EP1413840A1 - Verfahren und Vorrichtung zur variablen Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft - Google Patents

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EP1413840A1
EP1413840A1 EP03002838A EP03002838A EP1413840A1 EP 1413840 A1 EP1413840 A1 EP 1413840A1 EP 03002838 A EP03002838 A EP 03002838A EP 03002838 A EP03002838 A EP 03002838A EP 1413840 A1 EP1413840 A1 EP 1413840A1
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EP
European Patent Office
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oxygen
pressure
liquid
nitrogen
pressure column
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03002838A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Pompl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F25J2250/20—Boiler-condenser with multiple exchanger cores in parallel or with multiple re-boiling or condensing streams

Definitions

  • the invention relates to a method for the variable generation of oxygen by low-temperature decomposition of air, in which feed air is introduced into a distillation column system which comprises at least one medium-pressure column and a low-pressure column, in the distillation column system generates a liquid oxygen fraction and at least is temporarily introduced into an oxygen tank, a liquid nitrogen fraction is generated in the distillation column system and is at least temporarily introduced into a nitrogen tank and in which, when there is an increased demand for oxygen, liquid oxygen is removed from the oxygen tank, evaporated by indirect heat exchange and obtained as a gaseous oxygen product.
  • the object of the invention is to further increase the flexibility of such a method.
  • the distillation column system also has a high-pressure column which operates under higher pressure than the medium-pressure column is and into which at least part of the feed air is introduced, and that in the indirect heat exchange to evaporate the liquid oxygen from the oxygen tank, a nitrogen-rich fraction from the high-pressure column is liquefied.
  • the flexibility of oxygen production can be increased considerably, particularly with regard to product pressure.
  • the pressure during the evaporation of the oxygen is no longer tied to the operating pressure of the low pressure column, but can be set independently of this with the help of a corresponding selection of the operating pressure of the high pressure column.
  • This evaporation produces a nitrogen-rich liquid which can be used in the distillation column system to improve the separation performance.
  • any fraction from the high-pressure column whose nitrogen content is greater than that of the air can be used as the heating medium (“nitrogen-rich fraction”) for evaporating the liquid oxygen.
  • the top gas of the high pressure column is preferably used.
  • the pressure of the liquid oxygen from the oxygen tank is increased upstream of its evaporation.
  • This enables a higher product pressure to be achieved in the oxygen gas.
  • the air introduced into the high pressure column must have a pressure that is higher than the operating pressure of the medium pressure column.
  • either the total air can be compressed to the high pressure or - to save energy - the air flow that forms the insert of the high pressure column can be compressed accordingly.
  • the nitrogen-rich liquid fraction which arises during the evaporation of the liquid oxygen is preferably at least partially introduced into one or more columns of the distillation column system and used there as reflux.
  • nitrogen gas from the high-pressure column is expanded while performing work in the process according to the invention.
  • This can be, for example trade a gas which has the same composition and the same origin as the above-mentioned nitrogen-rich fraction.
  • the amount of nitrogen gas which is relaxed during work is varied with the oxygen requirement. In this way, the cold production can be adapted to the respective operating situation.
  • the exact pattern of the control of a nitrogen turbine depending on the oxygen requirement is explained in detail in the Rohde article cited above and is used analogously in the method of the invention.
  • the combination of pressure evaporation and external compression can be used in particular for automatic control of the system depending on the oxygen demand (pipeline following) by measuring the pressure in the product line (pipeline) behind the gas compressor and the amount of gaseous oxygen product flowing through the gas compressor depending is set by this pressure.
  • the invention also relates to a device for the low-temperature separation of air according to claim 7.
  • a first partial flow 2 flows under this pressure to the cold end of a main heat exchanger 3, where it is cooled to about dew point and then introduced into a medium pressure column 6 via line 4 without pressure-changing measures.
  • the medium pressure column 6 is part of a distillation column system which also has a high pressure column 5 and a low pressure column 6, as well as two condenser evaporators, a top condenser 8 of the high pressure column and a top condenser 9 of the medium pressure column.
  • the two condenser evaporators 8, 9 are designed as falling film evaporators.
  • one or each of both can be designed as a circulation evaporator [thermosiphon evaporator].
  • the medium pressure column 6, the top condenser (main condenser) 9 and the low pressure column 7 are analogous to connected to a conventional Linde double column.
  • the spatial arrangement shown in the drawing is not essential to the invention; for example, the three components could also be arranged one above the other.
  • liquid raw oxygen is obtained and is introduced into the low-pressure column 7 via line 10, supercooling counterflow 11, line 12 and throttle valve 13.
  • Gaseous top nitrogen 14 of the medium pressure column 6 is practically completely liquefied in the top condenser 9.
  • the condensate 15 formed here is fed to a first part 16 as a return to the medium pressure column 6.
  • the rest is drawn off via line 17, supercooled (in FIG. 11) and fed via line 18 and throttle valve 19 into a separator (phase separator) 20 which is at approximately the same pressure as the low-pressure column 7.
  • the liquid Nitrogen 21 flows via line 22 to the top of the low pressure column and optionally via line 23 to a nitrogen tank 24. Flash gas is withdrawn via line 25.
  • gaseous nitrogen 26 leaves the low-pressure column and flows together with the flash gas 25 from the separator 20 via line 27, supercooling counterflow 11 and line 28 to the cold end of the main heat exchanger 3.
  • the nitrogen 29 is converted into a gaseous product ( GAN) deducted.
  • the oxygen product 30 is removed from the bottom of the low-pressure column 7 in liquid form, brought to an increased pressure in a pump 31 and introduced to a first part 32-33 into the evaporation chamber of the top condenser 9 of the medium-pressure column 6.
  • Another part of the pumped liquid oxygen optionally flows via lines 34 and 35 through subcooling countercurrent 11 into an oxygen tank 36.
  • a second partial flow 37 of the compressed and cleaned feed air 1 is further compressed in a post-compressor 38 with after-cooler 39.
  • the high pressure air 40 is cooled in the main heat exchanger 3 and fed into the high pressure column 5 via line 41. This is operated at a higher pressure than the medium pressure column 6.
  • Crude oxygen 42 from the sump of the high pressure column 5 is transferred to the medium pressure column 6 via a throttle valve 43.
  • Part of gaseous top nitrogen 44 of the high pressure column 5 is almost completely liquefied in the top condenser 8.
  • the condensate 46 formed here is fed to a first part 47 as a return to the high-pressure column 5.
  • the rest is drawn off via line 48, supercooled (in FIG.
  • the top condenser 8 of the high-pressure column 5 is cooled with a further part 60 of the liquid oxygen 30 pumped in 31 from the low-pressure column 7.
  • the pressure at the outlet of the pump 31 is set such that the oxygen 60 in the condenser 8 evaporates from the high-pressure column 5 against the condensing nitrogen.
  • the vaporized oxygen 61 is supplied to the main heat exchanger 3 at least to a first part 62 under the increased pressure and is heated there to approximately ambient temperature.
  • the warm oxygen 63-64 can be further compressed in a gas compressor (oxygen compressor) 65 to the desired product pressure or drawn off via line 66.
  • the rest Gaseous oxygen 67 is introduced together with that from the top condenser 9 of the medium-pressure column 6 into the lower region of the low-pressure column 7, where it serves as rising steam.
  • Another part 51 of the gaseous top nitrogen 44 of the high-pressure column 5 is heated to an intermediate temperature in the main heat exchanger 3. At this intermediate temperature, it flows via line 52 to an expansion machine (nitrogen turbine) 53 and is expanded there while performing work, which is braked by means of a generator 54. The expanded nitrogen 55 is finally mixed with the nitrogen product 28 drawn off from the low-pressure column 7.
  • an expansion machine nitrogen turbine
  • the two liquid tanks 24, 36 and the nitrogen turbine 53 perform the same function as described in detail in the Rohde article mentioned above, namely to compensate for fluctuations in the oxygen demand while the columns of the distillation column system are being loaded by buffering liquid.
  • FIG. 1 also shows the measuring and control devices that are required for carrying out the alternate storage.
  • the corresponding Control systems (symbolized by broken lines in the drawing) are generally integrated in an integrated digital control system.
  • the total amount of air to be separated is measured in line 1 (FIC - Flow Indication and Control 73) and set on the main air compressor (MAC - Main Air Compressor), not shown.
  • the distribution of the air volume between the first and second partial streams 2, 37 is measured in line 40 (FIC 74) and can be changed by adjusting the guide blades of the post-compressor 38.
  • the liquid balance of the columns is monitored by liquid level measuring devices (LIC - Liquid Indication and Control 75, 76, 77). For example, if the liquid level in the respective column sump increases, the discharge 42, 10 - 12-13 or 30 - 34 - 35 of oxygen-enriched liquid is increased (valves 43, 13, 56 for high-pressure column, medium-pressure column or low-pressure column) and / or the feed 57 , 59 of liquid oxygen 59 reduced in the low pressure column (by opening the valve 78). Concentration measurements (AIC - Analysis Indication and Control 79, 50) at medium height of the high pressure column and medium pressure column determine the return flow requirement.
  • LIC - Liquid Indication and Control 75, 76, 77 liquid level measuring devices
  • the throughput through valve 19 or 50 and / or the throughput through valve 84 is reduced.
  • the return flow for the low pressure column is kept constant (FIC 81).
  • Liquid level controller 82 acts on valve 83 and ensures that excess liquid nitrogen flows into tank 24.
  • the pressure upstream and downstream of the oxygen compressor 65 is measured (85, 86), and the total amount of the oxygen product (87).
  • the corresponding actuating devices act on the guide vanes of the oxygen compressor 65 and on valve 88.
  • the flow through the nitrogen turbine 52 is measured (93) and adjusted by means of the guide vanes of this turbine (94).
  • These measuring and control devices enable automatic control of the system depending on the oxygen demand (pipeline following) at increased pressure in the gaseous oxygen product.
  • the pipeline pressure drops, which the operations control system registers through the pressure measurement 86.
  • the flow control increases the throughput through compressor 65.
  • the Nitrogen turbine 53 is retracted, which increases the conversion at the top condenser 8 of the high-pressure column, as a result of which the additionally required oxygen is evaporated.
  • the liquid level controllers 75, 76, 77 and the analysis measurements 79, 80 ensure that the operation of the columns remains constant by adding missing or excess liquids from the buffer tanks 24, 36 or draining them there. If the compressor is at its swallowing limit and the pipeline pressure is still falling, the setpoint of the suction pressure regulator is automatically increased and the compressor throughput is increased. If the demand for oxygen drops, the control proceeds in the opposite direction.
  • the oxygen discharge pressure downstream of the gas compressor 65 can be varied as necessary.
  • Figure 2 largely corresponds to Figure 1. Only the differences are described below.
  • the second exemplary embodiment has a third partial flow 289 of the feed air, which is compressed together with the second partial flow 41 in the post-compressor 38. However, it is led out of the main heat exchanger 3 at an intermediate temperature and fed to a second expansion machine (air turbine) 290, where it relaxes to perform the pressure of the medium pressure column 6, for example. The mechanical energy generated in this way is transmitted to an electrical generator 291.
  • the third partial flow 292, which has been relieved of work, is fed with the cooled first partial flow 4 via line 204 into the medium-pressure column 6. In this way, additional cold can be obtained, which can be used to produce liquid products, which are preferably drawn off from one or both liquid tanks 24, 36 (not shown). Optimizing the inlet temperatures of the two turbines also improves the heat transfer in the main heat exchanger.

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur variablen Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft. Einsatzluft (1, 2, 4) wird in ein Destilliersäulen-System eingeleitet, das mindestens eine Mitteldrucksäule (6) und eine Niederdrucksäule (7) umfasst. Dort wird eine flüssige Sauerstoff-Fraktion (30) erzeugt, die mindestens zeitweise in einen Sauerstofftank (36) eingeleitet (34, 35) wird. Außerdem wird in dem Destilliersäulen-System eine flüssige Stickstoff-Fraktion (15, 46) erzeugt und mindestens zeitweise in einen Stickstofftank (24) eingeleitet (17, 18, 23, 48, 49). Bei erhöhtem Sauerstoffbedarf wird flüssiger Sauerstoff (57, 59) aus dem Sauerstofftank (36) entnommen, durch indirekten Wärmeaustausch (8) verdampft und als gasförmiges Sauerstoffprodukt (61, 62, 63, 64) gewonnen. Das Destilliersäulen-System weist außerdem eine Hochdrucksäule (5) auf, die unter höherem Druck als die Mitteldrucksäule (6) betrieben wird. Mindestens ein Teil (37, 40, 41) der Einsatzluft (1) wird in die Hochdrucksäule (5) eingeleitet. Bei dem indirekten Wärmeaustausch (8) zur Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs aus dem Sauerstofftank wird eine stickstoffreiche Fraktion (44, 45) aus der Hochdrucksäule (5) verflüssigt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur variablen Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft, bei dem Einsatzluft in ein Destilliersäulen-System eingeleitet wird, das mindestens eine Mitteldrucksäule und eine Niederdrucksäule umfasst, in dem Destilliersäulen-System eine flüssige Sauerstoff-Fraktion erzeugt und mindestens zeitweise in einen Sauerstofftank eingeleitet wird, in dem Destilliersäulen-System eine flüssige Stickstoff-Fraktion erzeugt und mindestens zeitweise in einen Stickstofftank eingeleitet wird und bei dem bei erhöhtem Sauerstoffbedarf flüssiger Sauerstoff aus dem Sauerstofftank entnommen, durch indirekten Wärmeaustausch verdampft und als gasförmiges Sauerstoffprodukt gewonnen wird.
  • Ein derartiges Wechselspeicherverfahren und seine Funktionsweise sind in dem Artikel "Luftzerlegungsanlage mit Wechselspeicherung für variable Sauerstofflieferung" von Wilhelm Rohde in Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 54/1984, Seiten 18 bis 20 beschrieben. Hier wird eine konventionelle Linde-Doppelsäule mit konstantem Durchsatz betrieben und erzeugt dabei eine mittlere Menge an Sauerstoffprodukt. Bei erhöhtem Sauerstoffbedarf wird flüssiger Sauerstoff aus einem Sauerstofftank in den Hauptkondensator geleitet und dort gegen Stickstoff aus der Mitteldrucksäule verdampft, der zusätzlich anfallende Flüssigstickstoff wird in einem Stickstofftank gespeichert. Umgekehrt wird bei verminderndem Sauerstoffbedarf flüssiger Sauerstoff aus der Niederdrucksäule in den Sauerstofftank geleitet; die fehlende Rücklaufmenge wird durch flüssigen Stickstoff aus dem Stickstofftank gedeckt. Dieser Prozess ist sehr flexibel hinsichtlich der Produktmenge an Sauerstoff.
  • Andere Wechselspeicherverfahren sind aus EP 842385 B1 oder US 5082482 bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Flexibilität eines derartigen Verfahrens noch weiter zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Destilliersäulen-System außerdem eine Hochdrucksäule aufweist, die unter höherem Druck als die Mitteldrucksäule betrieben wird und in die mindestens ein Teil der Einsatzluft eingeleitet wird, und dass bei dem indirekten Wärmeaustausch zur Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs aus dem Sauerstofftank eine stickstoffreiche Fraktion aus der Hochdrucksäule verflüssigt wird.
  • Hierdurch kann die Flexibilität der Sauerstoffgewinnung erheblich erhöht werden, insbesondere hinsichtlich des Produktdrucks. Der Druck beim Verdampfen des Sauerstoffs ist nicht mehr an den Betriebsdruck der Niederdrucksäule gebunden, sondern kann unabhängig davon eingestellt werden mit Hilfe einer entsprechenden Auswahl des Betriebsdrucks der Hochdrucksäule. Bei dieser Verdampfung wird eine stickstoffreiche Flüssigkeit gewonnen, die zur Verbesserung der Trennleistung in dem Destilliersäulen-System eingesetzt werden kann.
  • Als Heizmittel ("stickstoffreiche Fraktion") zur Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs kann grundsätzliche jede Fraktion aus der Hochdrucksäule eingesetzt werden, deren Stickstoffgehalt größer als derjenige der Luft ist. Vorzugsweise wird das Kopfgas der Hochdrucksäule verwendet.
  • Die Verdampfung flüssigen Sauerstoffs auf diese Weise ist an sich aus US 4604116 bekannt. Allerdings wird dieser flüssige Sauerstoff hier ausschließlich durch unmittelbares Produkt des Destilliersäulen-Systems gebildet.
  • Vorzugsweise wird der Druck des flüssigen Sauerstoffs aus dem Sauerstofftank stromaufwärts seiner Verdampfung erhöht. Hierdurch kann ein höherer Produktdruck im Sauerstoffgas erzielt werden. Entsprechend muss die in die Hochdrucksäule eingeführte Luft einen Druck aufweisen, der höher als der Betriebsdruck der Mitteldrucksäule ist. Hierzu kann entweder die Gesamtluft auf den hohen Druck verdichtet oder - Energie sparender - der Luftstrom, der den Einsatz der Hochdrucksäule bildet, entsprechend nachverdichtet werden.
  • Die stickstoffreiche flüssige Fraktion, die bei der Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs entsteht, wird vorzugsweise mindestens teilweise in eine oder mehrere Säulen des Destilliersäulen-Systems eingeleitet und dort als Rücklauf genutzt.
  • Es ist günstig, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Stickstoffgas aus der Hochdrucksäule arbeitsleistend entspannt wird. (Dabei kann es sich beispielsweise um ein Gas handeln, das dieselbe Zusammensetzung und denselben Ursprung wie die oben erwähnte stickstoffreiche Fraktion aufweist.) Dabei wird insbesondere die Menge des arbeitsleistend entspannten Stickstoffgases mit dem Sauerstoffbedarf variiert. Auf diese Weise kann die Kälteproduktion an die jeweilige Betriebssituation angepasst werden. Das genaue Muster der Steuerung einer Stickstoffturbine in Abhängigkeit vom Sauerstoffbedarf ist in dem oben zitierten Artikel von Rohde ausführlich erläutert und wird bei dem Verfahren der Erfindung analog angewendet.
  • Die oben beschriebene Druckerhöhung im flüssigen Sauerstoff (eine Art Innenverdichtung) kann durch eine Außenverdichtung ergänzt werden, indem das gasförmige Sauerstoffprodukt in einem Gasverdichter weiter verdichtet wird. Hierdurch können höhere Sauerstoffproduktdrücke erreicht werden.
  • Die Kombination aus Druckverdampfung und Außenverdichtung kann insbesondere zu einer automatischen Regelung der Anlage in Abhängigkeit vom Sauerstoffbedarf (Pipeline following) genutzt werden, indem der Druck in der Produktleitung (Pipeline) hinter dem Gasverdichter gemessen und die durch den Gasverdichter strömende Menge an gasförmigem Sauerstoffprodukt in Abhängigkeit von diesem Druck eingestellt wird.
  • Eine Erhöhung des Sauerstoffbedarfs macht sich durch das Absinken des Drucks in der Produktleitung bemerkbar. Als Reaktion wird der Durchsatz durch den Gasverdichter und damit die Menge des verdampften flüssigen Sauerstoffs erhöht. Entsprechend tendiert der Flüssigkeitsstand im Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers, in dem die Sauerstoff-Verdampfung durchgeführt zum Sinken. Dieser Tendenz wird mit Hilfe einer Flüssigkeitsstandregelung entgegengewirkt, welche eine entsprechende Menge an Flüssigkeit aus dem Sauerstofftank ergänzt. Ist der Gasverdichter an seiner Schluckgrenze, wird weiterhin automatisch der Sollwert des Saugdruckreglers erhöht und damit der Verdichter-Durchsatz erhöht. Bei Verringerung des Sauerstoffbedarfs wirkt der Regelkreis in der umgekehrten Richtung.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 7.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figur 1
    ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Entspannungsturbine und
    Figur 2
    ein weiteres Ausführungsbeispiel, das als Zwei-Turbinen-Verfahren ausgebildet ist.
  • Verdichtete und gereinigte Luft tritt über Leitung 1 in das Verfahren von Figur 1 ein. Ein erster Teilstrom 2 strömt unter diesem Druck zum kalten Ende eines Hauptwärmetauschers 3. Dort wird er auf etwa Taupunkt abgekühlt und anschließend über Leitung 4 ohne druckverändernde Maßnahmen in eine Mitteldrucksäule 6 eingeleitet.
  • Die Mitteldrucksäule 6 ist Teil eines Destilliersäulen-Systems, das außerdem eine Hochdrucksäule 5 und eine Niederdrucksäule 6 aufweist, sowie zwei Kondensator-Verdampfer, einen Kopfkondensator 8 der Hochdrucksäule und einen Kopfkondensator 9 der Mitteldrucksäule. (Die beiden Kondensator-Verdampfer 8, 9 sind in dem Beispiel als Fallfilmverdampfer ausgebildet. Alternativ kann einer oder jeder von beiden als Umlaufverdampfer [Thermosiphonverdampfer] ausgebildet sein.) Die Mitteldrucksäule 6, der Kopfkondensator (Hauptkondensator) 9 und die Niederdrucksäule 7 sind analog zu einer konventionellen Linde-Doppelsäule verschaltet. Die in der Zeichnung dargestellte räumliche Anordnung ist nicht wesentlich für die Erfindung; beispielsweise könnten die drei Bauteile auch übereinander angeordnet sein.
  • Im Sumpf der Mitteldrucksäule 6 fällt flüssiger Rohsauerstoff an und wird über Leitung 10, Unterkühlungs-Gegenströmer 11, Leitung 12 und Drosselventil 13 in die Niederdrucksäule 7 eingeführt. Gasförmiger Kopfstickstoff 14 der Mitteldrucksäule 6 wird im Kopfkondensator 9 praktisch vollständig verflüssigt. Das hierbei gebildete Kondensat 15 wird zu einem ersten Teil 16 als Rücklauf auf die Mitteldrucksäule 6 aufgegeben. Der Rest wird über Leitung 17 abgezogen, unterkühlt (in 11) und über Leitung 18 und Drosselventil 19 in einen Abscheider (Phasentrenner) 20 eingespeist, der unter etwa dem gleichen Druck wie die Niederdrucksäule 7 steht. Der flüssige Stickstoff 21 fließt über Leitung 22 zum Kopf der Niederdrucksäule und gegebenenfalls über Leitung 23 zu einem Stickstofftank 24. Flashgas wird über Leitung 25 abgezogen.
  • Als Kopfprodukt verlässt gasförmiger Stickstoff 26 die Niederdrucksäule und strömt gemeinsam mit dem Flashgas 25 aus dem Abscheider 20 über Leitung 27, Unterkühlungs-Gegenströmer 11 und Leitung 28 zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 3. Nach Anwärmung auf etwa Umgebungstemperatur wird der Stickstoff 29 als gasförmiges Produkt (GAN) abgezogen. Das Sauerstoffprodukt 30 wird dem Sumpf der Niederdrucksäule 7 in flüssiger Form entnommen, in einer Pumpe 31 auf einen erhöhten Druck gebracht und zu einem ersten Teil 32 - 33 in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 9 der Mitteldrucksäule 6 eingeleitet. Ein anderer Teil des gepumpten Flüssigsauerstoffs strömt gegebenenfalls über die Leitungen 34 und 35 durch den Unterkühlungs-Gegenströmer 11 in einen Sauerstofftank 36.
  • Ein zweiter Teilstrom 37 der verdichteten und gereinigten Einsatzluft 1 wird in einem Nachverdichter 38 mit Nachkühler 39 weiter komprimiert. Die Hochdruckluft 40 wird im Hauptwärmetauscher 3 abgekühlt und über Leitung 41 in die Hochdrucksäule 5 eingespeist. Diese wird bei einem höheren Druck als die Mitteldrucksäule 6 betrieben. Rohsauerstoff 42 vom Sumpf der Hochdrucksäule 5 wird über ein Drosselventil 43 in die Mitteldrucksäule 6 übergeleitet. Gasförmiger Kopfstickstoff 44 der Hochdrucksäule 5 wird zu einem Teil 45 im Kopfkondensator 8 praktisch vollständig verflüssigt. Das hierbei gebildete Kondensat 46 wird zu einem ersten Teil 47 als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 5 aufgegeben. Der Rest wird über Leitung 48 abgezogen, unterkühlt (in 11) und über Leitung 49 und Drosselventil 50 in den Abscheider (Phasentrenner) 20 eingespeist, der auch den flüssigen Stickstoff 18 vom Kopfkondensator der Mitteldrucksäule 6 sammelt. Der Kopfkondensator 8 der Hochdrucksäule 5 wird mit einem weiteren Teil 60 des in 31 gepumpten flüssigen Sauerstoffs 30 aus der Niederdrucksäule 7 gekühlt. Der Druck am Austritt der Pumpe 31 wird so eingestellt, dass der Sauerstoff 60 im Kondensator 8 gegen den kondensierenden Stickstoff aus der Hochdrucksäule 5 verdampft. Der verdampfte Sauerstoff 61 wird mindestens zu einem ersten Teil 62 unter dem erhöhten Druck dem Hauptwärmetauscher 3 zugeführt und dort auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Der warme Sauerstoff 63 - 64 kann in einem Gasverdichter (Sauerstoffverdichter) 65 weiter auf den gewünschten Produktdruck verdichtet oder über Leitung 66 abgezogen werden. Der restliche gasförmige Sauerstoff 67 wird gemeinsam mit demjenigen aus dem Kopfkondensator 9 der Mitteldrucksäule 6 in den unteren Bereich der Niederdrucksäule 7 eingeführt und dient dort als aufsteigender Dampf.
  • Ein anderer Teil 51 des gasförmigen Kopfstickstoffs 44 der Hochdrucksäule 5 wird im Hauptwärmetauscher 3 auf eine Zwischentemperatur angewärmt. Er strömt unter dieser Zwischentemperatur über Leitung 52 einer Entspannungsmaschine (Stickstoffturbine) 53 zu und wird dort arbeitsleistend entspannt, die mittels eines Generators 54 gebremst wird. Der entspannte Stickstoff 55 wird schließlich dem aus der Niederdrucksäule 7 abgezogenen Stickstoffprodukt 28 zugemischt.
  • Die beiden Flüssigtanks 24, 36 und die Stickstoffturbine 53 erfüllen dieselbe Funktion, wie sie in dem oben erwähnten Artikel von Rohde ausführlich beschrieben wurde, nämlich dem Ausgleich von Schwankungen im Sauerstoffbedarf bei gleichbleibender Belastung der Säulen des Destilliersäulen-Systems mittels Pufferung von Flüssigkeit.
  • Im Sauerstofftank 36 wird bei vermindertem Sauerstoffbedarf der überschüssige Sauerstoff gespeichert; eine entsprechende Menge Sauerstoffs strömt in diesem Betriebszustand über Leitung 35 in den Tank 36. Bei erhöhtem Sauerstoffbedarf, wird die Leitung 35 versperrt (Ventil 56) und die fehlende Sauerstoffmenge wird über die Leitungen 57 und 59 und Pumpe 58 in die Niederdrucksäule 7 eingeleitet und erhöht damit die Produktmenge im benötigten Umfang.
  • Bei der Verdampfung von Sauerstoff aus dem Tank wird überschüssige Kälte frei in Form von flüssigem Stickstoff, der bei erhöhtem Sauerstoffbedarf zusätzlich in den Kondensator-Verdampfern 8, 9 erzeugt wird. Die zusätzliche Stickstoffmenge wird währenddessen über Leitung 23 in den Stickstofftank 24 geleitet und dort gespeichert. Umgekehrt wird bei vermindertem Sauerstoffbedarf wird flüssiger Stickstoff über Leitung 68, Pumpe 69 und die Leitungen 70, 71 und/oder 72 in das Destilliersäulen-System eingeleitet. Über eine Veränderung des Durchsatzes der Stickstoffturbine 53 erfolgt die Anpassung des Wärmeumsatzes am Kondensator-Verdampfer 8 der Hochdrucksäule 5.
  • In Figur 1 sind auch die Mess- und Steuereinrichtungen dargestellt, die für die Durchführung der Wechselspeicherung benötigt werden. Die entsprechenden Regelstrecken (in der Zeichnung durch unterbrochene Striche symbolisiert) sind im Allgemeinen in ein integriertes digitales Betriebsleitsystem integriert.
  • In Leitung 1 wird die Gesamtmenge der zu zerlegenden Luft gemessen (FIC - Flow Indication and Control 73) und am nicht dargestellten Hauptluftverdichter (MAC - Main Air Compressor) eingestellt. Die Aufteilung der Luftmenge auf den ersten und zweiten Teilstrom 2, 37 wird in Leitung 40 gemessen (FIC 74) und kann durch Verstellung der Leitschaufeln des Nachverdichters 38 verändert werden.
  • Der Flüssigkeitshaushalt der Säulen wird durch Flüssigkeitsstandmesseinrichtungen (LIC - Liquid Indication and Control 75, 76, 77) überwacht. Zum Beispiel wird bei ansteigendem Flüssigkeitsspiegel im jeweiligen Säulensumpf die Abfuhr 42, 10 - 12-13 bzw. 30 - 34 - 35 von sauerstoffangereicherter Flüssigkeit erhöht (Ventile 43, 13, 56 für Hochdrucksäule, Mitteldrucksäule bzw. Niederdrucksäule) und/oder die Zufuhr 57, 59 von flüssigem Sauerstoff 59 in die Niederdrucksäule vermindert (durch Öffnen des Ventils 78). Konzentrationsmessungen (AIC - Analysis Indication and Control 79, 50) in mittlerer Höhe von Hochdrucksäule und Mitteldrucksäule ermitteln den Rücklaufbedarf. Zur Erhöhung des Rücklaufs in Mitteldrucksäule bzw. Hochdrucksäule wird der Durchsatz durch Ventil 19 bzw. 50 und/oder der Durchsatz durch Ventil 84 vermindert. Die Rücklaufmenge für die Niederdrucksäule wird konstant gehalten (FIC 81). Flüssigkeitsstandregler 82 wirkt auf Ventil 83 und sorgt dafür, dass überschüssiger flüssiger Stickstoff in den Tank 24 strömt.
  • Zur Regelung der Produktmenge an gasförmigem Sauerstoff wird der Druck stromaufwärts und stromabwärts des Sauerstoffverdichters 65 gemessen (85, 86), sowie die Gesamtmenge des Sauerstoffprodukts (87). Die entsprechenden Stelleinrichtungen wirken auf die Leitschaufeln des Sauerstoffverdichters 65 und auf Ventil 88. Außerdem wird der Durchfluss durch die Stickstoffturbine 52 gemessen (93) und mittels der Leitschaufeln dieser Turbine eingestellt (94).
  • Diese Mess- und Stelleinrichtungen ermöglichen eine automatische Regelung der Anlage in Abhängigkeit vom Sauerstoffbedarf (Pipeline following) bei erhöhtem Druck im gasförmigen Sauerstoffprodukt. Wenn sich der Sauerstoffbedarf erhöht, sinkt der Pipelinedruck, was das Betriebsleitsystem durch die Druckmessung 86 registriert. Die Mengenregelung erhöht den Durchsatz durch Verdichter 65. Gleichzeitig wird die Stickstoffturbine 53 zurückgefahren, was den Umsatz am Kopfkondensator 8 der Hochdrucksäule erhöht, wodurch der zusätzlich benötigte Sauerstoff verdampft wird. Die Flüssigkeitsstandregler 75, 76, 77 und die Analysemessungen 79, 80 sorgen dafür, dass der Betrieb der Säulen konstant bleibt, indem sie fehlende und überschüssige Flüssigkeiten aus den Puffertanks 24, 36 ergänzen beziehungsweise dorthin ableiten. Ist der Verdichter an seiner Schluckgrenze und der Pipelinedruck sinkt immer noch, wird automatisch der Sollwert des Saugdruckreglers erhöht und damit der Verdichterdurchsatz erhöht. Bei sinkendem Sauerstoffbedarf verläuft die Regelung analog in umgekehrter Richtung.
  • Im Übrigen kann der Sauerstoff-Abgabedruck stromabwärts des Gasverdichters 65 bei Bedarf variiert werden.
  • Figur 2 stimmt in weiten Teilen mit Figur 1 überein. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede beschrieben.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel weist einen dritten Teilstrom 289 der Einsatzluft auf, der gemeinsam mit dem zweiten Teilstrom 41 im Nachverdichter 38 verdichtet wird. Er wird allerdings bei einer Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher 3 herausgeführt und einer zweiten Entspannungsmaschine (Luftturbine) 290 zugeführt und dort arbeitsleistend auf etwa den Druck der Mitteldrucksäule 6 entspannt. Die dabei erzeugte mechanische Energie wird auf einen elektrischen Generator 291 übertragen. Der arbeitsleistend entspannte dritte Teilstrom 292 wird mit dem abgekühlten ersten Teilstrom 4 über Leitung 204 in die Mitteldrucksäule 6 eingespeist. Auf diese Weise lässt sich zusätzliche Kälte gewinnen, die zur Erzeugung von Flüssigprodukten genutzt werden kann, die vorzugsweise aus einem oder beiden Flüssigtanks 24, 36 abgezogen werden (nicht dargestellt). Durch eine Optimierung der Eintrittstemperaturen der beiden Turbinen wird außerdem der Wärmeübergang im Hauptwärmetauscher verbessert.

Claims (7)

  1. Verfahren zur variablen Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft, bei dem Einsatzluft (1, 2, 4) in ein Destilliersäulen-System eingeleitet wird, das mindestens eine Mitteldrucksäule (6) und eine Niederdrucksäule (7) umfasst, in dem Destilliersäulen-System eine flüssige Sauerstoff-Fraktion (30) erzeugt und mindestens zeitweise in einen Sauerstofftank (36) eingeleitet (34, 35) wird, in dem Destilliersäulen-System eine flüssige Stickstoff-Fraktion (15, 46) erzeugt und mindestens zeitweise in einen Stickstofftank (24) eingeleitet (17, 18, 23, 48, 49) wird und bei dem bei erhöhtem Sauerstoffbedarf flüssiger Sauerstoff (57, 59) aus dem Sauerstofftank (36) entnommen, durch indirekten Wärmeaustausch (8) verdampft und als gasförmiges Sauerstoffprodukt (61, 62, 63, 64) gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System außerdem eine Hochdrucksäule (5) aufweist, die unter höherem Druck als die Mitteldrucksäule (6) betrieben wird und in die mindestens ein Teil (37, 40, 41) der Einsatzluft (1) eingeleitet wird, und dass bei dem indirekten Wärmeaustausch (8) zur Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs aus dem Sauerstofftank eine stickstoffreiche Fraktion (44, 45) aus der Hochdrucksäule (5) verflüssigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des flüssigen Sauerstoffs aus dem Sauerstofftank stromaufwärts seiner Verdampfung (8) erhöht wird (31).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die stickstoffreiche Fraktion (46) stromabwärts Ihrer Verflüssigung (8) in eine oder mehrere Säulen (5) des Destilliersäulen-Systems eingeleitet wird (47).
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoffgas (44, 51, 52) aus der Hochdrucksäule (5) arbeitsleistend entspannt (53) wird, wobei insbesondere die Menge des arbeitsleistend entspannten Stickstoffgases mit dem Sauerstoffbedarf variiert wird (92, 93).
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Sauerstoffprodukt (64) in einem Gasverdichter (65) weiter verdichtet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt des Gasverdichters (65) mit einer Produktleitung (GOX) verbunden ist und dass die durch den Gasverdichter (65) strömende Menge an gasförmigem Sauerstoffprodukt in Abhängigkeit vom Druck (86) in der Produktleitung eingestellt wird.
  7. Vorrichtung zur variablen Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperatur-Zerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System eingeleitet wird, das mindestens eine Mitteldrucksäule (6) und eine Niederdrucksäule (7) umfasst, mit einer ersten Einsatzluftleitung (2, 4) zur Einleitung eines ersten Luftstrom unter einem ersten Druck in die Mitteldrucksäule (6), mit einer Flüssigsauerstoffleitung (30, 34, 35) zum Abziehen einer flüssigen Sauerstoff-Fraktion aus dem Destilliersäulen-System, die mit einem Sauerstofftank (36) verbunden ist, mit einer Flüssigstickstoffleitung (15, 46, 47, 48) zum Abziehen einer flüssigen Stickstoff-Fraktion aus dem Destilliersäulen-System, die mit einem Stickstofftank (24) verbunden ist und mit einer Zusatzflüssigkeitsleitung (57, 59, 30, 32, 60) zur Einleitung flüssigen Sauerstoffs aus dem Sauerstofftank in einen Kondensator-Verdampfer (8) verdampft und mit einer Sauerstoffproduktleitung (61, 62, 63, 64) zum Abziehen von gasförmigem Sauerstoffprodukt aus diesem Kondensator-Verdampfer (8), dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System außerdem eine Hochdrucksäule (5) und eine Stickstoffgasleitung (44, 45) zur Einleitung einer stickstoffreichen Fraktion aus der Hochdrucksäule (5) in den Kondensator-Verdampfer (8) aufweist, und dass die Vorrichtung eine zweite Einsatzluftleitung (37, 40, 41) zur Einleitung von Luft unter einem zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, in die Hochdrucksäule (5) aufweist.
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