DE3709588C2 - - Google Patents

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DE3709588C2
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Karl Dipl.-Ing. Faltejsek
Christian Linz At Buttinger
Rainer Leonding At Wawrina
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Voestalpine AG
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Zerlegung von Gasen, insbesondere Luft, mittels koaxial ineinander angeordneter Rektifikationskolonnen mit wenigstens einem Verdichter und einer Rektifikationskolonne. Das derartigen Rektifikationskolonnen unter Zwischenschaltung eines Verdichters und von Wärmetauschern zugeführte Gas kann vorangehend über Molsiebe zur zumindest teilweisen Trennung geleitet werden und es ist bekannt, daß mit derartigen Rektifikationskolonnen als hauptsächliches Verfahrensprodukt flüssiger Sauerstoff hergestellt wird. Wenn derartige Rektifikationskolonnen gemeinsam mit großen Verbrauchern betrieben werden, ist es wünschenswert die Produktion so zu steuern, daß lediglich die Menge Sauerstoff produziert wird, welche augenblicklich benötigt wird. Die Zwischenspeicherung erfordert aufwendige isolierte Behälter und eine Einrichtung zur Zerlegung von Gasen, welche kurzfristig den Bedürfnissen bezüglich des Produktes in der Produktion angepaßt werden kann. Bekannte Rektifikationskolonnen zeichnen sich dadurch aus, daß sie nur für eine bestimmte Durchsatzmenge bzw. Last ausgelegt sind und daß der Betrieb bei geringerer als der Nennlast energetisch unwirtschaftlich wird.
In der DE-OS 21 49 155 ist eine Rektifikationskolonne beschrieben, die aus einem Kolonnenmantel und einem konzentrischen Kernrohr besteht, zwischen denen sich kreisringförmige Rektifizierböden befinden.
Aus der DE-PS 5 27 876 ist eine Vorrichtung zur Zerlegung von Gasen bekanntgeworden, welche zwei miteinander verbundene Rektifikationskolonnen aufweist. Bei dieser bekannten Einrichtung ist eine innere Rektifikationskolonne von einer zweiten äußeren Kolonne vollständig umgeben.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher sowohl die Grundlast als auch die Spitzenlast in wirtschaftlicher Weise befriedigt werden kann, und mit welcher auch bei größeren Abweichungen zwischen Grund- und Spitzenlast, welche die Kapazität einer Trennsäule übersteigen, ein sicherer Betrieb ermöglicht wird. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin, daß wenigstens zwei Rektifikationskolonnen miteinander verbunden sind, wobei eine erste Rektifikationskolonne über wenigstens einen Teil ihrer Außenwand von einer äußeren Kolonne umschlossen ist, und daß die erste Kolonne gesondert von der oder den äußeren Kolonne(n) betreibbar ist und daß die innere Kolonne ein kleineres Durchsatzvolumen als die äußere(n) Kolonne(n) aufweist und insbesondere für weniger als 30% des Durchsatzvolumens der äußeren Kolonne(n) ausgelegt ist. Dadurch, daß insgesamt wenigstens zwei Rektifikationskolonnen vorgesehen sind, kann eine der beiden Kolonnen auf die Grundlast, beispielsweise auf etwa 10% des Luftdurchsatzes ausgelegt werden, wobei die die Grundlast erzeugende Rektifikationskolonne zumindest teilweise umgebende Hauptkolonne dann für die Erzeugung der Vollastmenge zugeschaltet wird, wenn dies erforderlich ist. Die Anordnung der Hauptkolonne in einer Weise, daß wenigstens ein Teil der für die Grundlast ausgelegten ersten Rektifikationskolonne umschlossen wird, ist hierbei energetisch von großem Vorteil, da die innere Kolonne dann zumindest teilweise über ihre Außenwand zur Abkühlung der Hauptkolonne und damit zur Betriebsbereitschaft der Außenkolonne beiträgt. Das Anfahren auf Vollast wird auf diese Weise wesentlich verkürzt, da die äußere Kolonne bereits auf vergleichsweise niederen Temperaturen gehalten ist. Gleichzeitig bietet die äußere Kolonne eine wirksame Isolation der inneren Kolonne im Fall, daß lediglich die innere Kolonne betrieben wird. Die Ausbildung ist hierbei so getroffen, daß jede Kolonne durch Trennwände in eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule unterteilt ist. Durch die Entspannung von einer Hochdrucksäule in eine Niederdrucksäule kann eine weitere Abkühlung erzielt werden, wodurch es zur Kondensation von flüssigem Sauerstoff kommt, welcher als Verfahrensprodukt abgezogen werden kann. Stickstoff kann aus den Hochdrucksäulen unter Verfahrensdruck und am Kopf der Niederdrucksäule abgezogen werden und zum Zwecke der Kühlung von vorgeschalteten Wärmetauschern herangezogen werden.
Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich, wenn die Ausführung so getroffen ist, daß die Hochdrucksäulen einen gemeinsamen Sumpf und gesonderte Kopfkondensatoren aufweisen. Bei Betrieb lediglich der ersten Kolonne kann in diesem Falle so vorgegangen werden, daß die Kopfprodukte der Hochdrucksäule der ersten Kolonne einem weiteren Kondensator, insbesondere dem Kopfkondensator der Hochdrucksäule der äußeren Kolonne(n), zugeführt sind. Bei einer derartigen Ausbildung kann mit einer einzigen Abzugspumpe zum Ausbringen des flüssigen Sauerstoffes gearbeitet werden. Die einzelnen Kolonnen können hierbei durch geeignete Absperrarmaturen stillgelegt werden, so daß jeweils dem augenblicklichen Bedarf Rechnung getragen werden kann. Die mindestens stickstoffseitig getrennten Kopfkondensatoren der Hochdrucksäulen der einzelnen Kolonnen ermöglichen hierbei den einwandfreien Betrieb jeder Säule gesondert und damit eine gute Anpassung an den jeweiligen Bedarf.
Zur Verbesserung der thermischen Isolation einer inneren Kolonne und zur Beschleunigung des Anfahrens äußerer Kolonnen kann die Ausbildung so getroffen sein, daß die innere Kolonne zur Gänze von einer äußeren Kolonne ummantelt ist. Die einzelnen Kolonnen können hierbei koaxial ineinander angeordnet sein, wobei die Unterteilung in die Hochdrucksäule bzw. in die Niederdrucksäule jeder einzelnen Kolonne durch die Achse schneidende Trennwände erzielt werden kann.
Durch die Ausbildung, bei welcher die Hochdrucksäulen einen gemeinsamen Sumpf und gesonderte Kopfkondensatoren aufweisen, läßt sich ein besonders rasches Inbetriebnehmen einzelner oder aller Kolonnen erzielen. Um den Energieverbrauch beim Betrieb einer Teilmenge der Kolonnen und damit im Teillastfall zu verbessern, ist eine der Anzahl der Kolonnen entsprechende Anzahl von Verdichtern vorgesehen. Jeder dieser Verdichter ist hierbei antriebsmäßig auf die geforderte Duchsatzmenge angepaßt, so daß auch die Verdichter nicht in einem ungünstigen Leistungsbereich im Teillastfall arbeiten müssen. Eine weitere Verbesserung der Energiebilanz ergibt sich, wenn die Kondensatoren zur Kopfkühlung als Sumpfaufkocher für die zugehörige Niederdrucksäule angeordnet sind.
Um die Möglichkeit zu schaffen, den als Verfahrensprodukt nicht benötigten Gasanteil, insbesondere den Hochdruckstickstoff bzw. den Niederdruckstickstoff, für weitere Aufgaben zur Verbesserung der Energiebilanz heranzuziehen, kann die Ausbildung so getroffen sein, daß die Kopfprodukte der Niederdrucksäulen der Kolonnen gesondert abführbar sind. Bei einer derartigen Ausbildung ist es in besonders einfacher Weise möglich so vorzugehen, daß wenigstens eine Teilmenge des aus der oder den Hochdrucksäulen abgezogenen Druckgases über einen Wärmetauscher einem Verdichter zugeführt ist und nach neuerlichem Abkühlen in diesem Wärmetauscher einer mit dem Verdichter antriebsmäßig gekuppelten Expansionsturbine zugeführt und in entspanntem und knapp über dem Kondensationspunkt abgekühlten Zustand neuerlich über den Wärmetauscher geführt ist. Durch die mit dem Verdichter antriebsmäßig gekuppelte Expansionsturbine läßt sich in diesem Falle die Energieausbeute noch weiter erhöhen.
Um das Anfahren einer abgestellten äußeren Kolonne zu erleichtern und zu beschleunigen, kann bei jeweils abgestellter äußerer Kolonne ein sich bildendes Kondensat einem Zwischenspeicher zuführbar sein, welcher bei Inbetriebnahme der jeweils äußeren Kolonne(n) in den gemeinsamen Sumpf der Hochdrucksäulen der Kolonnen entleerbar ist.
Der wesentliche Vorteil einer derartigen Ausbildung besteht hierbei vor allen Dingen darin, daß die jeweils abgestellten Kolonnen durch Wärmeaustausch mit der oder den noch in Betrieb befindlichen Kolonnen kalt gehalten werden, so daß auch dadurch das Anfahren auf Vollastmenge beschleunigt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch ausgeführten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung sind der Übersichtlichkeit halber die üblicherweise vorgesehenen Adsorberkreisläufe zur Reinigung der Flüssigkeiten von Kohlenwasserstoffen, ebenso wie die Wärmetauscher zwischen Kopfprodukten gegen die aufsteigenden Flüssigkeiten und die Temperaturregelung vor den Expansionsturbinen weggelassen.
Ein Luftverdichter 1 fördert über eine hier nicht dargestellte Molsieb-Vorrichtung über einen Hauptwärmetauscher 2 in den gemeinsamen Sumpf 3 der zwei koaxial ineinander angeordneten Kolonnen. Ein Teilstrom der verdichteten Luft wird über einen überkritischen Sauerstoff-Verdampfer 4 geführt und über ein Ventil 5 so geregelt, daß die Sauer­ stoff-Austrittstemperatur des Sauerstoff-Verdampfers knapp unter der Luft-Eintrittstemperatur liegt.
Eine erste, kleinere Kolonne für die Grundlast ist aus einem Kondensator 6, aus einer Hochdrucksäule 7 und einer Niederdrucksäule 8 aufgebaut. Der Kondensator 6 zwischen der Hochdrucksäule 7 und der Niederdrucksäule 8 kondensiert Stickstoff, der teilweise als Waschflüssigkeit in der Hochdrucksäule 7 dient bzw. über eine Leitung 9 als Waschflüssigkeit in die Niederdrucksäule 8 eingespeist wird. Der Kondensator 6 kocht mit seiner Kondensationswärme den Sumpf der Niederdrucksäule 8 auf. Verbleibende Rest-Sauerstoffflüssigkeit wird über eine Produktleitung 10 in den Hauptkondensator 12 übergeleitet. Über die Leitung 11 gelangt Sumpfflüssigkeit aus dem Sumpf 3 (verflüssigte Luft) als Vorprodukt in die Niederdrucksäule 8.
Eine zweite, äußere Kolonne für die Hauptlast ist aus dem Kondensator 12, einer Hochdrucksäule 13 und einer Niederdrucksäule 14 aufgebaut und funktioniert in gleicher Weise wie die Grundlastkolonne. Waschstickstoff gelangt über eine Leitung 15 an den Kopf der Niederdrucksäule 14 und verflüssigte Luft über eine Leitung 16 aus dem gemeinsamen Sumpf 3 der beiden Kolonnen in den Kopf der Niederdrucksäule 14.
Aus dem Hauptkondensator 12 saugt eine Hochdruckpumpe 17 und drückt überkritische Flüssigkeit in den Verdampfer 4. Dabei entstehendes Hochdruckgas wird in einem Hochdruckspeicher 18 zwischengespeichert und über eine Reduzierstation 19 auf den Druck des Verbrauchernetzes 20 entspannt. Ein Druckregler 21 hält, unabhängig vom Ladezustand des Hochdruckspeichers 18, den überkritischen Druck, z. B. 160 bar, im Verdampfer 4 aufrecht.
Zur Aufbringung der Kälteverluste, die durch Abstrahlung und Temperaturspreizung in den Wärmetauschern 2 und 4 entstehen, wird Stickstoff-Druckgas aus dem Kopf der Hauptdrucksäule 13 im Hauptwärmetauscher 2 auf Umgebungstemperatur angwärmt, in einem Nachverdichter 22 höher verdichtet und im Hauptwärmetauscher 2 wieder auf Eintrittstemperatur in die Turbine 23 abgekühlt, so daß nach dieser eine Temperatur erreicht wird, die knapp über der Verdampfungstemperatur von drucklosem Stickstoff liegt. Darauf wird das Stickstoffgas im Wärmetauscher 2 wieder auf Umgebungstemperatur angewärmt und als Restgas über eine Ausblaseleitung 24 abgeführt. Die Turbine 23 treibt den Verdichter 22 an und hat eine Düsenverstellung 25. Wird reiner Hochdruckstickstoff als Produkt benötigt, so kann dieser Turbinenkreislauf z. B. auch mit Luft aus der Hochdrucksäule 13 betrieben werden.
Die Kopfprodukte, unreiner Stickstoff, der Niederdrucksäulen 8 und 14 werden getrennt über den Hauptwärmetauscher 2 abgeführt.
Für den Fall, daß nur eine geringe Menge an Gas zerlegt werden soll, wird nur die Grundlast-Kolonne betrieben und die Hauptkolonne abgeschaltet. Die abgestellte Hauptkolonne wird dabei durch Wärmeaustausch mit der noch in Betrieb befindlichen Grundlastkolonne kalt gehalten, wodurch ein rasches Anfahren der Hauptkolonne ermöglicht wird.
Wird nur die Grundlast-Kolonne 7, 8 betrieben, so fördert ein kleinerer Verdichter 26 Luft über den Hauptwärmetauscher 2 und den Sauerstoff-Verdampfer 4 in den gemeinsamen Sumpf 3.
Um die Hauptkolonne außer Betrieb zu nehmen, wird ein Ventil 27, über das Druckstickstoff aus dem Kopf der Hochdrucksäule 13 zum Hauptkondensator 12 geführt wird, ein Ventil 28, über das Flüssigsauerstoff aus dem Boden der Niederdrucksäule 14 zum Hauptkondensator 12 geführt wird, und ein Ventil 29, über das die gasseitige Verbindung zwischen dem Hauptkondensator 12 und der Niederdrucksäule 14 geführt ist, geschlossen. Um die weitere Zufuhr von Waschstickstoff aus der Hochdrucksäule 13 und von verflüssigter Luft aus dem Sumpf 3 in die Niederdrucksäule 14 zu unterbinden, werden ein Ventil 30 in Leitung 15 und ein Ventil 31 in Leitung 16 geschlossen.
Daraufhin laufen sowohl die Böden der Hochdrucksäulen 13 als auch der Niederdrucksäule 14 leer. Im gemeinsamen Sumpf 3 ergibt sich dadurch ein höherer Stickstoffanteil in der dort befindlichen verflüssigten Luft, was aber für die Einspeisung verflüssigter Luft in die Niederdrucksäule 8 nicht von Nachteil ist. Am Boden der Säule 14 wird nun ebenfalls stickstoffreichere Flüssigkeit ankommen, da der reine Sauerstoff ohne nennenswerte Restmenge bereits in den Hauptkondensator 12 abgeleitet wurde.
Da damit auch die Druckstickstoff-Produktion in der Hochdrucksäule 13 entfällt, bekäme die Turbine 23 alleine aus der Hochdrucksäule 7 zu wenig Stickstoff für die notwendige Expansionsleitung. Es wird daher ein Ventil 32 in der Leitung zwischen dem Hauptkondensator 12 und der Turbine 23 abgesperrt und dafür Luft aus dem Verdichter 26 über ein Ventil 33 nach Verdichtung im Verdichter 22 in der Turbine 23 kälteleistend entspannt. Das Einspeisen von Hochdruckstickstoff aus der Hochdrucksäule 7 wird durch ein Rückschlagventil 34 vehindert.
In dieser Schaltung kann die Grundlastkolonne beliebig lange weitergefahren werden. Da die Hochdruckpumpe 17 durch Drehzahl- oder Hubverstellung der geringen Flüssigsauerstoff- Erzeugung im Kondensator 6 nicht angepaßt werden kann, wird zuviel geförderte Flüssigkeit über ein Ventil 35 rezirku­ liert.
Durch Wärmeaustausch über die Außenwand der Grundlast- Kolonne wird in der Hauptkolonne das Temperaturprofil der Grundlast-Kolonne etwa eingeprägt, wobei nachkondensierende Flüssigkeit in den Kolonnensümpfen aufgefangen wird.
Soll der Durchsatz der Anlage wieder erhöht werden, so kann die Hauptkolonne wieder angefahren werden, wobei die durch Wärmeaustausch zwischen den Kolonnen aufrecht erhaltene günstige Betriebstemperatur sehr kurze Anfahrzeiten ermög­ licht.
Beim Wiederanfahren der Hauptkolonne wird zuerst die auf dem Abschlußboden der Niederdrucksäule 14 stehende stickstoffreiche Flüssigkeit über ein Ventil 36 in einen Zwischenspeicher 37 abgelassen und anschließend über ein Zeitrelais das Ventil 36 wieder abgesperrt.
Als nächster Schritt wird der Luftverdichter 1 wieder angefahren und anschließend das Ventil 27 geöffnet, so daß stickstoffreicheres Gas am Kopf der Hochdrucksäule gegen Flüssigsauerstoff im Hauptkondensator 12 kondensieren kann und als Waschflüssigkeit in die Säule 13 abläuft. Etwa gleichzeitig wird auch die im Zwischenspeicher 37 eingespeicherte stickstoffreiche Flüssigkeit in den gemeinsamen Sumpf 3 abgelassen und dazu Ventil 38 für die Flüssigkeit in den Sumpf 3 und Ventil 39 für den Druckausgleich geöffnet.
Nach wenigen Minuten wird im Hauptkondensator 12 reine N₂-Waschflüssigkeit gebildet, so daß über die Ventile 30, 31 in Leitung 15 flüssiger Stickstoff und in Leitung 16 etwas stickstoff-angereicherte, verflüssigte Luft aus dem Sumpf in die Niederdrucksäule 14 aufgegeben werden können, worauf dort die Rektifikation rasch aufgebaut wird. Niederdruckstickstoff vom Kopf der Säule 14 verläßt diese über den Hauptwärmetauscher 2. Flüssigkeit mit zunehmender Reinheit sammelt sich auf dem unteren Boden der Säule 14 und wird so lange über Ventil 36 in dem Zwischenspeicher 37 abgelassen, bis ausreichende Produktreinheit hergestellt ist. Anschließend wird diese nunmehr sauerstoffreiche Flüssigkeit aus dem Zwischenspeicher 37 in den Sumpf 3 abgeführt. Ist ausreichende Produktreinheit sichergestellt, werden auch die Ventile 28 und 29 geöffnet und Flüssigsauerstoff fließt in den Hauptkondensator 12 ab.
Nach Öffnen des Ventils 32 und Schließen von Ventil 33 wird auf die Entspannungsturbine 23 nun wieder Stickstoff aufgegeben und damit der Normalbetrieb eingestellt, wobei gegebenenfalls der Verdichter 26 abgestellt wird.
Das Ventil 30 in der Leitung 15 für den Waschstickstoff der Hauptkolonne, wie auch ein Ventil 40 in der Leitung 9 werden über Handverstellungen 41 bzw. 42 mit der Anzeigevorrichtungen geregelt.
Zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Flüssigkeitsniveaus im Hauptkondensator 12 bei Grundlastbetrieb erfolgt die Steuerung des Ventils 35 im Rezirkulationskreislauf über einen Niveauregler mit Anzeige 43. Analog werden das Ventil 31 in Leitung 16 und ein Ventil 44 in Leitung 11 über Niveauregler mit Anzeige 45 bzw. 46 geregelt und es wird so ein gleichbleibendes Flüssigkeitsniveau im gemeinsamen Sumpf 3 erhalten.
Das Ventil 5, über das ein Teilstrom der verdichteten Luft geführt wird, wird durch einen Temperaturregler mit Anzeige 47 geregelt.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Zerlegung von Gasen, insbesondere Luft, durch Verdichten des Gases und eine nachfolgende Rektifikation, wobei wenigstens zwei Rektifikationskolonnen miteinander verbunden sind, eine erste Rektifikationskolonne (7, 8) über wenigstens einen Teil ihrer Außenwand von einer äußeren Kolonne (13, 14) umschlossen ist, und die erste Kolonne (7, 8) gesondert von der oder den äußeren Kolonne(n) (13, 14) betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Kolonne (7, 8) ein kleineres Durchsatzvolumen als die äußere(n) Kolonne(n) (13, 14) aufweist und insbesondere für weniger als 30% des Durchsatzvolumens der äußeren Kolonne(n) (13, 14) ausgelegt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rektifikationskolonnen als Doppelsäulen mit einem Hoch- und Niederdruckteil ausgebildet sind, daß die Hochdrucksäulen (7, 13) einen gemeinsamen Sumpf (3) und gesonderte Kopfkondensatoren (6, 12) aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Anzahl der Kolonnen entsprechende Anzahl von Verdichtern (1, 22) vorgesehen ist.
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