DE69922124T2 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von variablen Gasmengen - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung eines komprimierten Speisegases, insbesondere von Druckluft zur Belieferung eines Verbrauchers mit einem variablen Durchfluss eines Produktgases, insbesondere Stickstoff, mittels einer Trennvorrichtung mit variabler Kapazität, die durch eine Kompressionsvorrichtung gespeist wird.
  • Die Erfindung gilt insbesondere für die Produktion von Stickstoff ausgehend von atmosphärischer Luft durch Destillation oder Permeation.
  • Der Einsatz von Vorrichtungen zur Trennung von Luft mit variablem Durchfluss tendiert dazu, sich aufgrund der Standardisierungsvorteile, die sie bieten, zu verbreiten: die Studienkosten werden über mehr Vorrichtungen getilgt, das Gruppieren der Beschaffungen erlaubt es, ihre Kosten zu verringern, der Serieneffekt verringert den Einzelselbstkostenpreis der Vorrichtungen, man kann Vorrichtungen lagern, um die Belieferungsfrist bei den Kunden zu verringern, denn man weiß, dass sie einer umfangreichen Reihe von Anfragen entsprechen können, die Wartungsarbeiten werden vereinfacht, und der Bestand an Ersatzteilen ist verringert usw.
  • Die Trennvorrichtungen mit variablem Durchfluss werfen jedoch Anpassungsprobleme der Vorrichtung selbst und ihres Speisekompressors an die variablen Betriebsbedingungen auf, um die Trennungsleistungen und den spezifischen Energieverbrauch so weit wie möglich aufrechtzuerhalten.
  • Daher ist es bekannt, die kleinen Luftdestillationsvorrichtungen digital zu regeln: sie stoppen, wenn der Stickstoffdruck in dem Benutzernetz bis zu einem vorbestimmten oberen Schwellenwert steigt, und starten wieder, wenn dieser Druck bis zu einem vorbestimmten unteren Schwellenwert sinkt.
  • Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass die Destillationsvorrichtung viel Zeit zum Neustarten braucht, und dass ihr Kompressor während der ganzen Neustartdauer seine Nennenergie mit einer Stickstoffproduktion gleich Null verbraucht. Wenn man die Anzahl der Stopp-/Neustartzyklen verringern will, muss man eine Pufferkapazität mit großem Volumen installieren.
  • Ferner ist es bekannt, den überschüssigen Stickstoffdurchfluss ins Freie abzuleiten. Die spezifische Energie steigt dann natürlich um ebenso viel.
  • Die Dokumente US-A-5 730 778 und EP-A-0 821 992 beschreiben Anlagen mit einem einzigen Kompressor mit variabler Drehzahl, und das Dokument JP-A-05.084418 beschreibt eine Anlage mit zwei Kompressoren mit variablen Durchsätzen in paralleler Schaltung.
  • Die Erfindung hat die Aufgabe, ein zufriedenstellendes Funktionieren der Trennvorrichtungen für Gas mit einer relativ großen Produktdurchflussvariationsspanne im Vergleich zum Nenndurchfluss zu erlauben.
  • Dazu schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, bei dem:
    • – man nur einen Teil des Speisegasdurchflusses mittels mindestens einem ersten Kompressors mit variabler Drehzahl (2) komprimiert, wobei ein vorbestimmter Durchfluss dieses Gases durch mindestens einen zweiten Kompressor (2A) mit fester Drehzahl, der parallel zu dem ersten Kompressor (2) angeordnet ist, komprimiert,
    • – man mindestens einen Parameter misst, der für den durch den Verbraucher geforderten Gasdurchfluss repräsentativ ist, und
    • – man die Drehzahl des ersten Kompressors (2) in Abhängigkeit von dieser Messung einstellt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner eines oder mehrere der folgenden Merkmale getrennt oder in allen ihren technisch möglichen Kombinationen umfassen:
    • – der Teil des Speisegasdurchflusses, der von dem ersten Kompressor geliefert wird, deckt die gesamte Kapazitätsvariationsspanne der Trennvorrichtung ab,
    • – der Parameter ist der Druck und/oder der Durchfluss des Speisegases oder des Produktgases und/oder die Reinheit des Produktgases,
    • – man regelt den Durchfluss eines Restgases der Trennvorrichtung oder den Durchfluss des Produktgases in Abhängigkeit von der Drehzahl des Kompressors.
  • Die Erfindung hat auch eine Anlage zur Aufgabe, die zur Umsetzung des oben definierten Verfahrens bestimmt ist.
  • Diese Anlage der Art, die eine Trennvorrichtung mit variabler Kapazität und eine Kompressionsvorrichtung des Speisegases umfasst, dessen Ausstoß mit dem Eingang dieser Vorrichtung verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet:
    • – dass die Kompressionsvorrichtung (2; 2A) parallel mindestens einen ersten Kompressor (2) mit variabler Drehzahl umfasst, der mit einem Drehzahlregler (9) versehen ist, und mindestens einen zweiten Kompressor (2A) mit fester Drehzahl,
    • – und dadurch, dass sie Mittel (8) zum Messen mindestens eines Parameters umfasst, der für den von dem Benutzer geforderten Gasdurchfluss repräsentativ ist, welche mit Mitteln (10) zum Ansteuern des Drehzahlreglers (9) verbunden sind.
  • Beispiele für Anlagen, die für die Umsetzung der Erfindung geeignet sind, werden jetzt unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 und 2 schematisch zwei Anlagen zur Stickstoffproduktion zeigen, die an die Erfindung angepasst werden können,
  • 3 ein Diagramm ist, das Variationen des Stickstoffdrucks und der elektrischen Leistung darstellt, die in Abhängigkeit von dem Luftdurchfluss verbraucht wird, und
  • 4 eine schematische Ansicht analog zu 1 ist, die die Erfindung darstellt.
  • Bei der schematisch in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst die Anlage im Wesentlichen eine Lufttrennvorrichtung 1 der Art mit Permeation durch Membran oder mit Adsorption durch Druckvariation, die durch einen ersten Luftkompressor mit variabler Drehzahl 2 gespeist wird. Letzterer saugt die Umgebungsluft an, und sein Ausstoß 3 ist mit dem Lufteingang 4 der Vorrichtung 1 verbunden. Der Ausgang 5 des erzeugten Stickstoffs dieser Vorrichtung ist über eine Nutzungsleitung 6 ohne Schieber mit einem Benutzernetz 7 verbunden.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die Anlage auch eine Vorrichtung 8 zum Messen mindestens eines Parameters, der für die Stickstoffnachfrage des Netzes 7 repräsentativ ist. Es handelt sich zum Beispiel um einen Druckabnehmer, einen Durchflussmesser und/oder einen Gasanalysator, der an die Leitung 6 wie dargestellt angeschlossen ist. In den zwei ersten Fällen kann die Messvorrichtung 8 auch stromaufwärts an der Leitung, die den Kompressor mit der Trennvorrichtung verbindet, angeschlossen sein, da der Druck am Eingang und am Ausgang der Vorrichtung 1 im Wesentlichen der gleiche ist, während der Luftdurchfluss im Wesentlichen zum Stickstoffdurchfluss proportional ist. Die Vorrichtung 8 kann auch ein Erzeuger eines Signals sein, das für einen von dem Benutzer geforderten Solldurchfluss repräsentativ ist.
  • Der Kompressor 2 wird von einem Elektromotor M mit variabler Drehzahl angetrieben, welcher Motor von einem elektronischen Drehzahlregler 9 gesteuert wird. Dieser Drehzahlregler, bestehend aus einem Frequenzwandler, wird von einer elektronischer Steuereinheit 10 angesteuert, die die von der Messvorrichtung 8 gelieferten Daten verarbeitet.
  • Wenn der verlangte Stickstoffdurchfluss sinkt, erfasst die Vorrichtung 8 diese Durchflussverringerung oder eine Steigerung des Stickstoffdrucks oder eine Verringerung der Reinheit des Stickstoffs. Die Vorrichtung 8 sendet ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit 10, die dem Drehzahlregler 9 ein Signal zum Verringern der Drehzahl sendet. Der Luftdurchfluss wird daher mit einer entsprechenden Verringerung der verbrauchten Energie verringert, und der Betriebsdruck der Vorrichtung 1 wird verringert.
  • Daher werden die Leistungen des Geräts 1 und die spezifische Energie vom verringerten Betrieb der Anlage nur geringfügig beeinträchtigt.
  • Die Luftdestillationsvorrichtung, die in 2 dargestellt ist, funktioniert ebenfalls nach diesem Konzept. Bei diesem Beispiel ist die Vorrichtung 1 eine Luftdestillationskolonne des Typs HPN (High Purity Nitrogen), die kopfseitig einen Stickstoffkondensator 11 hat. Diese Kolonne ist mit einer Wärmeaustauschleitung 12 und mit einem Flüssigstickstoffvorrat 13 verbunden. Ihr Stickstoffnenndurchfluss beträgt 750 Nm3/h bei 9 bar absolut.
  • Die eingelassene Luft, die in 14 gefiltert wird, wird in 15 von dem Kompressor 2 auf den Destillationsdruck komprimiert, ungefähr auf Umgebungstemperatur abgekühlt, in 16 noch einmal gefiltert und in 17 durch Adsorption getrocknet und entkarbonisiert. Die Luft wird anschließend bis etwa auf ihren Taupunkt in der Austauschleitung 12 abgekühlt und dann in den Behälter der Kolonne 1 eingeleitet. Die „reichhaltige Flüssigkeit" (mit Sauerstoff angereicherte Luft), die in dem Behälter der Kolonne aufgefangen wird, wird nach Druckminderung in einem Druckminderventil 18 in den Verdampfer des Kondensators 11 eingeführt, wo sie verdampft. Der Flüssigkeitsfüllstand in diesem Kondensator steuert das Druckminderventil 18 an. Die verdampfte reichhaltige Flüssigkeit bildet das Restgas der Anlage. Nach dem Erhitzen in 12 wird es über eine Leitung 19 abgeleitet, die mit einem Regelschieber 20 ausgestattet ist, nachdem das Adsorptionsmittel in 17 regeneriert wurde (nicht dargestellter Vorgang).
  • Der produzierte Stickstoff, der am Kopf der Kolonne 1 über eine Leitung 21 abgezapft wird, wird in 12 erhitzt und zu der Nutzleitung 6 geleitet.
  • Das Kalthalten der Anlage wird durch „Zwischennachladung" von Flüssigstickstoff sichergestellt, der aus dem Vorrat 13 abgezapft und am Kolonnenkopf über eine Leitung 22 eingeführt wird, die mit einem Regelschieber 23 versehen ist. Diese Letztere wird so angesteuert, dass der Flüssigkeitsfüllstand im Kolonnenbehälter konstant gehalten wird. Bei Bedarf kann zusätzlicher Flüssigstickstoff, der aus dem Vorrat 13 abgezapft wird, in einem Hilfsverdampfer 24 verdampft und in die Leitung 6 über eine Leitung 25, die mit einem Schieber 26 ausgestattet ist, hinzugefügt werden.
  • Bei diesem Beispiel ist die Messvorrichtung 8 ein Druckaufnehmer, der an die Leitung 6 stromaufwärts der Mündung der Leitung 24 angeschlossen ist.
  • Beim Betrieb mit einem Durchfluss, der geringer ist als der Nenndurchfluss (2 und 3), berechnet die Steuereinheit eine Solldrehzahl des Kompressors mit variabler Drehzahl 2 so, dass ein im Wesentlichen konstanter Stickstoffdruck PN aufrechterhalten wird. Die verbrauchte Leistung W ist geringer als die Nennleistung, die der Motor und der Drehzahlregler des Kompressors verbrauchen und steigt allmählich mit dem Durchfluss.
  • Hingegen wird die Solldrehzahl beim Betrieb mit einem Durchfluss, der größer ist als der Nenndurchfluss, so berechnet, dass sie einer Drehzahl-/Druckkurve folgt, die so berechnet wird, dass sie die Nennleistung des Motors und des Drehzahlreglers im Wesentlichen konstant hält, während der Stickstoffdruck beim Steigen des Durchflusses allmählich sinkt.
  • Man regelt daher den verarbeiteten Luftdurchfluss. Um ferner die Leistungen der Vorrichtung, insbesondere die Energieleistungen aufrechtzuerhalten, passt man den Durchfluss des hergestellten Stickstoffs wie folgt an: der Extraktionsprozentsatz (Verhältnis zwischen Stickstoffdurchfluss/Luftdurchfluss) wird von der Steuereinheit 10 in Abhängigkeit von dem Druck berechnet, der in der Kolonne herrscht. Dieser Prozentsatz liegt bei 40 % und steigt leicht, wenn der Druck sinkt. Man erzielt daher einen Sollstickstoffdurchfluss gleich dem Luftdurchfluss (dargestellt durch die Drehzahl des Kompressors) multipliziert mit dem Extraktionsprozentsatz. Der Stickstoffdurchfluss wird ständig von einem Durchflussmesser 27, der mit der Leitung 6 verbunden ist, gemessen und mit dem Solldurchfluss durch die Einheit 10 verglichen, um das Ventil 20 in die Richtung zu steuern, die den Unterschied aufhebt. Dieser Regelbetrieb für starke Durchflüsse ist sehr günstig, denn die Destillation wird verbessert, wenn der Druck gesenkt wird. Natürlich kann das Ventil 20 als Variante in der Stickstoffleitung 6 mit einem analogen Regelmodus platziert werden.
  • In den Beschreibungen der 1 und 2 oben wird angenommen, dass der Kompressor mit variabler Drehzahl 2 das Wesentliche der Luftdurchflussspannen liefern kann, die der Anpassungsfähigkeit der Kolonne 1 entsprechen, welche im Allgemeinen einem Faktor von etwa 2 entspricht, zum Beispiel von 60 % bis 120 % des Nenndurchflusses. Gemäß einem schematisch in 4 dargestellten Aspekt der Erfindung, der für die zwei vorhergehenden Beispiele gilt, umfasst die Kompressionsvorrichtung jedoch ferner mindestens einen zusätzlichen Kompressor 2A mit fester Drehzahl, der parallel zu dem ersten Kompressor 2 mit variabler Drehzahl installiert ist. Der Kompressor 2A liefert ständig den Mindestluftdurchfluss, das heißt typisch 40 % des Nenndurchflusses in dem vorhergehenden Beispiel, und der Kompressor mit variabler Drehzahl 2 liefert den Rest des Luftdurchflusses, also 0 bis 80 % des Nenndurchflusses. Daher ist die Gesamtinvestition verringert ebenso wie die Energieverluste aufgrund des Drehzahlreglers, denn diese Verluste betreffen nur einen Bruchteil des Durchflusses.
  • Beispielhaft kann man einen Luftkompressor mit variabler Drehzahl 2 mit geschmierter Schraube vorsehen, die von einem Asynchronelektromotor mit variabler Drehzahl zu 90 kW angetrieben wird, der einen Nennförderdruck von 11 bar absolut und einen Nenndurchfluss von 650 Nm3/h hat, und einen Luftkompressor mit fester Drehzahl 2A mit geschmierter Schraube, die von einem Asynchronelektromotor zu 90 kW mit konstanter Drehzahl angetrieben wird, wobei dieser Motor einen Nennförderdruck von 11 bar absolut und einen Nenndurchfluss von 700 Nm3/h hat.
  • Die Erfindung kann verwendet werden, um eine Anlagenreihe zu beliefern, die gestaffelte Kapazitäten hat, mit einer gemeinsamen Trennvorrichtung, einem gemeinsamen Kompressor und Mitteln zum Antreiben dieses Letzteren mit verschiedenen Drehzahlen, die vorbestimmt werden können. In diesem letzteren Fall kann der elektronische Drehzahlregler, der den Motor des Kompressors steuert, durch eine einfachere Einrichtung ersetzt werden, die aus einer Reihe von Übertragungen mit verschiedenen Untersetzungen besteht, zum Beispiel eine Reihe von Scheiben-Riemen, die zwischen dem Motor, der mit einer festen Drehzahl dreht, und dem Kompressor eingefügt werden. Man kann daher einen hohen Grad an Standardisierung erreichen, insbesondere für kleine Anlagen, das heißt in dem Fall von Stickstoffproduktion durch Luftdestillation, die zum Beispiel 200 bis 1500 Nm3/h produziert.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Trennung eines komprimierten Speisegases zur Belieferung eines Verbrauchers (7) mit einem variablen Durchfluss eines Produktgases mittels einer Trennvorrichtung (1) mit variabler Kapazität, die durch eine Kompressionsvorrichtung (2; 2A) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass: – nur ein Teil des Speisegases mittels eines ersten Kompressors mit variabler Drehzahl (2) komprimiert wird, wobei ein vorbestimmter Durchfluss dieses Gases durch zumindest einen zweiten Kompressor (2A) mit fester Drehzahl komprimiert wird, der parallel zu dem ersten Kompressor (2) angeordnet ist, – zumindest ein Parameter gemessen wird, der für den durch den Verbraucher geforderten Gasdurchfluss repräsentativ ist, und – die Drehzahl des ersten Kompressors (2) in Abhängigkeit von dieser Messung eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des durch den ersten Kompressor (2) komprimierten Speisegases den Großteil der Kapazitätsvariationsspanne der Trennvorrichtung (1) abdeckt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter der Druck und/oder der Durchfluss des Speisegases oder des Produktgases und/oder die Reinheit des Produktgases ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass (bei 20) der Durchfluss eines Restgases der Trennvorrichtung (1) oder der Durchfluss des Produktgases in Abhängigkeit von der Drehzahl des Kompressors (2) eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in eine unterer Variationsspanne des Speisegasdurchflusses, der insbesondere von der Minimalkapazität der Trennvorrichtung (1) bis zum Nenndurchfluss reicht, die durch den ersten Kompressor (2) verbrauchte Leistung (W) erhöht wird, wenn der Durchfluss zunimmt, wobei der Förderdruck dieses Kompressors im Wesentlichen konstant gehalten wird, während in der oberen Variationsspanne des Speisegasdurchflusses, der insbesondere vom Nenndurchfluss bis zur maximalen Kapazität der Trennvorrichtung (1) reicht, die durch den ersten Kompressor (2) verbrauchte Leistung (W) im Wesentlichen konstant gehalten wird, während der Förderdruck dieses Kompressors vermindert wird, wenn der Durchfluss zunimmt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Speisegas Luft ist und das Produktgas Stickstoff und/oder Sauerstoff.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Trennung des Speisegases durch Permeation erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Trennung des Speisegases durch Destillation erfolgt.
  9. Anlage zur Trennung eines komprimierten Speisegases, insbesondere Druckluft, zur Belieferung eines Verbrauchers (7) mit einem variablen Durchfluss eines Produktgases, insbesondere Stickstoff, der Art mit einer Trennvorrichtung (1) mit variabler Kapazität und einer Kompressionsvorrichtung (2; 2A), deren Ausstoß mit dem Eingang dieser Vorrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Kompressionsvorrichtung (2; 2A) parallel zumindest einen ersten Kompressor (2) mit variabler Drehzahl, der mit einem Drehzahlregler (9) versehen ist, und zumindest einen zweiten Kompressor (2A) mit fester Drehzahl umfasst, – und dass sie Mittel (8) zur Messung zumindest eines Parameters umfasst, der für den durch den Verbraucher geforderten Gasdurchfluss repräsentativ ist, die mit Mitteln (10) zur Steuerung des Drehzahlreglers (9) verbunden sind.
  10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompressor (2) dafür ausgelegt ist, eine Speisegasdurchflussspanne abzudecken, die den Großteil des Kapazitätsvariationsspanne der Trennvorrichtung (1) abdeckt.
  11. Anlage nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (8) einen Druckaufnehmer und/oder einen an den Speisegasstrom oder den Produktgasstrom angeschlossenen Durchflussmesser und/oder einen an den Produktgasstrom angeschlossenen Gasanalysator umfassen.
  12. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Berechnung einer Solldrehzahl des ersten Kompressors (2) umfasst, um den Druck oder die verbrauchte Leistung im Wesentlichen konstant zu halten.
  13. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (20) zur Regelung des Restgasdurchsatzes der Trennvorrichtung (1) oder des Produktgasdurchsatzes umfasst, die durch diese Rechenmittel angesteuert werden.
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