des Grundlastverdichters hinaus ansteigt, wird ein zweiter sowie gegebenenfalls weitere Verdichter parallel zum Grundlastverdichter zugeschaltet. Mit den zusätzlichen Verdichtern wird eine größere, wiederum zeitlich konstante Luftmenge in die Rektifiziereinrichtung gefördert und eine entsprechend größere Sauerstoffmenge produziert. Verbrauchsschwankungen um die produzierte Menge werden wiederum durch Wechse!speicherung ausgeglichen.
Durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß größere Schwankungen im Sauerstoffbedarf nicht mehr durch die Wechse!speicherung ausgeglichen werden, sondern durch Zuschalten oder Abschalten zusätzlicher Luftverdichter. Die Verdichter laufen jeweils unter Vollast, also mit günstigste Wirkungsgrad. Die Verdichter sind so ausgelegt, daß mit ihnen die am häufigsten benötigen mittleren Sauerstoffmengen ohne Benutzung der Wechse!speicherung produziert werden können. Kleinere Schwankungen .um diese Mittelwerte werden durch die Wechselspeicherung ausgeglichen. Mit gleichbleibendem niedrigem spezifischen Energiebedarf lassen sich somit verschiedene Sauer-, stoffmengen produzieren.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes werden von den Verdichtern unter Vollast unterschiedliche Luftmengen gefördert.
Hierdurch lassen sich die Varlationsmöglichkeiten für die
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Sauerstoff-Produktmenge erhöhen. Beispielsweise mit zwei Verdichtern mit verschiedenen Fördermengen werden drei verschiedene Sauerstoff-Fördermengen erreicht, nämlich zweierlei Fördermengen, wenn die Verdichter einzeln betrieben werden und eine dritte Fördermenge, wenn beide gleichzeitig betrieben werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes liefert einer der Verdichter ca. 45#, ein zweiter ca. 55$ der in der Rektifiziereinrichtung maximal vererbeUr Γ*· baren Luftmenge.
Es erweist sich als zweckmäßig, wenn in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Luft nach ihrer Verdichtung einer in Wechselschaltung betriebenen Molsiebadsorberstation zugeführt und das Zuschalten eines zusätzr liehen Verdichters immer nur gleichzeitig mit dem Umschalten der Molsiebadsorber durchgeführt wird.
Die von den Verdichtern kommende Luft wird in Molsiebadsorbern von Wasser, Kohlendioxid und sonstigen Verunreinigungen gereinigt, wobei die Molsiebadsorber abwechselnd mit Luftverunreinigungen beladen und von Regeneriergas gereinigt werden. Als Regeneriergas wird bevorzugt ein Zerlegungsprodukt aus der Rektifiziereinrichtung verwendet. Das Zuschalten weiterer Verdichter zum Zeitpunkt des Umschaltens der Adsorber dient dem Zweck, daß immer in ausreichender Menge Regenerier« gas zur Verfügung steht.
Wenn ein Verdichter abgeschaltet wird, verringert sich automatisch die Menge des als Regeneriergas verwendeten Zerlegungsprodukts. Ist der Adsorber zum Beispiel mit der Venture inigungs menge beladen, die einer von zwei Verdichtern gelieferten Luftmenge entspricht, und wird ein Verdichter abgeschaltet, so reicht die Regeneriergasmenge, die aufgrund
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der verringerten Luftzuführung noch produziert wird, nicht mehr aus, um den Molsiebadsorber vollständig zu regenerieren.
Aus diesem Grund ist es günstig, durch zusätzliche Maßnahmen in dem dem Abschalten eines Verdichters vorausgehenden Schalttakt der Adsorber einen Teil der Luftverunreinigungen bereits vor dem Molsiebadsorber aus der Luft zu entfernen, beispielsweise durch ein Auskondensieren oder Ausfrieren, oder in dem auf das Abschalten folgenden Schalttakt die Regenerierung des beladenen Molsiebadsorbers unterstützen, z.B. durch Erhitzen des Molsiebadsorbers oder überleiten einer zusätzlichen Regeneriergasmenge.
Es ist von Vorteil, wenn das Zuschalten und Abschalten des zusätzlichen Verdichters zu fest vorgegebenen Zeiten durchgeführt wird. Die Laufzeit der Verdichter wird nach den am Verbraucher gemessenen und gemittelten Sauerstoffverbrauchswerten über eine Zeituhr von Hand oder über einen Rechner automatisch eingestellt.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt einen Verdichter für die zu zerlegende Luft, eine nachfolgende Rektifiziereinrichtung und eine die Rektifiziereinrichtung mit einem Speicherbehälter verbindende Entnahmeleitung für flüssigen Sauerstoff, und ist gekennzeichnet durch mindestens einen zweiten Verdichter, der in Parallelschaltung zu dem Verdichter angeordnet ist.
Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Verdichter für unterschiedliche Fördermengen ausgelegt sind.
Weitere Einzeihe it ρ·± der vorliegenden Erfindung werden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher
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Is-
•j beschrieben.
Hierbei zeigt die Figur ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Erzeugung einer zeitlich veränderlichen Menge von Sauerstoff, wie sie beispielsweise zur Versorgung von nach dem Reinstoffverfahren arbeitenden biologischen Abwasseranlagen benötigt wird. Der Sauerstoffbedarf unterliegt dort analog zu den Schmutzfrachtschwankungen ständigen Schwankungen.
Zu zerlegende Luft 1,2 wird in Luftfiltern 3» ^ von Staubteilchen befreit und gelangt in Verdichter 5» 6 in denen sie auf etwa 5 bar verdichtet wird. Gemäß der Erfindung sind mehrere Verdichter - im gezeigten Beispiel zwei Verdichter 5, 6 - parallel zueinander geschaltet und werden je nach Bedarf einzeln oder zusammen betrieben, wie später noch näher erläutert werden wird.
Die verdichtete Luft wird in einen Wärmetauscher 7 in Wärmetausch mit Stickstoff aus der LuftZerlegungseinrichtung sowie in einem Nachkühler 8 auf etwa 200C abgekühlt. Auskondensierende Bestandteile der Luft werden in einem Abscheider 9 aus der Luft abgetrennt.
Die Luft gelangt nunmehr in zwei abwechselnd beladene und regenerierte Molsiebadsorber 10a, 10b, in denen vor allem Wasser und Kohlendioxid aus der Luft abgetrennt werden. In einem Wärmetauscher 11 wird die Luft anschließend bis auf etwa -l6o°C gekühlt und der Druckstufe 12 der Rektifiziereinrichtung zugeführt. Eine sich im Sumpf der Druckstufe 12 bildende sauerstoffreiche Flüssigkeit wird durch einen Teil eines Wärmetauschers 14 geleitet, in der sie in Wärmetausch mit gasförmigem Stickstoff abgekühlt wird. Die abgekühlte sauerstoff-
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reiche Flüssigkeit wird dann in die Niederdruckstufe 13 der Rektifiziereinrichtung eingedrosselt. Am Kopf der Druckstufe 12 der Rektifiziereinrichtung fällt reiner gasförmiger Stickstoff an, der nach RUckkondensation in einem Kondensator 25 mittels flüssigem Sauerstoff und in einem sogenannten Kryogenerator 22 jeweils zu einem Teil der Niederdruckstufe 13 der Rektifiziereinrichtung (nach Abkühlung im Wärmetauscher lh) als Waschflüssigkeit und über eine Pumpe 27 einem Vorratsbehälter 28 zugeführt wird. Aus dem Vorratsbehälter 28 wird die für die Druckstufe 12 der Rektifiziereinrichtung benötigte Waschflüssigkeitsmenge entnommen. Aus dem Sumpf der Niederdruckstufe IJ wild reiner flüssiger Sauerstoff entnommen und einem Vorratsbehälter 15 zugeführt.
über den Kopf der Niederdruckstufe 13 wird gasförmiger Stickstoff entnommen, im Wärmetauscher 14 im Wärmetausch mit flüssigem Stickstoff aus dem Kondensator und mit sauerstoffreicher Flüssigkeit aus dem Sumpf der Niederdrucksäule erwärmt, im Wärmetauscher 11 gegen die eintretende, zu zerlegende Luft weiter erwärmt und anschließend in zwei Teilströme aufgeteilt:
Der erste Teilstrom wird in Wärmetauscher 7 im Wärmetausch mit zu zerlegender Luft sowie in einem nachfolgenden Elektroerhitzer 16 erhitzt und anschließend einem der beiden MoI-siebadsorber 10a bzw. 10b zugeführt. Dieser Teilstrom dient als Regenerlergas für die Molsiebadsorber 10a, 10b und wird nach Verlassen des betreffenden Molsiebadsorbers lOa bzw. 10b als Abgas aus der Anlage geführt (Pfeil 19).
In einer nachfolgenden Phase der Regenerierung muß der aufgeheizte Adsorber 10a bzw. 10b wieder abgekühlt werden. Dazu wird der erste Teilstrom über ein Umschaltventil 17 und eine Leitung 17 a an dem Wärmetauscher 7 un dem Elektroer- . hitzer 16 vorbei dielet dem Adsorber 10a bzw. 10b zugeführt.
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Der zweite Teilstrom, bei dem es sich um einen eventuellen Regeneriergasüberschuß handelt, wird mit einer Regelarmatur 18 direkt als Abgas aus der Anlage geführt (Pfeil 18a)
Aus dem Speicherbehälter 15 wird über eine Leitung 20 Sauerstoff entnommen und zum Teil der Niederdruckstufe 13 zugeführt, und zum Teil über Wärmetauscher 11 geleitet, in dem sich der Sauerstoff in Wärmetausch mit eintretender Luft erwärmt. Der produzierte Sauerstoff wird bei Pfeil 21 gasförmig aus der Anlage entnommen und einem nachfolgenden Ver- ^ braucher zugeführt.
Zur Deckung von Kälteverlusten ist ein Kryogenerator 22 vorgesehen, der einen Teil des am Kopf der Druckstufe 12 der Rektifizierelnriehtung anfallenden Stickstoffes, der über Leitung 23 entnommen wird, verflüssigt.
Der Sauerstoffverbrauch einer biologischen Abwasser-Reinigungsanlage unterliegt in den meisten Fällen großen Schwankungen. Um eine energiespraende Leistungsanpassung zu erreichen, ist Je ein Speicherbehälter 15, 28 für flüssigen Sauerstoff und flüssigen Stickstoff vorgesehen.
/~v Die Reinigungsanlage ist für einen mittler·^ Sauerstoffbedarf konzipiert.
Entsprechend diesem Mittelwert wird eine konstante Luftmen»· ge in den Apparat gefahren, die auch für den Überlast- und Unterlastbereich (hervorgerufen durch die auftretenden Schmutzfrachtschwankungen der Biologie) konstant bleibt, d.h. es wird immer die gleiche Säuerstoffmenge produziert.
Wenn die gewonnene Säuerstoffmenge im Vergleich zum Momentanbedarf zu groß ist, wird der überschüssige Sauerstoff in flüssiger Form abgespeichert (Vorratsbehälter 15). Die VerForm. 8729 7.78
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flüssigung des Sauerstoffes erfolgt bei gleichzeitiger Verdampfung von im Vorratsbehälter 28 gespeichertem flüssigem Stickstoff. Wird in Zeiten höheren Bedarfs mehr Sauerstoff als die mittlere Bedarfsmenge aus der Anlage entnommen, so geschieht dieses mittels Zuspeisung von flüssigem Sauerstoff aus dem Sauerstoffbehälter und Verdampfung desselben in der Anlage, wobei nun das Kälteäquivalent des flüssigen Sauerstoffes zur erneuten Verflüssigung von Stickstoff genutzt wird.
10
Zu betonen ist, daß bei diesem Verfahren keine Flüssigkeit verbraucht wird, sondern lediglich Kälte vom Stickstoff zum Sauerstoff und umgekehrt transportiert wird,um die erforderliche Volumensreduktion vom gasförmigen in den flüssigen Zustand zwecks raumsparender und wirtschaftlicher Zwischenspei* oherung zu erreichen. Die für die Volumenkontraktion nätige Energie ist nicht verloren, sondern wird, nachdem sie erst einmal aufgewendet ist, reversibel zwischen Stickstoff und Sauerstoff hin- und hertransportiert. Es ist somit keine zusätzliche Energie für die Verflüssigung notwendig.
Stärkere Schwankungen im Sauerstoffbedarf, die nicht mehr durch die Wechselspeicherung aufgefangen werden können, werden erfindungsgemäß durch Zuschalten oder Abschalten eines oder mehrerer Luftverdichter ausgeglichen, wobei jeder Luftverdichter im eingeschalteten Zustand unter Vollast läuft; im gezeigten Beispiel wird dem Verdichter 5 ein weiterer Verdichter 6 zugeschaltet.
Einer der beiden Verdichter 5, 6, z.B. Verdichter 5, liefert eine Luftmenge, die ausreichend ist, um in der Rektifiziereinrichtung 45$ des maximal produzierbaren Sauerstoffs zu erzeugen. Der Verdichter 6 liefert eine Luftmenge, die zur Erzeugung von ir",6 der maximal produzierbaren Sauerstoffmenge ausreicht. Solange vom Verbraucher nur 45$ der maxima-Form. 5729 7.78
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len Sauerstoff-Produktmenge benötigt werden, ist nur Verdichter 6 in Betrieb. Kleinere Schwankungen in der Abnahme werden durch Speichern von flüssigem Sauerstoff im Vorratsbehälter 15 oder durch Verdampfen von zusätzlichem Sauerstoff aus dem Vorratsbehälter 15 ausgeglichen. Sobald der Sauerstoffbedarf stark ansteigt, wird gemäß der Erfindung der zweite Verdichter 6 zugeschaltet; dadurch erhöht sich die Säuerstoffproduktion auf 100$ der Kapazität der Rektifiziereinrichtung. Schwankungen im Sauerstoffbedarf werden wiederum durch die Wechselspeicherung ausgeglichen.
Durch den Erfindungsgegenstand ist es möglich, daß starke Schwankungen im Sauerstoffbedarf, wie sie beispielsweise im tageszeitlichen oder saisonalen Wechsel bei einer Abwasseranlage auftreten, durch Zuschalten oder Abschalten eines Luftverdichters ausgeglichen werden können. Der spezifische Energiebedarf pro Kilogramm Sauerstoff ist dadurch nahezu konstant.
Die Verdichter 5, 6 sind zweckmäßigerweise so ausgelegt, daß auf die jeweiligen Bedürfnisse des nachfolgenden Verbrauchers zugeschnittene und mittlere Sauerstoffmengen produziert werden können. Würde bei einer anderen Anlage beispielsweise über einen längeren Zeitraum hinweg eine Sauerstoffmenge von j50# der Maximalkapazität der Rektifiziereinrichtung ausreichen, so würde der Grundlastverdichter 5 sinnvollerweise für 30% Sauerstoff ausgelegt sein.
Das Zuschalten und Abschalten des zusätzlichen Verdichters kann beispielsweise zu fest vorgegebenen Tageszeiten oder aber entsprechend dem gemessenen momentanen Verbrauch erfolgen.
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Leerseite

Claims (8)

  1. H 1185 H 80/tq
    Fa/fz 25. März 198O
    Patentansprüohe
    Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff durch Tieftemperaturrektifikation von Luft, bei dem die Luft in einem Verdichter komprimiert, gekühlt und einer Rektifiziereinrichtung zugeführt wird, aus der Sauerstoff als Produkt entnommen wird, wobei Schwankungen der Sauerstoffabnahmemenge durch Speicherung von überschüssig produziertem Sauerstoff in flüssiger Form bzw. zusätzlichem Verdampfen von gespeichertem Sauerstoff ausgeglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei erhöhtem Bedarf an Sauerstoff dem Verdichter (5) mindestens ein zweiter Verdichter (6)in Parallelschaltung zugeschaltet wird, wobei Jeder Verdichter (5, 6) unter Volllast für sich allein jeweils nur einen Teil der in der Rektifiziereinrichtung (12, I3) verarbeitbaren Luftmenge liefert.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Verdichtern (5, 6) unter Vollast unterschiedliche Luftmengen gefördert werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
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    einer der Verdichter ca 45$, ein zweiter ca. 55$ der in der Rektifiziereinrichtung (12, 13) maximal verarbeitbaren Luftmenge liefert.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Luft nach ihrer Verdichtung einer in Wechselschaltung betriebenen Molsiebadsorberstation zugeführt und das Zuschalten eines zusätzlichen Verdichters immer nur gleichzeitig mit dem Umschalten der MoI-
    siebadsorber (10a, 10b) durchgeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem dem Abschalten eines Verdichters vorausgehenden Schalttakt der Molsiebadsorber (10a, 10b) ein Teil der
    in der Luft enthaltenen Verunreinigungen bereits vor
    den Molsiebadsorbern (10a, 10b) abgetrennt und/oder in dem auf das Abschalten folgenden Schalttakt die Regenerierung des beladenen Molsiebadsorbers durch zusätzliche Maßnahmen unterstützt wird.
    20
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Zuschalten und Abschalten des zusätzlichen Verdichters (6) zu fest vorgegebenen Zeiten durchgeführt wird.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens naoh einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Verdichter für zu zerlegende Luft, einer nachfolgenden Rektifiziereinrichtung und einer die Rektifiziereinrichtung mit einem
    Speicherbehälter verbindende Entnahmeleitung für flüssigen Sauerstoff, gekennzeichnet durch mindestens einen zweiten Verdichter (6),der in Parallelschaltung zu dem Verdichter (5) angeordnet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
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    la-
    1 die Verdichter (5, 6) für unterschiedliche Fördermengen ausgelegt sind.
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