DE4135302A1 - Anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

Anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft

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DE4135302A1
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Description

Die Erfindung befrifft eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, insbesondere zur Gewinnung von gasförmigem Sticksfoff, mit einer Rektifi­ ziersäule, die mit einer Luftleitung zur Zufuhr von Zerlegungluft, mit einer Stickstoffleitung zum Abzug einer Stickstofffraktion und mit einer Sauer­ stoffleitung zum Abzug einer sauerstoffreichen Fraktion verbunden ist, sowie mit einem Stickstofftank zur Speicherung von flüssigem Stickstoff, der von einem Vakuumbehälter umschlossen wird und der über eine erste Speiseleitung mit dem oberen Bereich der Rektifiziersäule verbunden ist.
Eine derartige Luftzerlegungsanlage ist aus der EP-B-01 44 430 bekannt. Hier wird flüssiger Stickstoff aus einem Speichertank in den oberen Bereich der Rektifiziersäule eingespeist, um dieser Wärme zu entziehen. Der Speichertank wird dabei aus einer äußeren Quelle mit Flüssigstickstoff beschickt. Spei­ chertank und Rektifiziersäule sind nebeneinander angeordnet. Der Speicher­ tank für flüssigen Stickstoff ist durch einen Vakuumbehälter isoliert, der wie bei Tanks für tiefkalte verflüssigte Gase üblich die äußere Hülle des Speicherbehälters umgreift.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anlage der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere hinsichtlich des apparativen und betriebs­ technischen Aufwands und der Flexibilität ihres Einsatzes.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Stickstofftank (1) und die Rektifiziersäule (2) im Inneren eines gemeinsamen Vakuumbehälters (5) angeordnet sind.
Die Erfindung ermöglicht eine starke Kosteneinsparung bei der Herstellung der Anlage. Eine getrennt aufgebaute Rektifiziersäule, wie sie dem Stand der Technik entspricht, benötigt wegen der tiefen Temperaturen in jedem Fall eine eigene aufwendige Isolierung (cold box). Diese ist teuer in der Her­ stellung, außerdem muß eine Vielzahl von Leitungen (beispielsweise die Speiseleitung für den Stickstofftank) durch sie hindurch geführt werden.
Gemäß der Erfindung wird die Rektifiziersäule im Inneren eines - ohnehin für den Flüssigtanks benötigten - Vakuumbehälters angeordnet. Eine eigene Isolierung der Rektifiziersäule entfällt vollkommen. Der Vakuumbehälter muß zwar etwas größer ausgeführt werden, wenn Rektifiziersäule und Tank in ihm nebeneinander aufgestellt sind; dieser gegenüber der üblichen Vakuumbehäl­ ter-Tank-Kombination leicht erhöhte Aufwand wird jedoch durch die Einsparung der Cold box weit überwogen. Insgesamt ergibt sich gegenüber einzelstehenden Apparateteilen eine geringere Oberfläche, so daß der Wärmeeinfall ohne zusätzliche Maßnahmen minimiert wird. Während eines Stillstands der Anlage erwärmt sich die Rektifiziersäule weit weniger stark als eine einzelstehende Kolonne.
Der Vakuumbehälter kann weitere kalte Apparaturen umschließen, beispiels­ weise einen Wärmetauscher, in dem die Zerlegungsluft gegen Produktströme abgekühlt wird, oder auch weitere Speicherbehälter oder Säulen.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage ist die Rektifiziersäule im Inneren des Stickstofftanks angeordnet.
Entgegen vieler Bedenken gegenüber einer derartigen Konstruktion hat sich diese Variante der Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen. Hierbei kann eine übliche Vakuumbehälterkonstruktion, die den Mantel des Stickstoff­ tanks relativ eng umschließt, verwendet werden. Die Säule ist in den im Tank gespeicherten Flüssigstickstoff eingetaucht, wird also auch während Be­ triebsunterbrechungen auf tiefer Temperatur gehalten. Etwaige Kälteverluste können durch Verdampfen geringer Mengen des Tankinhalts kompensiert werden.
Dies erweist sich als fundamentaler Vorteil beim Anfahren der Anlage: Der Stickstofftank kann frühzeitig - beispielsweise aus einem Tankwagen - befüllt werden, wobei auch die Säule abgekühlt wird. Die Säule ist also bereits auf ihrer Betriebstemperatur, bevor die Rektifikation überhaupt in Gang gesetzt wird. Außerdem steht sofort Rücklaufflüssigkeit zur Verfügung: Über die Speiseleitung kann flüssiger Stickstoff in die Säule eingespeist werden. Die Erfindung bewirkt daher einer hohe Flexibilität der Anlage, insbesondere ermöglicht sie ein sehr kurzfristigen Anfahren nach Betriebs­ unterbrechungen beliebiger Dauer.
Je nach momentan benötigter Produktmenge kann Produktstickstoff über die Speiseleitung in den Tank zurückgeführt oder umgekehrt Stickstoff aus dem Tank entnommen werden, vorzugsweise durch die Speiseleitung auf dem Umweg über die Rektifiziersäule.
Wenn der Inhalt des Stickstofftanks als Kältequelle benutzt wird, kann auf andere Mittel zur Kälteerzeugung, beispielsweise Turbinen, verzichtet werden, die teuer in der Anschaffung sind und vor allem sehr hohen Steuer- und Regelaufwand erfordern, im allgemeinen durch hochqualifiziertes Bedienungspersonal. Die erfindungsgemäße Anlage kann dagegen leicht voll­ automatisch gefahren werden. Dabei muß lediglich der Stickstofftank in gewissen Zeitabständen von außen aufgefüllt werden.
Bei vielen Stickstoffanlagen muß eine Notversorgung für den Fall von Betriebsunterbrechungen vorgesehen werden. Ein großer Stickstofftank ist daher häufig ohnehin vorhanden, so daß sich für die Erfindung auf natürliche Weise ein weiter Anwendungsbereich eröffnet.
Der Stoffaustausch im Inneren der Rektifiziersäule kann durch Rektifizierbö­ den, beispielsweise Siebböden bewirkt werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch der Einsatz von Packungen oder Füllkörpern, vorzugsweise von geordne­ ten Packungen.
Durch den geringen Flüssigkeitsinhalt von Packungssäulen während des Be­ triebs kann die Zeitdauer des (Wieder-)Anfahrens der Anlage weiter vermin­ dert werden. Die Flexibilität gegenüber schwankenden Betriebsbedingungen steigt im Vergleich zu einer mit Rektifizierböden ausgestatteten Säule weiter an. Beispielsweise kann die Anlage in einem sehr weiten Lastbereich betrieben werden, zwischen 25% und 100% der Maximallast, wobei der Wirkungs­ grad der Rektifiziersäule annähernd konstant bleibt. Selbstverständlich ist es auch möglich, lediglich einen oder mehrere Teilbereiche der Rektifizier­ säule mit Packungen zu füllen, während andere beispielsweise konventionelle Böden enthalten.
In einer besonders günstigen Variante wird die Anlage durch einen Sumpfflüs­ sigkeitstank ergänzt, der über eine zweite Speiseleitung mit dem unteren Bereich der Rektifiziersäule verbunden ist. Sie wird dadurch zu einer echten Wechselspeicheranlage. Bei konstant bleibender Luftmenge ist damit ein Lastbereich von etwa 2% bis 180% bezogen auf die Produktmenge erreichbar.
Zur allgemeinen Funktionsweise derartiger Verfahren sei auf die DE-B-12 50 848 verwiesen. Der Sumpfflüssigkeitstank ist vorzugsweise im selben Vakuumbehälter wie Stickstofftank und Rektifiziersäule untergebracht. Es fällt damit fast kein zusätzlicher Isolierungsaufwand an.
Vorzugsweise ist die Rektifiziersäule mit einem Kopfkondensator ausgestat­ tet. Dieser enthält zwei Gruppen von Passagen. Die erste Gruppe von Passagen ist eingangsseitig über die Sauerstoffleitung mit dem unteren Bereich der Rektifiziersäule und ausgangsseitig mit einer Sauerstoffproduktleitung verbunden, die zweite Gruppe von Passagen eingangsseitig wie ausgangsseitig mit dem oberen Bereich der Rektifiziersäule.
Durch indirekten Wärmeaustausch mit entspannter Sumpfflüssigkeit kann damit Stickstoff am Kopf der Rektifiziersäule kondensiert und als Rücklauf der Säule oder zur Speicherung dem Stickstofftank zugeführt werden.
Dieser Kopfkondensator wird vorzugsweise durch einen oberen Flüssigkeits­ standregler geregelt, der ein einstellbares Ventil in der ersten Speiselei­ tung ansteuert. Falls der Flüssigkeitsstand im Kondensator unter einen vorbestimmten Wert absinkt, wird (eine zusätzliche Menge) Flüssigstickstoff vom Tank in die Säule eingespeist. Umgekehrt kann bei sehr hohem Flüssig­ keitsstand, also bei Kälteüberschuß in der Säule, Flüssigkeit über die Speiseleitung in den Stickstofftank eingespeist werden.
Bei einer echten Wechselspeicheranlage mündet in der Regel die mit dem Sumpfflüssigkeitstank verbundene zweite Speiseleitung in die Sauerstofflei­ tung. In diesem Fall ist es günstig, wenn in der Sauerstoffleitung zwischen Mündung der zweiten Speiseleitung und Kopfkondensator ein einstellbares Ventil angeordnet ist, das von einem oberen Flüssigkeitsstandregler am Kopfkondensator angesteuert wird. Die Kältebilanz am Kopf der Säule wird hier also über den Durchsatz von entspannter und verdampfender Sumpfflüssig­ keit im Kopfkondensator geregelt.
Unabhängig von der Regelung am Kopfkondensator weist die Anlage vorzugsweise einen weiteren, unteren Flüssigkeitsstandregler am Sumpf der Rektifizier­ säule auf, der ein einstellbares Ventil in der Sauerstoffleitung ansteuert.
Zwei einfache Regelkreise, die vollständig automatisiert werden können, reichen aus, um die erfindungsgemäße Anlage stabil und wirtschaftlich zu betreiben. Für die Regelung am Kopf der Säule sind dabei die beiden oben erwähnten Varianten möglich. Sobald Zerlegungsluft in die Säule einströmt sorgen die beiden Regelkreise dafür, daß sich ohne Eingriff von außen ein stationärer Zustand ausbildet. Auf Schwankungen der Luftzufuhr und/oder der Produktabnahme innerhalb des - sehr weiten - Lastbereichs stellt sich die Anlage selbsttätig in kürzester Zeit ein.
Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage mit einem einzigen Tank und
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform mit zwei Flüssigtanks.
Der grundsätzliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage ist aus Fig. 1 ersichtlich. Sie zeigt einen Stickstofftank 1, in dessen Innenraum eine - in dem Ausführungsbeispiel einstufige - Rektifiziersäule angeordnet ist. Die Abbildung ist nicht maßstabsgetreu, eine mit Packungen ausgestattete Säule ist in Wirklichkeit wesentlich schlanker als die dargestellte.
Verdichtete und gereinigte Luft wird über Leitung 3 herangeführt und in einem Wärmetauscher 4 auf etwa Taupunktstemperatur abgekühlt. Die kalte Luft wird über Leitung 4 in den unteren Bereich der Rektifiziersäule 2 eingebla­ sen.
Die Rektifiziersäule 2 wird unter einem Druck von 4,5 bis 12 bar, vorzugs­ weise etwa 6 bar betrieben. Sie ist in dem Ausführungsbeispiel mit zwei Abschnitten 6, 7 von geordneten Packungen ausgestattet. Oberhalb der Packungsabschnitte 6, 7 ist je ein Flüssigkeitssammler 8, 9 angeordnet.
Über eine Sauerstoffleitung 10 kann sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit entnommen werden. (Die Zweigleitung 10′ dient lediglich zur Entleerung von Säule 2 und Kopfkondensator 12 beim Abfahren der Anlage, beziehungsweise zum Spülen des Kopfkondensators.) Eine Stickstoffleitung 14 führt gasförmigen Stickstoff als Produkt durch den Wärmetauscher 4 ab. Im oberen Bereich der Säule 2 mündet außerdem eine erste Speiseleitung 11, und zwar direkt in das Reservoir des oberen Flüssigkeitsverteilers 9. Sie dient zur Zu- und Abfuhr von Flüssigstickstoff und verbindet die Innenräume von Rektifiziersäule 2 und Stickstofftank 1.
Ein Kopfkondensator 12 dient zur Verflüssigung von Stickstoff am Kopf der Rektifiziersäule. Die in der Zeichnung angedeuteten Röhren sind zum Innen­ raum der Säule 2 hin offen und bilden somit die Stickstoffpassagen (zweite Gruppe von Passagen). Im Außenraum der Röhren (erste Gruppe von Passagen) steht sauerstoffangereicherte Flüssigkeit an, die über die Sauerstoffleitung 10 herangeführt wird. Sie verdampft in indirektem Wärmetausch mit kondensie­ rendem Stickstoff. Die verdampfte Fraktion wird über eine Sauerstoffprodukt­ leitung 13 abgeführt und im Wärmetauscher 4 gegen Zerlegungsluft 3 angewärmt.
An die Speiseleitung 11 sind zwei weitere Einrichtungen angeschlossen:
Zum einen eine Notversorgungsleitung 15 mit einem beispielsweise luftbeheiz­ ten Verdampfer 16. Diese wird geöffnet, sobald der Druck in der Stickstoff­ leitung 14 unter einen vorbestimmten Wert absinkt. Dann wird Flüssigstick­ stoff im Verdampfer 16 verdampft und über die Notversorgungsleitung zur Stickstoffleitung 14 geführt.
Außerdem ist zur Aufrechterhaltung eines vom Füllstand unabhängigen Drucks im Stickstofftank ein Druckaufbaukreislauf 17 mit einem Druckaufbauver­ dampfer 18 vorgesehen.
Zur vollautomatischen Regelung der gesamten Anlage reichen zwei Regelkreise aus. Ein oberer Flüssigkeitsstandregler 19 kontrolliert den Füllstand des Kopfkondensators 12 und wirkt auf ein Ventil 20 in der Speiseleitung 11 für Stickstoff. Der Füllstand des Säulensumpfes wird durch einen unteren Flüs­ sigkeitsstandregler 21 überwacht. Dieser steuert ein weiteres Ventil 22 in der Sauerstoffleitung 10.
Die Wechselspeicheranlage von Fig. 2 ist in weiten Teilen identisch mit dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Es werden daher nur die abweichen­ den Merkmale näher erläutert.
Der wesentliche Unterschied besteht in einem weiteren Speichertank, dem Sumpfflüssigkeitstank 23. Dieser ist über eine zweite Speiseleitung 24 mit der Sauerstoffleitung 10 verbunden. Die obere Flüssigkeitsstandregelung 19′ stellt in diesem Ausführungsbeispiel nicht den Durchfluß in der Stick­ stoff-Speiseleitung 11, sondern denjenigen in der Sauerstoffleitung 10. Dazu dient das Ventil 25, das zwischen Mündung der zweiten Speiseleitung 24 von Flüssigsauerstofftank 23 und Eingang des Kopfkondensators 12 angeordnet ist.
Wie bei Wechselspeicherverfahren üblich, wird bei unterdurchschnittlichem Produktbedarf die Luftmenge im wesentlichen konstant gehalten. Die über­ schüssigen Produkte werden dann in die Tanks 1, 23 geleitet, von wo sie bei überdurchschnittlicher Last wieder in die Säule 2 zurückgespeist werden.

Claims (9)

1. Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, insbesondere zur Gewinnung von gasförmigem Stickstoff, mit einer Rektifiziersäule (2), die mit einer Luftleitung (3) zur Zufuhr von Zerlegungluft, mit einer Stick­ stoffleitung (14) zum Abzug einer Stickstofffraktion und mit einer Sauerstoffleitung (10) zum Abzug einer sauerstoffreichen Fraktion verbunden ist, sowie mit einem Stickstofftank (1) zur Speicherung von flüssigem Stickstoff, der von einem Vakuumbehälter (5) umschlossen wird und der über eine erste Speiseleitung (11) mit dem oberen Bereich der Rektifiziersäule (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstofftank (1) und die Rektifiziersäule (2) im Inneren eines gemein­ samen Vakuumbehälters (5) angeordnet sind.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rektifizier­ säule (2) im Inneren des Stickstofftanks (1) angeordnet ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rektifiziersäule (2) Packungen oder Füllkörper enthält.
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rektifizier­ säule (2) geordnete Packungen (6, 7) enthält.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Sumpfflüssigkeitstank (23), der über eine zweite Speiseleitung (24) mit dem unteren Bereich der Rektifiziersäule (2) verbunden ist.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Kopfkondensator (12) mit zwei Gruppen von Passagen, wobei die erste Gruppe von Passagen eingangsseitig über die Sauerstoffleitung (10) mit dem unteren Bereich der Rektifiziersäule (2) und ausgangsseitig mit einer Sauerstoffproduktleitung (13) sowie die zweite Gruppe von Passagen eingangsseitig wie ausgangsseitig mit dem oberen Bereich der Rektifi­ ziersäule (2) verbunden ist.
7. Anlage nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen oberen Flüssig­ keitsstandregler (19) am Kopfkondensator (12), der ein einstellbares Ventil (20) in der ersten Speiseleitung (11) ansteuert.
8. Anlage nach Anspruch 5 und nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Speiseleitung (24) in die Sauerstoff­ leitung (10) mündet und daß sie einen oberen Flüssigkeitsstandregler (19′) am Kopfkondensator (12) aufweist, der ein einstellbares Ventil (25) ansteuert, welches in der Sauerstoffleitung (10) zwischen Mündung der zweiten Speiseleitung (24) und Kopfkondensator (12) angeordnet ist.
9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen unteren Flüssigkeitsstandregler (21) am Sumpf der Rektifiziersäule (2), der ein einstellbares Ventil (22) in der Sauerstoffleitung (10) an­ steuert.
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