DE69100838T2 - Lufttrennungsverfahren und Anlage zur variablen Herstellung von gasförmigem Sauerstoff. - Google Patents

Lufttrennungsverfahren und Anlage zur variablen Herstellung von gasförmigem Sauerstoff.

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Technik der Lufttrennung zur variablen Herstellung von gasförmigen Sauerstoff in einer Anlage mit einer Doppelkolonne. An erster Stelle betrifft sie ein Verfahren, bei dem Flüssigsauerstoff aus der Niederdruckkolonne der Doppelkolonne in einen ersten Speicherbehälter für Flüssigsauerstoff eingeleitet und Flüssigstickstoff aus einem zweiten Speicherbehälter für Flüssigstickstoff in die Doppelkolonne eingeleitet wird, wenn der Sauerstoffgasbedarf unter einem Mittelwert liegt, während aus dem ersten Behälter entnommener Flüssigsauerstoff in die Niederdruckkolonne eingeleitet und gleichzeitig eine entsprechende Stickstoffmenge kondensiert wird, die in den zweiten Behälter eingeleitet wird, wenn der Sauerstoffgasbedarf über dem Mittelwert liegt.
  • Die beispielsweise aus der EP-A-0 399 197 bekannten Verfahren dieser Art werden üblicherweise als Verfahren "mit Zwischenspeicher" bezeichnet. Man unterscheidet zwischen zwei unterschiedlichen Anlagen-Fahrweisen:
  • (a) Wenn der Sauerstoffgasbedarf groß ist, wird der Überschuß an aus der Niederdruckkolonne abgezogenem gasförmigem Sauerstoff unter dem Gesichtspunkt der Stoffbilanz durch Einleiten einer entsprechenden Menge aus dem ersten Behälter stammenden flüssigen Sauerstoffs in diese Kolonne kompensiert. Um die Kühlbilanz der Doppelkolonne auszugleichen, wird eine entsprechende Menge flüssigen Stickstoffs von der Mitteldruckkolonne zum zweiten Behälter überführt. Aus diesem Grund wird diese Betriebsart üblicherweise als "NL-Betriebsart" bezeichnet, und diese Bezeichnung wird nachfolgend verwendet.
  • (b) Wenn der Sauerstoffgasbedarf gering ist, wird die bezogen auf die Normalbetriebsart fehlende Sauerstoffmenge in flüssiger Form von der Niederdruckkolonne zum ersten Behälter überführt (für welche Betriebsart häufig der Ausdruck "OL-Betriebsart" verwendet wird). Die Kühlbilanz wird durch Einleiten einer entsprechenden Menge flüssigen Stickstoffs aus dem zweiten Behälter in die Niederdruckkolonne erhalten.
  • Wenn die Anlage eine Kolonne zur Erzeugung unreinen Argons umfaßt, die an die Niederdruckkolonne angeschlossen ist, ist das Zwischenspeicherprinzip nicht ohne Einfluß auf die Argon-Produktionsausbeute. Dies stellt sich wie folgt dar:
  • (a) Bei der NL-Betriebsart ist einfach ersichtlich, daß das Verhältnis Dampf/Flüssigkeit im unteren Teil der Niederdruckkolonne abnimmt, was für die sich in diesem Bereich ausbildende Trennung Sauerstoff/Argon und folglich für die Produktionsausbeute von Argon ungünstig ist.
  • Darüber hinaus gibt es ein in entgegengesetzter Richtung wirkendes Phänomen: Die Verdampfung des zusatzlichen flüssigen Sauerstoffs kondensiert im Kopf der Mitteldruckkolonne eine größere Menge an Stickstoff, weil die Verdampfungswärme von Stickstoff etwa 20 % geringer ist, als diejenige von Sauerstoff. Es gibt jedoch ein Defizit an gasförmigen Produkten, die zum kalten Ende der Wärmetauschereinheit überführt werden, was das Wärmetauscherdiagramm zum warmen Ende hin schließt und ein Erhöhen der Ansaugtemperatur der Turbine zur Folge hat, die üblicherweise zur Kalthaltung der Anlage verwendet wird. Diese Turbine sorgt daher für eine verstärkte spezifische Kühlwirkung, wodurch der durch die Turbine gelieferte Durchfluß vermindert werden kann. Dieses günstige Phänomen ist jedoch von deutlich geringerer Bedeutung als das vorstehend genannte ungünstige Phänomen des Verhältnisses Dampf/Flüssigkeit. Alles in allem ist die NL-Betriebsart deshalb für die Produktionsausbeute von Argon ungünstig.
  • (b) In der OL-Betriebsart stellt sich aus analogen Gründen das Umgekehrte ein: Einerseits nimmt das Verhältnis Dampf/Flüssigkeit am unteren Ende der Niederdruckkolonne zu, und andererseits nimmt die Ansaugtemperatur der Turbine ab, was es erforderlich macht, den durch die Turbine geschickten Gasdurchfluß zu erhöhen. Insgesamt ist diese OL-Betriebsart im Hinblick auf die Produktionsausbeute von Argon günstig.
  • (c) Leider ist der Gewinn an Argon-Produktionsausbeute, der mit der OL-Betriebsart erreicht wird, weniger groß als die Einbuße an Argon-Produktionsausbeute, die man bei der NL-Betriebsart in Kauf nehmen muß, weil die der Nominalbetriebsart entsprechende Ausbeute üblicherweise hoch und schon nahe einer Asymtoten ist. Daraus folgt als Basishypothese, daß dann, wenn die Nominalbetriebsart der mittleren Sauerstofferzeugung der Anlage entspricht, das Zwischenspeicherverfahren die mittlere Argonproduktionsausbeute herabsetzt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die mittlere Argonausbeute zu verbessern und/oder alternativ eine Flüssigkeitserzeugung der Anlage in einem Verfahren mit Zwischenspeicher zu steigern.
  • Die Erfindung hat ein Verfahren der vorstehend genannten Art zum Gegenstand, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zusätzlicher Flüssigsauerstoff erzeugt wird, indem gasförmiger komprimierter Sauerstoff in die Wärmetauschereinheit der Anlage eingeleitet wird, wobei der in die Doppelkolonne eingeleitete Flüssigstickstoffstrom entsprechend verringert wird, wenn der Sauerstoffbedarf unter dem Mittelwert liegt.
  • Flüssigstickstoff, der gespeichert wird, wenn der Sauerstoffbedarf kleiner als der Mittelwert ist, wird in die Doppelkolonne eingeleitet, wenn der Sauerstoffgasbedarf größer als der Mittelwert ist; wenn die Anlage eine Hauptkühlturbine umfaßt, wird der Durchfluß der Hauptturbine verringert (bzw. erhöht) wenn der Sauerstoffgasbedarf größer (bzw. geringer) als der Mittelwert ist.
  • Die Erfindung hat außerdem eine Lufttrennungsanlage zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens zum Gegenstand. Diese Anlage mit einer Wärmetauschereinheit, einem Zwischenspeicherkreis, der einen mit der Niederdruckkolonne verbundenen ersten Speicherbehälter für Flüssigsauerstoff und einen mit der Doppelkolonne verbundenen zweiten Speicherbehälter für eine Hilfsflüssigkeit umfaßt, und einer Verbraucherleitung, die den gasförmigen Sauerstoff unter hohem Druck liefert, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Leitung zur Rückführung eines aus der Verbraucherleitung entnommenen variablen Sauerstoffgasstroms unter hohem Druck in die Wärmetauschereinheit aufweist, wobei diese Rückführleitung mit dem ersten Behälter verbunden ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr anhand der bei liegenden Zeichnung beschrieben, in der die einzige Figur schematisch eine erfindungsgemäße Lufttrennungsanlage zeigt.
  • Die in der Zeichnung gezeigte Lufttrennungsanlage ist dazu bestimmt, eine veränderliche Menge eines unter hohem Druck (der sich beispielsweise bis auf etwa 15 Bar belaufen kann) stehenden gasförmigen Sauerstoffs sowie Argon zu liefern. Dabei handelt es sich um eine Doppelkolonnen-Anlage mit einem Minarett und einer Säule zur Erzeugung unreinen Argons, zur Entspannung von Luft und zur Zwischenspeicherung von Sauerstoff/Stickstoff. Als wesentliche Bestandteile umfaßt die Anlage eine Mitteldruckkolonne 1, auf der eine Niederdruckkolonne 2 angebracht ist, die ihrerseits an ihrer Spitze mit einem Minarett 3 versehen ist, eine Kolonne 4 zur Erzeugung unreinen Argons, einen ersten Speicherbehälter 5 für Flüssigsauerstoff und einen zweiten Speicherbehälter 6 für Flüssigstickstoff, eine Wärmetauschereinheit 7 und eine Turbine 8 zur Entspannung von Luft vom mittleren Druck auf den niederen Druck. Typischerweise beträgt der mittlere Druck etwa 6 Bar absolut und der niedrige Druck liegt geringfügig über dem Atmosphärendruck. Der Kopfdampf (Stickstoff) der Kolonne 1 wird in direkte Wärmetauscherbeziehung mit dem Küvettendruck (Sauerstoff) der Kolonne 2 mittels eines Hauptverdampfer-/Kondensators 9 gebracht.
  • Zunächst wird der Anlagen-Nominalbetrieb zur Produktion gasförmigen Sauerstoffs beschrieben.
  • Die zu trennende Luft, die von Wasser und Kohlendioxid gereinigt, auf etwa 6 Bar absolut komprimiert und bis nahe an ihren Taupunkt in der Wärmetauschereinheit 7 abgekühlt worden ist, tritt in den unteren Teil der Kolonne 1 über eine Leitung 10 ein. Aus nahezu reinem Stickstoff bestehende, sauerstoffarme Kopfflüssigkeit wird von der Spitze der Kolonne 1 über eine Leitung 11 abgezogen, in einem nicht dargestellten Unterkühler unterkühlt, in einem Entspannungsventil 12 entspannt und im Rücklauf der Spitze des Minaretts 3 der Niederdruckkolonne zugeführt.
  • Auf einem Zwischenniveau der Kolonne 1 über eine Leitung 13 abgezogene sauerstoffarme Flüssigkeit wird in dem vorstehend genannten Unterkühler unterkühlt, in einem Entspannungsventil 14 entspannt und im Rücklauf der Kolonne 2 auf ein Niveau zugeführt, das demjenigen des Unterteils des Minaretts 3 entspricht.
  • Angereicherte Flüssigkeit, die von mit Sauerstoff angereicherter Luft gebildet und aus der Küvette der Kolonne 1 über eine Leitung 15 abgezogen worden ist, wird in dem vorstehend genannten Unterkühler unterkühlt. Ein Teil dieser Flüssigkeit, die in einem Entspannungsventil 16 entspannt worden ist, wird in die Kolonne 2 im Rücklauf überführt, und der Rest wird in einem Entspannungsventil 17 entspannt, dann zur Verdampfung in den Kopfkondensator 18 der Kolonne 4 überführt und dann über eine Leitung 19 in die Kolonne 2 zurückgeführt. Der erzeugte gasförmige Sauerstoff wird am Unterteil der Kolonne 2 über eine Leitung 20 abgezogen, auf dem Weg vom kalten zum warmen Ende der Wärmetauschereinheit 7 erhitzt und durch einen Kompressor 21 auf den hohen Druck komprimiert, der in eine Verbraucherleitung 20A zur Lieferung des erforderlichen Sauerstoffs unter hohem Druck fördert. Der Kompressor hat eine Rückführleitung 22 von seinem Auslaß zu seinem Einlaß, die mit einem Entspannungsventil 23 versehen ist, um sehr unterschiedliche Ströme gasförmigen Sauerstoffs unter hohem Druck trotz der begrenzten Flexibilität des Kompressors liefern zu können.
  • Die Kolonne 4 wird an ihrer Basis mit Dampf gespeist, der mittels einer Leitung 24, einer sogenannten Argonzweigleitung, an einem mittleren Niveau der Kolonne 2 abgenommen wird. Die Küvettenflüssigkeit kehrt über eine Leitung 25 im wesentlichen auf demselben Niveau in die Kolonne 2 zurück. Das erzeugte unreine Argon wird von der Spitze der Kolonne 4 über eine Leitung 25A abgezogen.
  • Ebenfalls dargestellt ist in der Fig. 1 eine Leitung 26 zum Abziehen eines Restgases W (unreiner Stickstoff), das von einem Einführungsniveau der sauerstoffarmen Flüssigkeit der Kolonne 2 herkommt, und eine Leitung 27 zum Abziehen von unter niederem Druck stehenden reinen Stickstoffs, wobei die Leitungen 26 und 27 den vorstehend genannten Unterkühler zur Gewährleistung der Kühlung und anschließend die Wärmetauschereinheit 7 vom kalten zum warmen Ende hin durchsetzen.
  • Die Kühlung der Anlage wird durch Entspannung eines Teils der vorgekühlt zugeführten Luft in der Turbine 8 auf den niedrigen Druck und durch das Einblasen dieser entspannten Luft in die Kolonne 2 über eine Leitung 28 gewährleistet.
  • Nunmehr wird das Zwischenspeichersystem beschrieben, das die Behälter 5 und 6 ins Spiel bringt, wenn der Bedarf an gasförmigem Sauerstoff unter hohem Druck von dem Nominal- oder Mittelwert abweicht, wobei der behandelte Luftstrom konstant bleibt.
  • (a) Wenn der Bedarf an gasförmigem Sauerstoff gering ist (OL-Betriebsart) wird die im Vergleich zu dem Normalbetrieb fehlende, von der Kolonne 2 abgezogene Menge gasförmigen Sauerstoffs in flüssiger Form von der Küvette der Kolonne 2 mittels einer Pumpe 29 über eine Leitung 30 zu dem Behälter 5 überführt, der unter einem Druck nahe dem Atmosphärendruck steht.
  • Um den in der Doppelkolonne entstehenden Kühlverlust zu kompensieren, wird flüssiger Stickstoff von dem unter einem Druck nahe dem Atmosphärendruck stehenden Behälter 6 mittels einer Pumpe 31 und über eine Leitung 32 zur Spitze des Minaretts 3 in einer Menge überführt, die etwa 20 % größer ist als die in den Behälter 5 überführte Menge des flüssigen Stickstoffs. Dieser Stickstoff befindet sich im Kopf des Minaretts 3 im gasförmigen Zustand, so daß insgesamt im Vergleich zum Normalbetrieb ein Überschuß gasförmiger Produkte zum kalten Ende der Wärmetauschereinheit 7 überführt wird.
  • Dieser Überschuß der Kühlmittel wird in der nachfolgenden Weise zum Erzeugen zusätzlicher Flüssigkeit verwendet.
  • Aus der Kolonne 2 wird über die Leitung 20 der Überschuß über den Bedarf an gasförmigem Sauerstoff abgezogen, und zum Ausgleichen der Stoffbilanz der Kolonne 2 vermindert man im gleichen Umfang den zum Behälter 5 überführten Flüssigsauerstoffstrom. Derselbe Überschuß an gasförmigem Sauerstoff wird nach der Kompression zum warmen Ende der Wärmetauschereinheit über eine Leitung 33 zurückgeführt, die vom Auslaß des Kompressors 21 kommt, wird in der Wärmetauschereinheit verflüssigt und daraufhin vom kalten Ende dieser Einheit zum Behälter 5 über eine Leitung 34 überführt, die mit einem Entspannungsventil 34A ausgerüstet ist.
  • Der Behälter 5 empfängt insgesamt dieselbe Menge flüssigen Stickstoffs wie in einem herkömmlichen Zwischenspeicher, jedoch mit einer geringeren Entnahme aus der Küvette der Kolonne 2. Eine entsprechende Menge flüssigen Stickstoffs aus dem Behälter 6 wird dadurch während der OL-Betriebsart gespeichert.
  • Darüber hinaus hat die Einspeisung des heißen zusätzlichen Gases (unter hohem Druck stehender Sauerstoff) in die Wärmetauschereinheit die Wirkung, die Einlaßtemperatur der Turbine 8 beispielsweise bis auf den Wert anzuheben, der demjenigen des Normalbetriebs entspricht, und dadurch die spezifische Kühlwirkung zu erhöhen. Dies erlaubt es, die Erzeugung von Flüssigkeit spürbar zu erhöhen, indem man gleichzeitig den turbinengeförderten Luftdurchsatz erhöht, wobei die Argonextraktionsausbeute in dieser Betriebsart nahe der Asymptote liegt und dadurch von dem durch die Turbine geförderten Durchsatz wenig abhängig ist.
  • (b) Wenn ein großer Bedarf an gasförmigem Sauerstoff vorliegt (NL-Betriebsart) arbeitet der Kompressor 21 ohne Rückführung über die Leitung 22, und der ganze komprimierte Sauerstoff wird zum Verbraucher geliefert. Der bezogen auf den Normalbetrieb vorliegende, aus der Kolonne 2 abgezogene Überschuß gasförmigen Sauerstoffs wird durch Einleitung flüssigen Sauerstoffs in die Küvette dieser Kolonne aus dem Behälter 5 über eine Leitung 35, die Pumpe 29 und eine Leitung 36 kompensiert.
  • Die Kühlbilanz wird durch einen Transport von flüssigem Stickstoff von der Spitze der Kolonne 2 zum Behälter 6 über eine Leitung 11 und eine Leitung 37 ausgeglichen, die mit einem Entspannungsventil 38 ausgerüstet ist.
  • In dieser Betriebsart zieht man Gewinn aus dem flüssigen Stickstoff, der in der OL-Betriebsart durch die Verflüssigung des unter hohem Druck stehenden Sauerstoffs gebildet worden ist, indem man einen entsprechenden Strom flüssigen Stickstoffs über die Leitung 32 der Spitze des Minaretts 3 überführt. Dieser zusätzliche Kühlbeitrag erlaubt es, den durch die Turbine geförderten Luftstrom entsprechend zu vermindern, und er schafft darüber hinaus einen zusatzlichen Rückfluß in der Kolonne 2, wodurch zwei günstige Faktoren für die Trennung bei niedrigem Druck gebildet werden. Die Argonextraktionsausbeute wird in der NL-Betriebsart insgesamt erhöht.
  • Der in der NL-Betriebsart derart erzielte Gewinn an Argonextraktionsausbeute ist deutlich höher als die Einbuße an Argonextraktionsausbeute in der OL-Betriebsart. Die Argonextraktionsausbeute ist insgesamt deutlich erhöht.
  • Es ist festzustellen, daß der aufgrund der Erfindung erzielte Energiegewinn nicht nur dazu genutzt werden kann, die Argonextraktionsausbeute zu erhöhen, sondern gleichermaßen dazu, die Erzeugung von Flüssigkeit (flüssigem Sauerstoff oder flüssigem Stickstoff) in der Anlage zu erhöhen.
  • Die Erfindung bezieht sich selbstverständlich nicht nur auf Anlagen, die durch eine Entspannung von Luft auf niedrigen Druck gekühlt werden, sondern gleichermaßen auf sämtliche andere Arten von Anlagen zur Trennung von Luft mit einer Doppelkolonne.

Claims (5)

1. Lufttrennungsverfahren zur variablen Herstellung von gasförmigem Sauerstoff in einer Anlage mit einer Doppeikolonne (1, 2), bei dem Flüssigsauerstoff aus der Niederdruckkolonne (2) der Doppelkolonne in einen ersten Speicherbehälter (5) für Flüssigsauerstoff eingeleitet und Flüssigstickstoff aus einem zweiten Speicherbehälter (6) für Flüssigstickstoff in die Doppelkolonne (1, 2) eingeleitet wird, wenn der Sauerstoffgasbedarf unter einem Mittelwert liegt, während aus dem ersten Behälter (5) entnommener Flüssigsauerstoff in die Niederdruckkolonne eingeleitet und gleichzeitig eine entsprechende Stickstoffmenge kondensiert wird, die in den zweiten Behälter (6) eingeleitet wird, wenn der Sauerstoffgasbedarf über dem Mittelwert liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlicher Flüssigsauerstoff erzeugt wird, indem gasförmiger komprimierter Sauerstoff in die Wärmetauschereinheit (7) der Anlage eingeleitet wird, wobei der in die Doppelkolonne eingeleitete Flüssigstickstoffstrom entsprechend verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Flüssigstickstoff, der gespeichert wird, wenn der Sauerstoffbedarf kleiner als der Mittelwert ist, in die Doppelkolonne (1, 2) eingeleitet wird, wenn der Sauerstoffgasbedarf größer als der Mittelwert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, für eine Anlage mit einer Hauptkühlturbine (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß der Hauptturbine (8) unter den Nenndurchfluß verringert wird, wenn der Sauerstoffgasbedarf größer als der Mittelwert ist.
4. Verfahren für eine Anlage mit einer Hauptkühlturbine (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß der Hauptturbine über den Nenndurchfluß erhöht wird, wenn der Sauerstoffgasbedarf kleiner als der Mittelwert ist.
5. Lufttrennungsanlage mit einer Doppelkolonne (1, 2) für die Herstellung eines variablen Sauerstoffgasstroms, mit einer Wärmetauschereinheit (7), einem Zwischenspeicherkreis, der einen mit der Niederdruckkolonne (2) verbundenen ersten Speicherbehälter (5) für Flüssigsauerstoff und einen mit der Doppelkolonne verbundenen zweiten Speicherbehälter (6) für eine Hilfsflüssigkeit umfaßt, und einer Verbraucherleitung (20A), die den gasförmigen Sauerstoff unter hohem Druck liefert, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Leitung (33) zur Rückführung eines aus der Verbraucherleitung (20A) entnommenen variablen Sauerstoffgasstroms unter hohem Druck in die Wärmetauschereinheit aufweist, wobei diese Rückführleitung mit dem ersten Behälter (5) verbunden ist.
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