DE69304948T2 - Tieftemperaturluftzerlegung für die Herstellung von gasförmigem Sauerstoff - Google Patents

Tieftemperaturluftzerlegung für die Herstellung von gasförmigem Sauerstoff

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Description

    Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft Tieftemperatur-Luftzerlegung zur Erzeugung von gasförmigem Produktsauerstoff.
    • Stand der Technik
  • Wenn große Volumina von gasförmigem Sauerstoff für eine spezielle Anwendung benötigt werden, wird der gasförmige Sauerstoff mittels Tieftemperatur-Rektifikation von Luft in einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage erzeugt und direkt von der Anlage zu der Verwendungsstelle gepumpt. Eine Luftzerlegungsanlage ist so ausgelegt, daß sie bei einem bestimmten stationären Zustand am effizientesten arbeitet. Jedoch kann der gasförmige Sauerstoff für die Verwendungsstelle unter Bedingungen eines stark fluktuierenden Bedarfs benötigt werden.
  • Um die einander entgegenlaufenden Anforderungen eines effizienten stationären Betriebs der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage und des stark fluktuierenden Bedarfs an gasförmigem Sauerstoff der Verwendungsstelle auszugleichen, werden Tanks für gasförmigen Sauerstoff eingesetzt, um gasförmigen Sauerstoff zu speichern, der während Perioden mit einem niedrigen Bedarf erzeugt wurde, und von welchen gasförmiger Sauerstoff während Perioden eines hohen Bedarfs abgezogen und zu der Verwendungsstelle geleitet werden kann, was somit eine Dämpfung der Fluktuationen der Betriebsrate der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage bewirkt und eine hohe Arbeitseffizienz der Anlage aufrechterhält. Ein Problem bei solch einem System besteht darin, daß obschon der gasförmige Sauerstoff bei einem hohen Druck gespeichert wird, nur eine begrenzte Menge an gasförmigem Sauerstoff auf diese Weise gespeichert werden kann, ohne daß eine Tankanlage für gasförmigen Sauerstoff erforderlich wäre, die hohe Investitionskosten nach sich zieht.
  • Die begrenzte Speicherkapazität für Reservesauerstoff kann dadurch überwunden werden, daß der Sauerstoff als Flüssigkeit statt als Gas gespeichert wird. So ist aus EP-A-0 422 974, auf welche der Oberbegriff von Anspruch 4 basiert, ein Luftdestillationsverfahren zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff bei variierenden Durchflußraten bekannt, bei welchem
  • - ein erster Strom von Einsatzluft unter Druck bei einer variablen ausgewählten Durchflußrate bereitgestellt wird;
  • - der erste Strom in einen zweiten und einen dritten Einsatzluftstrom aufgeteilt wird;
  • - der zweite Strom in einen Wärmetauscher geleitet wird, ein Teil des zweiten Stromes nach einer partiellen Kühlung von dem Wärmetauscher abgezogen wird, der partiell gekühlte Teil turboexpandiert und der turboexpandierte Teil des zweiten Stromes in eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage eingebracht wird, die eine bei höherem Druck arbeitende Kolonne sowie die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne aufweist;
  • - der verbleibende Teil des zweiten Stromes in dem Wärmetauscher weiter gekühlt wird und der weiter gekühlte verbleibende Teil in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne übergeleitet wird;
  • - der dritte Teil der Einsatzluft in dem Wärmetauscher gekühlt wird, der gekühlte dritte Strom in einen Produktaufkocher übergeleitet wird, der dritte Strom mittels indirektem Wärmeaustausch mit flüssigem Sauerstoff in dem Produktaufkocher kondensiert wird und die sich ergebende flüssige Luft in einem Tank für flüssige Luft gesammelt wird;
  • - ein Strom von flüssiger Luft, der bei einer konstanten Durchflußrate von dem Tank für flüssige Luft abgezogen wird, in einen ersten und einen zweiten Anteil aufgeteilt wird, der erste Anteil der flüssigen Luft in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne übergeleitet wird, der zweite Anteil der flüssigen Luft expandiert wird und der expandierte zweite Anteil der flüssigen Luft in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne übergeleitet wird;
  • - flüssiger Sauerstoff, der in der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage erzeugt wurde, bei einer konstanten Durchflußrate in einen Tank für flüssigen Sauerstoff eingeleitet wird;
  • - flüssiger Sauerstoff von dem Tank für flüssigen Sauerstoff bei einer variablen Durchflußrate in Abhängigkeit von dem Bedarf abgezogen wird, der abgezogene flüssige Sauerstoff gepumpt wird, der gepumpte flüssige Sauerstoff zu dem Produktaufkocher übergeleitet wird, um die Kondensation des dritten Stromes der Einsatzluft auszuführen und den abgezogenen flüssigen Sauerstoff zu verdampfen; und
  • - der verdampfte Sauerstoff in dem Wärmetauscher erwärmt wird und der erwärmte gasförmige Sauerstoff als Produkt gewonnen wird.
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Tieftemperatur-Rektifikationssystem zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff zu schaffen, bei dem eine Speicherung von flüssigem Sauerstoff auf effizientere Weise eingesetzt werden kann, um Fluktuationen in der Betriebsrate einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage abzuschwächen oder zu dämpfen, während dennoch ein stark fluktuierender Verbrauchsbedarf für gasförmigen Produktsauerstoff befriedigt wird.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen und andere Aufgaben, die dem Fachmann aus dem Lesen dieser Beschreibung offenbar werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, wobei ein Aspekt derselben lautet:
  • Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff mittels Tieftemperatur-Rektifikation von Einsatzluft, bei welchem:
  • (A) ein Teil der Binsatzluft in einen Produktaufkocher eingeleitet und Einsatzluft mittels indirektem Wärmeaustausch mit flüssigem Sauerstoff in dem Produktaufkocher kondensiert wird;
  • (B) kondensierte Einsatzluft in eine Tiefiemperatur-Rektifikationsanlage eingeleitet wird, die eine bei höherem Druck arbeitende Kolonne und eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne aufweist, und in der Anlage flüssiger Sauerstoff erzeugt wird;
  • (C) in der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage erzeugter flüssiger Sauerstoff zwecks Kondensation der Einsatzluft zu dem Produktaufkocher übergeleitet wird und gasförmiger Sauerstoff von dem Produktaufkocher als Produkt gewonnen wird;
  • (D) in der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage erzeugter flüssiger Sauerstoff aufgedrückt und danach der aufgedrückte flüssige Sauerstoff in einen Flüssigsauerstofftank eingeleitet wird, um einen Vorrat an flüssigem Sauerstoff zu erzeugen;
  • (E) der Strom an flüssigem Sauerstoff zu dem Produktaufkocher gesteigert wird, indem flüssiger Sauerstoff von dem Vorrat an flüssigem Sauerstoff zu dem Produktaufkocher geleitet wird, und der Strom an Einsatzluft zu dem Produktaufkocher entsprechend gesteigert wird, um überschüssige kondensierte Einsatzluft zu erzeugen;
  • (F) überschussige in dem Produktaufkocher erzeugte kondensierte Einsatzluft in einen Flüssiglufttank eingeleitet wird, um einen Vorrat an flüssiger Luft zu erzeugen, während kondensierte Einsatzluft fortgesetzt in die Tieftemperatur-Rektifikationsanlage geleitet wird ohne durch den Flüssiglufttank geleitet zu werden; und
  • (G) ein weiterer Teil der Einsatzluft turboexpandiert wird, und der turboexpandierte Teil der Einsatzluft in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne eingebracht wird.
    • Ein weiterer Aspekt der Erfindung lautet:
  • Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff mit
  • (A) einem Produktaufkocher, einer Anordnung zum Zuleiten von Einsatzluft in den Produktaufkocher und einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit von dem Produktaufkocher zu einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage, die eine bei höherem Druck arbeitende Kolonne und eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne aufweist;
  • (B) einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit von der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage in den Produktaufkocher und einer Anordnung zum Gewinnen von gasförmigem Produkt von dem Produktaufkocher;
  • (C) einem Flüssigsauerstofftank und einer Anordnung zum Einleiten von Flüssigkeit von dem Flüssigsauerstofftank in den Produktaufkocher;
  • (D) einem Flüssiglufttank, einer Anordnung zum Einleiten von Flüssigkeit von dem Produktaufkocher in den Flüssiglufttank und einer Anordnung zum Einleiten von Flüssigkeit von dem Flüssiglufttank in die Tieftemperatur-Rektifikationsanlage; und
  • (E) einem Turboexpander und einer Anordnung zum Überleiten von Einsatzluft in den Turboexpander; dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage ferner versehen ist mit
  • (F) einer Pumpe und einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit von der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage zu der Pumpe und von der Pumpe in den Flüssigsauerstofftank;
  • (G) einer Anordnung zum Einleiten von Einsatzluft von dem Turboexpander in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne; und daß
  • (H) die unter Punkt (A) genannte Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit von dem Produktaufkocher zu der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage nicht den Flüssiglufttank einschließt.
  • Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Produktaufkocher" einen Wärmetauscher, in welchem flüssiger Sauerstoff mittels indirektem Wärmeaustausch mit kondensierendem Luftdampf aufgekocht wird.
  • Der Begriff "Kolonne", wie er in der hier benutzt wird, bezeichnet eine Destillations- oder Fraktionierkolonne oder -zone, d.h. eine Kontaktkolonne oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Trennung eines Fluidgemisches zu bewirken, z.B. indem die dampfformige und die flüssige Phase an einer Reihe von vertikal in Abstand innerhalb der Kolonne angebrachten Böden oder Platten und/oder an Packungselementen in Kontakt gebracht werden, welche strukturierte oder zufällig verteilte Packungselemente sein können. Für eine weitere Beschreibung von Destillationskolonnen sei verwiesen auf das "Chemical Engineers' Handbook", fünfte Ausgabe, herausgegeben von R.H. Perry und C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Abschnitt 13, "Destillation", B.D. Smith et. al., Seite 13-3, The Continuous Distillation Process. Der Begriff der Doppelkolonne wird hier so benutzt, daß er eine bei einem höheren Druck arbeitende Kolonne bezeichnet, deren oberes Ende in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem unteren Ende einer bei einem niedrigeren Druck arbeitenden Kolonne steht. Eine nähere Beschreibung von Doppelkolonnen erscheint in Ruheman "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Kapitel VII, Commercial Air Separation.
  • Trennverfahren mit Dampf-/Flüssigkeitskontakt sind abhängig von den Unterschieden der Dampfdrücke der Komponenten. Die Komponente mit dem hohen Dampfdruck (oder die flüchtigere oder niedrigsiedende Komponente) wird dazu neigen, sich in der Dampfphase zu konzentrieren, wohingegen die Komponente mit dem niedrigeren Dampfdruck (oder die weniger flüchtige oder hochsiedende Komponente) dazu neigen wird, sich in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Destillation ist das Trennverfahren, bei dem eine Erwärmung eines Flüssigkeitsgemisches benutzt werden kann, um die flüchtigere(n) Komponente(n) in der Dampfphase und somit die weniger flüchtige(n) Komponente(n) in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Partielle Kondensation ist das Trennverfahren, bei dem die Kühlung eines Dampfgemisches benutzt werden kann, um die flüchtige(n) Komponente(n) in der Dampfphase und dadurch die weniger flüchtige(n) Komponente(n) in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Rektifikation oder kontinuierliche Destillation ist das Trennverfahren, das aufeinanderfolgende partielle Verdampfungen und Kondensationen kombiniert, wie sie durch eine Gegenstrombehandlung der dampfförmigen und flüssigen Phasen erzielt werden. Das Inkontaktbringen der dampfförmigen und flüssigen Phasen im Gegenstrom ist adiabatisch, und es kann einen vollständigen oder differentiellen Kontakt zwischen den Phasen beinhalten. Trennverfahrensanordnungen, die die Prinzipien der Rektifikation zum Trennen von Gemischen benutzen, werden oft als Rektifikationskolonnen, Destillationskolonnen oder Fraktionierkolonnen bezeichnet, wobei diese Begriffe untereinander ausgetauscht werden können. Tieftemperatur-Rektifikation ist ein Rektifikationsverfahren, das zumindest teilweise bei Tieftemperaturen, wie z.B. bei Temperaturen bei oder unterhalb 125 ºK, ausgeführt wird.
  • Der Begriff "indirekter Wärmeaustausch", wie hier benutzt, bedeutet, daß zwei Fluidströme in eine Wärmeaustauschbeziehung gebracht werden, ohne daß irgendein physikalischer Kontakt oder eine Durchmischung der Fluide miteinander stattfindet.
  • Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Argonkolonne" ein System mit einer Kolonne und einem Kopfkondensator, welches einen argonhaltigen Einsatz verarbeitet und ein Produkt mit einer Argonkonzentration, die diejenige des Einsatzes übersteigt, erzeugt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die einzige Zeichnung ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Tieftemperatur-Rektifikationssystems gemäß dieser Erfindung, wobei die Tieftemperatur- Rektifikationsanlage eine Doppelkolonne mit einer damit verbundenen Argonkolonne aufweist.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail beschrieben. Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird Einsatzluft 100, die von niedrigsiedenden Verunreinigungen, wie beispielsweise Kohlendioxid und Wasserdamp, gereinigt wurde, mittels Durchlauf durch einen Wärmetauscher 101 mittels indirektem Wärmetausch mit Rückführströmen gekühlt. Ein Teil 113 wird mittels eines Teildurchlaufs durch den Wärmetauscher 112 kondensiert und dann als Teil des Stromes 720 in die Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage eingeleitet. Ein weiterer Teil 120 der Einsatzluft wird gegen Argonprodukt in einem Wärmetauscher 122 kondensiert und dann in eine Kolonne der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage eingeleitet. Ein dritter Teil 103 der Einsatzluft wird durch einen Turboexpander 102 turboexpandiert um Kälte zu erzeugen, und der sich ergebende turboexpandierte Strom 104 wird wie die anderen Anteile der Einsatzluft in die Kolonne 105 der Luftzerlegungsanlage eingebracht.
  • Ein Teil 106, welcher 10 bis 50 Prozent der Durchflußmenge der Einsatzluft 100 ausmacht, wird in einen Produktaufkocher 107 eingebracht, in welchem er mittels indirektem Wärmeaustausch mit siedendem flüssigem Sauerstoff zumindest teilweise kondensiert wird. Falls der sich ergebende Einsatzluftanteil 201 Dampf sowohl als auch Flüssigkeit enthält, kann der Strom 201 in einen Phasenabscheider 108 zwecks Trennung in Dampf und Flüssigkeit geleitet werden. Dampf 111 wird mittels eines Teildurchlaufs durch den Wärmetauscher 112 kondensiert und als Teil des Stromes 720 in die Kolonne 105 eingebracht. Flüssige oder kondensierte Einsatzluft 109 wird mittels indirektem Wärmeaustausch mit flüssigem Sauerstoff in dem Wärmetauscher 110 weiter gekühlt, und der sich ergebende Strom 699 wird mit dem Strom 720 kombiniert und in die Kolonne 105 eingeleitet.
  • Die Kolonne 105 ist die bei höherem Druck arbeitende Kolonne einer Doppelkolonnen-Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage, und sie wird bei einem Druck betrieben, der im allgemeinen im Bereich von 414 bis 621 kPa (60 bis 90 Pfund pro Quadratinch absolut (psia)) liegt. Innerhalb der Kolonne 105 werden die Einsätze der Kolonne mittels Tieftemperatur-Rektifikation in mit Stickstoff angereicherten Dampf und mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit zerlegt. Mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird in Strom 117 von der Säule 105 abgeleitet, mittels eines Teildurchlaufs durch den Wärmetauscher 112 weiter gekühlt und in den Kopfkondensator 131 einer Argonkolonne 132 eingebracht, in welchem sie gegen kondensierenden Rohargondampf teilweise verdampft wird. Der sich ergebende Dampf und die sich ergebende Flüssigkeit werden von dem Kopfkondensator 131 als Ströme 202 bzw. 203 in die Kolonne 130 eingebracht. Mit Stickstoff angereicherter Dampf wird von der Kolonne 105 als ein Strom 204 in einen Hauptkondensator 205 eingeleitet, in welchem er mittels indirektem Wärmeaustausch mit wiederaufkochender Sumpfflüssigkeit der Säule 130 kondensiert wird. Sich ergebende, mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit 206, wird in mindestens zwei Ströme 118 und 207 aufgeteilt. Der Strom 207 wird als Rückfluß in die Kolonne 105 zurückgeleitet, während der Strom 118 mittels eines Teildurchlaufs durch den Wärmetauscher 112 gekühlt und dann in die Kolonne 130 geleitet wird.
  • Ein Strom 134, der hauptsächlich Sauerstoff und Argon aufweist, wird von der Kolonne 130 in die Argonkolonne 132 eingeleitet, in welchem er mittels Tieftemperatur-Rektifikation in Rohargondampf und sauerstoffreichere Flüssigkeit aufgeteilt wird, die als ein Strom 133 in die Kolonne 130 zurückgeleitet wird. Rohargondampf, der im allgemeinen eine Argonkonzentration von mindestens 95 Prozent aufweist, wird in dem Kopfkondensator 131 gegen mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit kondensiert, wie zuvor beschrieben wurde. Ein Teil 208 des sich ergebenden flüssigen Rohargons wird als Rückfluß zu der Kolonne 132 zurückgeleitet, während ein weiterer Teil 121 mittels Durchleiten durch den Wärmetauscher 122 verdampft wird, wie zuvor beschrieben, und als Rohargon 209 gewonnen wird.
  • Die Kolonne 130 ist die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne einer Doppelkolonnen- Luftzerlegungsanlage, und sie wird bei einem Druck betrieben, der unter dem der Kolonne 105 liegt und der im allgemeinen im Bereich von 117 bis 207 kPa (17 bis 30 psia) liegt. Innerhalb der Kolonne 130 werden die verschiedenen Einsätze in die Kolonne mittels Tieftemperatur-Rektifikation in stickstoffreiche und sauerstoffreiche Fluide zerlegt. Stickstoffreicher Dampf wird als Strom 114 von der Kolonne 130 abgezogen, mittels Durchleiten durch die Wärmetauscher 112 und 101 erwärmt und kann als gasförmiger Stickstoffproduktstrom 210 gewonnen werden. Im allgemeinen wird das Stickstoffprodukt eine Reinheit von mindestens 99,99 % haben. Falls erwünscht, kann ein Strom von stickstoffreicher Flüssigkeit 119 von der Kolonne 130 abgezogen und als flüssiges Stickstoffprodukt gewonnen werden. Für Zwecke der Produktreinheit wird ein Abfalldampfstrom 115 von der Kolonne 130 von einer Stelle abgezogen, die unter jener Stelle liegt, an welcher der Strom 114 von der Kolonne 130 abgezogen wird, wobei der Strom 115 mittels Durchleiten durch die Wärmetauscher 112 und 101 erwärmt und als Strom 211 aus dem System herausgeleitet wird.
  • Sauerstoffreiche Flüssigkeit mit einer Sauerstoffreinheit von im allgemeinen mindestens 99,5 % wird als Strom 212 von der Kolonne 130 abgezogen und mittels Durchleiten durch eine Pumpe 140 auf einen höheren Druck aufgedrückt. Falls das Tieftemperatur-Rektifikationssystem keine Argonkolonne aufweist, kann die sauerstoffreiche Flüssigkeit eine niedrigere minimale Reinheit, wie beispielsweise 90 oder 95 %, aufweisen. Der aufgedrückte flüssige Sauerstoffstrom 213 wird dann als Strom 141 durch den Wärmetauscher 110 geleitet und wird dann in den Produktaufkocher 107 übergeleitet, in welchem er verdampft wird, um die zuvor erwähnte Kondensation der Einsatzluft auszuführen. Der sich ergebende gasförmige Sauerstoffstrom 143 wird mittels Durchleiten durch den Wärmetauscher 101 erwärmt und als gasförmiger Sauerstoffproduktstrom 620 gewonnen. Falls der gasförmige Produktsauerstoff direkt zu einer Verwendungsstelle geleitet wird, schließt die Gewinnung des gasförmigen Sauerstoffs die direkte Überleitung des Stromes 620 zu der Verwendungsstelle, wie beispielsweise einem Stahlwerk, ein.
  • Während den Zeiten, an welchen der Produktbedarf für gasförmigen Sauerstoff unter der Rate liegt, mit welcher flüssiger Sauerstoff erzeugt wird, kann anstatt die Betriebsrate der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage zu senken die Anlage kontinuierlich bei der Auslegungsrate Produkt erzeugen, und überschüssiger flüssiger Sauerstoff kann durch einen Strom 116 in den Speichertank 650 für flüssigen Sauerstoff geleitet werden, um einen Vorrat an flüssigem Sauerstoff zu erzeugen. Wenn der Produktbedarf für gasförmigen Sauerstoff die Rate übersteigt, mit welcher flüssiger Sauerstoff erzeugt wird, kann der Durchfluß des flüssigen Sauerstoffs zu dem Produktaufkocher gesteigert werden, indem flüssiger Sauerstoff von dem Vorrat an flüssigem Sauerstoff in Tank 650 durch ein Ventil 600 und in eine Leitung 141 geleitet wird. Um den Wärmeaustausch in dem Produktkocher 107 auszugleichen, wird die Durchflußmenge an Einsatzluft in den Produktaufkocher 107 entsprechend mit dem gesteigerten Durchfluß an flüssigem Sauerstoff vergrößert. Dies führt zur Erzeugung von überschüssiger kondensierter Einsatzluft.
  • Bei dem vorliegenden System wird ein Speichertank für flüssige Luft mit dem Produktaufkocher verbunden. Durch Einsatz des Produktaufkochers zum Verdampfen des flüssigen Sauerstoffs muß dem System keine signifikante Energiemenge in Form von Wärme zugeführt werden. Die von dem verdampfenden flüssigen Sauerstoff gewonnene Kälte wird in die Tieftemperatur-Rektifikationsanlage wieder eingespeist. Wenn das System überschüssige flüssige Luft erzeugt, wird die überschüssige kondensierte Einsatzluft in Strom 700 in den Tank 750 für flüssige Luft eingeleitet, um einen Vorrat an flüssiger Luft zu erzeugen, wie er benötigt wird, um die vorgesehene Betriebsrate der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage aufrechtzuerhalten, und wird durch Strom 710 und Strom 720 in die Kolonne 105 übergeleitet. Obschon die Tanks 650 und 750 in der Zeichnung als einzelne Tanks veranschaulicht sind, versteht sich, daß einer oder beide dieser Tanks eine Reihe von Tanks sein könnte.
  • Eine wichtige Komponente des vorliegenden Systems ist der Tank 750 für flüssige Luft. Der unterkühlte flüssige Luftstrom 699 wird über eine Leitung zu dem Speichertank für flüssige Luft 750 und zu der Kolonne 105 geleitet. Die Durchflußmengen der Ströme 700 und 710 werden moduliert, um die gewünschte Zufuhr an flüssiger Luft 720 für die Kolonne 105 beizubehalten. Bei stationären Bedingungen wurden der flüssige Sauerstoffzusatzstrom 600 und die Zufuhr an flüssiger Luft 700 zu dem Tank 750 Null betragen. Wenn der Bedarf für gasförmigen Sauerstoff ansteigt, steigt der Durchfluß der Ströme 100, 106, 143, 600 und 700 an, um den Bedarf abzudecken, während andere Anlagenströme im wesentlichen konstant bleiben. Nachdem der Bedarf für flüssigen Sauerstoff abgenommen hat, wird der Durchfluß der Ströme 100, 106 und 143 etwas unter den jeweiligen Wert für einen stationären Betrieb gesenkt, und die Ströme 600 und 700 werden auf Null reduziert. Diese Reduktion der Luftzufuhr 106 zu dem Produktaufkocher 107 wird die Zufuhr an flüssiger Luft 699 von dem Wärmetauscher 110 reduzieren. Ein Strom an flüssiger Luft 710 wird dazu veranlaßt, von dem Tank 750 abzugehen, um einen konstante Zufuhr an flüssiger Luft 720 zu der Kolonne 105 aufrechtzuerhalten. Der flüssige Sauerstoffstrom 116 zu dem Speichertank 650 wird vergrößert, um konstante Kolonnenbedingungen aufrechtzuerhalten.
  • Der Druck des Sauerstoffstromes 143 wird durch den Druck und den Durchfluß des Luftstromes 106, die Auslegung des Produktaufkochers 107 und den Druck des Stromes 141 bestimmt. Es können Flüssigkeitspumpen und/oder spezielle Tanks benutzt werden, um den Druck des Stromes 141 auf den gewünschten Pegel anzuheben. Das flüssige Sauerstoffprodukt kann direkt zu dem Tank 650 gefördert werden, oder es kann von dem Produktaufkocher 107 abgezogen, in einem Wärmetauscher 112 unterkühlt und über eine Leitung zu einem externen Speicherbehälter geleitet werden.
  • Wenn Produktsauerstoff-Kompressoren benutzt werden, ist das Vermögen, den Druck des gasförmigen Sauerstoffstroms 143 zu manipulieren, von besonderem Vorteil. Durch Verdampfen von flüssigem Sauerstoff in dem Produktaufkocher gegen kondensierende Hochdruck-Einsatzluft wird Hochdruck-Sauerstoff erzeugt. Falls Sauerstoffprodukt bei einem Druck erzeugt werden würde, welcher durch den Arbeitsdruck der Kolonne bestimmt wird, müßten zum Anheben des Produktdruckes die gesamten Drücke des Kolonnensystems angehoben werden, was zu beträchtlichen Nachteilen hinsichtlich der Effizienz führen würde. Das vorliegende System ermöglicht es, die zusätzliche Luftkompressionsarbeit in dem Expander 102 in Kühlung umzuwandeln, ohne daß die Drücke in dem Kolonnensystem angehoben werden. Dies erzeugt die sich ergebende Produktionsmenge an Flüssigkeit und eliminiert physikalische Beschränkungen in dem Kolonnensystem, wie beispielsweise die Druckauslegung der Kolonne 130.
  • Der Tank für flüssige Luft 750 erlaubt es, das gasförmige Sauerstoffprodukt um zusätzlichen Einsatz von dem Tank 650 zu vergrößern, ohne daß der Kolonnenbetrieb beeinträchtigt wird. Dies vergrößert den Arbeitsbereich des Systems, indem die momentane Produktion an gasförmigem Sauerstoff die mittlere Produktion an gasförmigem Sauerstoff und die Kühlungsbilanz entkoppelt werden. Die Speicherung von flüssiger Luft erlaubt es, die Variablen unabhängig voneinander zu steuern. Der Tank für flüssige Luft macht es außerdem leichter, das Entlüften von Sauerstoffprodukt zu eliminieren, da bereits eine Kühlquelle zur Verfügung steht, wenn überschüssige Sauerstoffmoleküle vorhanden sind. Ein System mit Aufnahmebehältern würde erfordern, daß überschüssige Sauerstoffmoleküle entlüftet werden, wenn die Aufnahmebehälter voll sind.
  • Eine Steigerung des Einsatzdrucks des Sauerstoffprodukt-Kompressors wird gegenüber dem Verdampfen von Flüssigkeit von einem Speicher bevorzugt, um die Anlagenkapazität während Perioden eines höheren Bedarfs anzuheben. Während Perioden mit geringem Bedarf kann der Saugdruck an dem Sauerstoffkompressor so weit wie möglich gesenkt werden, um den Energieverbrauch zu minimieren. Das vorliegende System erlaubt es, den Einsatzluftdruck in Strom 100 zu senken, wenn die Sauerstoffdruckanforderungen abfallen. Der Abfall des Einsatzluftdrucks verringert den Energieverbrauch.
  • Eine weitere nützliche Anwendung für das vorliegende System findet sich in Situationen, in welchen große Unterschiede hinsichtlich der Energiekosten, basierend auf der Tageszeit, bestehen. Es ist möglich, Luft zu verwenden, um die Dampfantriebskraft in dem Produktaufkocher 107 bereitzustellen, und die gesamte verflüssigte Luft zu dem Tank 750 zu schicken. Die Sauerstoffzufuhr 142 zu dem Produktaufkocher 107 würde während Perioden mit hohen Energiekosten vollständig oder zum Großteil von dem Speichertank 650 genommen werden. Wenn die Energiekosten niedrig sind, würde der Luftstrom gesteigert werden und die Destillationskolonne würde in Betrieb genommen werden. Flüssige Luft von dem Tank 750 würde der Kolonne 130 als eine Quelle von Molekülen und von Kälte zugeführt werden. Die gesamte Sauerstofferzeugung während den Perioden mit geringen Energiekosten wäre erheblich größer als der mittlere Bedarf Flüssiges Sauerstoffprodukt in Strom 116 würde in ausreichenden Mengen erzeugt werden, um den Wärmetauscher 107 zu versorgen, wenn die Destillationskolonnen 105 und 103 nicht in Betrieb wären.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff mittels Tieftemperatur-Rektifikation von Einsatzluft, bei welchem:
(A) ein Teil (106) der Einsatzluft (100) in einen Produktaufkocher (107) eingeleitet und Einsatzluft mittels indirektem Wärmeaustausch mit flüssigem Sauerstoff in dem Produktaufkocher kondensiert wird;
(B) kondensierte Einsatzluft (720) in eine Tieftemperatur-Rektifikationsanlage eingeleitet wird, die eine bei höherem Druck arbeitende Kolonne (105) und eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (130) aufweist, und in der Anlage flüssiger Sauerstoff erzeugt wird;
(C) in der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage erzeugter flüssiger Sauerstoff (212) zwecks Kondensation der Einsatzluft zu dem Produktaufkocher (107) übergeleitet wird und gasförmiger Sauerstoff (143, 620) von dem Produktaufkocher als Produkt gewonnen wird;
(D) in der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage erzeugter flüssiger Sauerstoff aufgedrückt und danach der aufgedrückte flüssige Sauerstoff in einen Flüssigsauerstofftank (650) eingeleitet wird, um einen Vorrat an flüssigem Sauerstoff zu erzeugen;
(E) der Strom an flüssigem Sauerstoff zu dem Produktaufkocher (107) gesteigert wird, indem flüssiger Sauerstoff von dem Vorrat an flüssigem Sauerstoff zu dem Produktaufkocher geleitet wird, und der Strom an Einsatzluft (106) zu dem Produktaufkocher entsprechend gesteigert wird, um überschüssige kondensierte Einsatzluft zu erzeugen;
(F) überschüssige in dem Produktaufkocher (107) erzeugte kondensierte Einsatzluft in einen Flüssiglufttank (750) eingeleitet wird, um einen Vorrat an flüssiger Luft zu erzeugen, während kondensierte Binsatzluft fortgesetzt in die Tieftemperatur- Rektifikationsanlage geleitet wird ohne durch den Flüssiglufttank geleitet zu werden; und
(G) ein weiterer Teil (103) der Einsatzluft turboexpandiert wird, und der turboexpandierte Teil (104) der Einsatzluft in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne (105) eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner ein Argon enthaltendes Fluid (134) von der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage in die Argonkolonne (132) eingeleitet wird und von der Argonkolonne ein Argonfluid (209) mit einer Argonkonzentration von mindestens 95 Prozent gewonnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner kondensierte Einsatzluft (109) durch indirekten Wärmeaustausch mit flüssigem Sauerstoff gekühlt wird, bevor die kondensierte Einsatzluft (720) in die Tieftemperatur-Rektifikationsanlage eingeleitet wird.
4. Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff mit
(A) einem Produktaufkocher (107), einer Anordnung zum Zuleiten von Einsatzluft (106) in den Produktaufkocher und einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit (720) von dem Produktaufkocher zu einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage, die eine bei höherem Druck arbeitende Kolonne (105) und eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (130) aufweist;
(B) einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit von der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage in den Produktaufkocher (107) und einer Anordnung zum Gewinnen von gasförmigem Produkt von dem Produktaufkocher;
(C) einem Flüssigsauerstofftank (650) und einer Anordnung zum Einleiten von Flüssigkeit von dem Flüssigsauerstofftank in den Produktautkocher (107);
(D) einem Flüssiglufttank (750), einer Anordnung zum Einleiten von Flüssigkeit von dem Produktaufkocher in den Flüssiglufttank und einer Anordnung zum Einleiten von Flüssigkeit von dem Flüssiglufttank in die Tieftemperatur-Rektifikationsanlage; und
(E) einem Turboexpander (102) und einer Anordnung zum Überleiten von Einsatzluft (103) in den Turboexpander; dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage ferner versehen ist mit
(F) einer Pumpe (140) und einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit von der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage zu der Pumpe und von der Pumpe in den Flüssigsauerstofftank (650);
(G) einer Anordnung zum Einleiten von Einsatzluft (104) von dem Turboexpander (102) in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne (105); und daß
(H) die unter Punkt (A) genannte Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit (720) von dem Produktaufkocher (107) zu der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage nicht den Flüssiglufttank (750) einschließt.
5. Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 4, ferner versehen mit einer Argonkolonne (132), einer Anordnung zum Einleiten von Fluid (134) von der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage in die Argonkolonne und einer Anordnung zum Gewinnen von Fluid von der Argonkolonne.
6. Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 4, ferner versehen mit einem Wärmetauscher (110), einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit (109) von dem Produktaufkocher (107) zu dem Wärmetauscher und einer Anordnung zum Einleiten von Flüssigkeit (720) von dem Wärmetauscher in die Tieftemperatur-Rektifikationsanlage.
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