EP3699535A1 - Verfahren und luftzerlegungsanlage zur variablen bereitstellung eines gasförmigen, druckbeaufschlagten luftprodukts - Google Patents

Verfahren und luftzerlegungsanlage zur variablen bereitstellung eines gasförmigen, druckbeaufschlagten luftprodukts Download PDF

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EP3699535A1
EP3699535A1 EP19020076.6A EP19020076A EP3699535A1 EP 3699535 A1 EP3699535 A1 EP 3699535A1 EP 19020076 A EP19020076 A EP 19020076A EP 3699535 A1 EP3699535 A1 EP 3699535A1
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EP
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pressure
product
air
pump
gaseous
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19020076.6A
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English (en)
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Inventor
Lars Kirchner
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for the variable provision of a gaseous, pressurized air product and a corresponding air separation plant according to the preambles of the independent claims.
  • air product is intended to refer to a fluid provided at least in part by the cryogenic decomposition of atmospheric air.
  • An air product has one or more air gases contained in atmospheric air in a composition that differs from that in atmospheric air.
  • An air product can basically be in a gaseous, liquid or supercritical state and can be transferred from one of these states to another.
  • a liquid air product can be converted into the gaseous state (“evaporated”) or converted into the supercritical state (“pseudo-evaporated”) by heating to a certain pressure, depending on whether the pressure during the heating is below or above the critical pressure .
  • Air separation plants have rectification column systems which are conventionally designed as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but can also be designed as three- or multi-column systems.
  • rectification columns for obtaining nitrogen and / or oxygen in liquid and / or gaseous state, i.e. the rectification columns for nitrogen-oxygen separation
  • rectification columns can be provided for obtaining further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon.
  • the terms “rectification” and “distillation” and “column” and “column” or terms composed thereof are used synonymously.
  • the rectification columns of the rectification column systems mentioned are operated at different pressures.
  • Known double column systems have a so-called high pressure column (also referred to as a pressure column, medium pressure column or lower column) and a so-called low pressure column (also referred to as an upper column).
  • the high pressure column is typically operated at a pressure of 4 to 7 bar, in particular about 5.3 bar.
  • the low-pressure column is operated at a pressure of typically 1 to 2 bar, in particular about 1.4 bar. In certain cases, higher pressures can also be used in both rectification columns.
  • the pressures given here are absolute pressures at the top of the columns given.
  • main (air) compressors / booster Main Air Compressor / Booster Air Compressor, MAC-BAC
  • HAP high air pressure
  • the main compressor / booster processes are the more conventional processes, while high-air pressure processes have been used more and more recently as alternatives.
  • the present invention is suitable for both variants of air separation. Because of their significantly lower costs and comparable efficiency, high-air pressure processes can represent an advantageous alternative to main compressor / booster processes.
  • Main compressor / booster processes are characterized by the fact that only part of the total amount of feed air supplied to the rectification column system is compressed to a pressure that is substantially, i.e. by at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar, above the pressure at which the high pressure column is operated. A further part of the feed air quantity is only compressed to this pressure or a pressure which differs therefrom by no more than 1 to 2 bar, and at this point it is fed into the high pressure column.
  • a main compressor / booster method is shown, for example, by Häring (see above) in Figure 2.3A.
  • the entire amount of feed air supplied to the rectification column system is reduced to one pressure compressed, which is substantially, ie by at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 bar, and for example up to 14, 16, 18 or 20 bar, to above the pressure at which the high pressure column is operated .
  • High air pressure methods are, for example, from the EP 2 980 514 A1 and the EP 2 963 367 A1 known.
  • the present invention is used in air separation plants with so-called internal compression (IV, Internal Compression, IC).
  • at least one gaseous, pressurized air product which is provided by means of the air separation plant, is formed by removing a cryogenic, liquid air product from the rectification column system, subjecting it to a pressure increase to a product pressure, and heating it to the gaseous or supercritical state at the product pressure .
  • gaseous, pressurized oxygen GOX IV, GOX IC
  • gaseous, pressurized nitrogen GAN IV, GAN IC
  • GAR IV, GAR IC gaseous, pressurized argon
  • the internal compression offers a number of advantages compared to an alternatively also possible external compression and is explained, for example, by Häring (see above) in Section 2.2.5.2, "Internal Compression". Systems for the low-temperature separation of air, in which internal compression is used, are also in the US 2007/0209389 A1 and in the WO 2015/127648 A1 shown.
  • the present invention relates to the variable provision of corresponding gaseous, pressurized air products using internal compression, the term "variable” being intended in particular to refer to the amount in which a corresponding air product is made available per unit of time.
  • a corresponding provision in the sense understood here is variable in particular when the amount in which the air product is made available in a first period per unit of time is more than twice or 5 times and in particular up to 10 times the amount , in which the air product is provided in a second period per unit of time.
  • the present invention has the object of designing the variable provision of gaseous, pressurized air products by internal compression in a manner that is advantageous compared to the prior art.
  • the present invention proposes a method for the variable provision of a gaseous, pressurized air product and a corresponding air separation plant. Refinements are the subject of the dependent claims and the following description.
  • the present invention proposes a method for the variable production of a gaseous, pressurized air product, in which the air product is first formed in a liquid state using an air separation plant.
  • the gaseous, pressurized air product can in particular be nitrogen, oxygen or argon.
  • the formation in the liquid state takes place in particular in a rectification column system of the air separation plant, as explained in detail above with reference to the internal compression.
  • the air product initially formed in the liquid state can, within the scope of the present invention, in particular also be temporarily stored in one or more storage tanks.
  • the intermediate storage also takes place in particular in the liquid state.
  • At least part of the air product formed in the liquid state is used in an adjustable volume flow subjected to a pump arrangement of a pressure increase to an adjustable target pressure, after the pressure increase by heating to the target pressure in a gaseous or supercritical state (i.e. evaporated or pseudo-evaporated), and after heating or transferring to the gaseous or supercritical state as the pressurized, gaseous state Air product discharged from the air separation plant via a product line.
  • a gaseous or supercritical state i.e. evaporated or pseudo-evaporated
  • the proposed method therefore includes internal compression, as explained above, reference being made to the relevant specialist literature for further details.
  • a gaseous, pressurized air product is mentioned here, and furthermore it is mentioned that "a” or “the” air product is initially in liquid state is formed, it goes without saying that the present invention can also be used in connection with methods in which several corresponding air products are formed by internal compression.
  • other air products can be provided in liquid or gaseous state.
  • only part of an initially liquid air product can be increased in pressure by internal compression and converted into a gaseous or supercritical state, whereas another part of a corresponding air product initially formed in liquid form can be discharged from the air separation plant in a liquid state, for example, or evaporated or pseudo-evaporated without increasing the pressure can be.
  • the mass flow in which at least part of the air product initially formed in the liquid state is subjected to the pressure increase to the target pressure is set by setting a speed of a pump in a pump arrangement used in the air separation plant.
  • a speed of a pump in a pump arrangement used in the air separation plant is set by setting a speed of a pump in a pump arrangement used in the air separation plant.
  • the quantity control via the speed and an optionally provided and subsequently explained pressure control via a product valve differ from known methods, such as those in WO 2015/127648 A1 are disclosed.
  • a mass flow and a pressure of a corresponding air product are measured and a speed of an internal compression pump is controlled.
  • an amount of product can be controlled using a blow-off valve.
  • the measures used according to the invention thus differ from the known measures through the quantity control via the pump speed and the pressure control via the setting of a product valve.
  • the method proposed according to the invention offers the particular advantage that pressure fluctuations are intercepted by the rapid reaction of a control valve, while changes in quantity are taken over by the more sluggish pump control.
  • the process control in the heat exchanger is particularly important Constancy of the pressure is important, so that the present invention offers particular advantages here.
  • the method according to the invention thus represents an advantageous alternative to known methods and not just an arbitrary modification.
  • the mass flow can be regulated in particular using a mass flow control that influences a pump speed as a manipulated variable.
  • a corresponding volume flow control can, for example, be based on a volume flow measurement as an actual variable, with this volume measurement being able to be placed before or after the control valve or also on the consumer side, downstream of the branch to the product blow-off.
  • the product pressure can be set in particular by setting a control valve in the product line. This can take place in particular using a pressure control which, based on a measured pressure value as an actual variable, carries out a corresponding adjustment of the control valve.
  • the pressure control will typically work on the basis of a measured pressure value upstream of the control valve as an actual variable, but is not restricted to this.
  • the heating takes place using a main heat exchanger of the air separation plant.
  • the pump arrangement is on the cold side and the control valve is arranged on the warm side of the main heat exchanger.
  • the product pressure can be set directly by means of the control valve, without further changes in product pressure downstream.
  • a required product pressure can therefore be precisely adhered to within the framework of the present invention within the framework of the proposed regulation.
  • variable provision of the gaseous, pressurized air product takes place within the scope of the present invention
  • a variable provision here comprising that the volume flow is set to a first volume flow value in a first operating period and the volume flow is set to a second volume flow value in a second operating period is set.
  • the second mass flow value lies within the scope of the present invention especially at more than 2 or 5 times and up to 10 times the first mass flow value.
  • a detection of the operating point and a bypass control to avoid impermissible operating ranges and a final pressure limitation are also advantageously provided.
  • this allows effective prevention of (permanent) cavitation of the pump.
  • the present invention includes that a setpoint value for a pressure difference between a suction-side and a pressure-side pressure of the pump is specified, that an actual value of the pressure difference is determined, and that a control device is used that regulates the pressure difference by setting the pressure-side pressure .
  • a corresponding method thus does not intervene in upstream system components or their regulation, due to the advantageously only regulation of the pressure difference on the pressure side.
  • a suction-side pressure can therefore be kept constant, for which purpose a regulation is advantageously also provided within the scope of the present invention, which acts on an inlet valve, but can take place independently of the aforementioned regulation.
  • Such regulation on the suction side can also detect a pressure on the suction side of the pump.
  • a pressure on the pressure side of a corresponding inlet valve can be detected.
  • the inlet valve is set up to adjust a flow cross section upstream of the pump accordingly, in order to act in this way on the pressure on the suction side.
  • a return valve is advantageously used in the context of the present invention, which is controlled accordingly.
  • the return valve is arranged in a return line on the pressure side of the pump.
  • the return valve and the return line are referred to as, within the scope of the present invention, the return line advantageously opens into a fluid volume from which the air product initially formed in liquid form was removed beforehand.
  • a corresponding fluid volume can be, for example, a fluid collection device or fluid removal device of a rectification column.
  • the air product, initially formed in liquid form is taken from a corresponding volume of fluid and then fed to the pump used.
  • a return flow of the corresponding pressurized fluid into the fluid volume is effected when a corresponding pressure control intervenes.
  • pressure regulation can be carried out in a simple manner without the corresponding fluid being lost. In refinements, however, it can be provided that the return line, even if it is designated as such, does not open into a corresponding fluid volume.
  • a flow cross section in the further return line is reduced by means of the return valve when the actual value of the pressure difference is below the setpoint, and increased when the pressure difference is above the setpoint.
  • the pressure is reduced by increasing the amount of fluid returned via the return line.
  • the pressure present on the pressure side of the pump is not necessarily the product pressure. Rather, the latter can be set by using the corresponding control valve arranged further downstream in the product line, as explained above.
  • the appropriate control can in particular prevent (permanent) cavitation of the pump within the scope of the embodiment of the present invention just explained, ie it can be prevented that significant amounts of gas are present in a corresponding pump, which could damage the pump.
  • a range for permissible pressure differences can be specified in each case for the speed set for setting the flow rate. This can be done, for example, by using a characteristic map, characteristic curves and the like in a corresponding control. In such a characteristic diagram or by means of corresponding characteristic curves, a corresponding range can be defined for different mass flow values.
  • a shutdown routine for shutting down the pump can be initiated.
  • This shutdown routine can include or define a delay time, for example.
  • the shutdown routine can include initiating a shutdown of the pump if, after a specified waiting time, the pressure difference is still not within the specified (permissible) range.
  • the waiting time can be, for example, one minute, two minutes, three minutes or five minutes. It is selected, for example, on the basis of a load capacity or cavitation tolerance of the pump used.
  • the waiting time can also be specified depending on the respective operating status. For example, for transient operating conditions, i.e. those operating states in which a target value or a setpoint value is changed, a longer waiting time can be provided.
  • the shutdown routine and the waiting time are used to ensure that unsafe operating conditions, in which the pump could be damaged, are reliably avoided even if the control fails.
  • centrifugal pump or centrifugal pump can be used, as it is used in the field of cryotechnology for the treatment of cryogenic liquids.
  • such pumps can be damaged by cavitation, so that the measures proposed according to embodiments of the invention prove to be particularly advantageous here.
  • the present invention also extends to an air separation plant which is set up to carry out a method according to an embodiment explained above in the present invention.
  • an air separation plant which is set up to carry out a method according to an embodiment explained above in the present invention.
  • express reference is made to the corresponding independent patent claim and the above statements.
  • such an air separation plant has means which are set up to carry out a method in accordance with one of the configurations explained.
  • FIG. 1 shows an air separation plant, which can be operated according to an embodiment of the invention, in the form of a schematic plant diagram.
  • the air separation plant is designated 100 as a whole.
  • Air separation plants of the type shown are often described elsewhere, for example in Häring (see above) for Figure 2.3A.
  • An air separation plant for using the present invention can be designed in the most varied of ways.
  • the air separation plant 100 shown has a main air compressor 101, a pre-cooling device 102, a cleaning system 103, a post-compressor 104, a main heat exchanger 105, an expansion turbine 106, a throttle element 107 and a distillation column system, which is not designated separately.
  • the distillation column system comprises a classic double column arrangement with a high pressure column 108 and a low pressure column 109 as well as a crude argon column 110 and a pure argon column 111.
  • a feed air flow is sucked in and compressed by means of the main air compressor 101 via a filter (not designated).
  • the compressed feed air stream is fed to the pre-cooling device 102 operated with cooling water.
  • the pre-cooled feed air flow is in the Cleaning system 103 cleaned up. In the cleaning system 103, the precooled feed air stream is freed from water and carbon dioxide.
  • the feed air flow Downstream of the cleaning system 103, the feed air flow is divided into two partial flows. One of the partial flows is completely cooled down to the pressure level of the feed air flow in the main heat exchanger 105. The other partial flow is recompressed in the booster 104 and also cooled in the main heat exchanger 105, but only to an intermediate temperature level. After it has been cooled, this so-called turbine stream is expanded to the pressure level of the completely cooled partial stream by means of the expansion turbine 106, combined with it, and fed into the high-pressure column 108.
  • an oxygen-enriched liquid bottom fraction and a nitrogen-enriched gaseous top fraction are formed as air products.
  • the oxygen-enriched liquid bottom fraction is withdrawn from the high-pressure column 108, partially used as a heating medium in a bottom evaporator of the pure argon column 110 and fed in defined proportions into a top condenser of the crude argon column 110, into a top condenser of the pure argon column 111, and directly the low pressure column 109. Fluid evaporating in the evaporation chambers of the top condensers of the crude argon column 110 and the pure argon column 111 is likewise transferred to the low-pressure column 109.
  • the gaseous nitrogen-rich top product is withdrawn from the top of the high-pressure column 108, liquefied in a main condenser 112, which creates a heat-exchanging connection between the high-pressure column 108 and the low-pressure column 109, and fed in portions as a return to the high-pressure column 108 and expanded into the low-pressure column 109.
  • An oxygen-rich liquid bottom fraction and a nitrogen-rich gaseous top fraction are formed in the low-pressure column 109.
  • the former is partially brought to liquid pressure in a pump arrangement 10 using a pump 11 in the cryogenic state, heated to this pressure in the main heat exchanger 105, converted from the liquid state into the gaseous or supercritical state, and provided as a pressurized, gaseous air product.
  • the Pressurized, gaseous air product is discharged from the air separation plant 100 by means of a product line 12 with a control valve 13.
  • a cryogenic air product in the liquid state is thus formed in the form of the liquid bottom fraction of the low-pressure column 109, which is at least partially brought to a certain pressure, here referred to as product pressure, by heating on the liquid state using the pump arrangement 10
  • Product pressure is converted into a gaseous or supercritical state (that is, vaporized or pseudo-vaporized) and is discharged from the air separation plant 100 via the product line 12 as a pressurized, gaseous air product.
  • a mass flow in which the cryogenic air product is compressed in the pump arrangement 10 and the product pressure can be as explained above and in particular with reference to FIG Figure 2 still described, can be set within the scope of the present invention.
  • a liquid nitrogen-rich stream is withdrawn from a liquid retention device at the top of the low-pressure column 109 and discharged from the air separation plant 100 as a liquid nitrogen product.
  • a gaseous nitrogen-rich stream withdrawn from the top of the low-pressure column 109 is passed through the main heat exchanger 105 and provided as a nitrogen product at the pressure of the low-pressure column 109.
  • a stream is drawn off from an upper area of the low-pressure column 109 and, after being heated in the main heat exchanger 105, used as so-called impure nitrogen in the pre-cooling device 102 or, after being heated by an electric heater, in the cleaning system 103.
  • the internal compression described above is not limited to the bottom product of the low-pressure column 109, but can alternatively or additionally take place with regard to all liquid air products formed in a corresponding air separation plant 100.
  • internally compressed nitrogen for example from the liquefied top product of the high-pressure column 108
  • internally compressed argon for example from liquid from the pure argon column 111
  • Corresponding liquids can also be stored in storage containers and removed from them.
  • Air separation plant 100 shown is limited, but can be used in all constellations in which liquid air products are formed.
  • FIG. 2 shows a control device 200 for a pump in an air separation plant according to an embodiment of the invention in a schematic representation, for example for the air separation plant 100 according to FIG Figure 1 , along with other facilities, and at the same time illustrates a corresponding regulatory procedure.
  • the regulating device 200 is set up to regulate a pump arrangement, which is designated by 10 as before.
  • a pump that is part of the pump arrangement 10 is denoted by 11 as before.
  • a plurality of pumps 11 can also be present.
  • Fluid paths or fluid lines are in Figure 2 illustrated with solid lines and arrows, controller values, manipulated variables, communication paths, measured values or measuring lines and the like with dotted lines and arrows.
  • All of the elements identified below with 201 to 214 and explained below can, as far as technically possible and advantageous, be implemented in the form of hardware or software, mechanically, electromechanically or electronically and designed as part of controllers in the form of one or more different structural units. If necessary, the elements 201 to 214 can have suitable sensors, display devices, mechanical actuators and the like. The communication between these elements can take place partially or completely using known communication structures, by means of bus systems, by means of analog or digital signals, wired and / or wireless.
  • a feed line is denoted by 14.
  • a further fluid line which is referred to here as a return line and is provided with the reference number 15
  • a further control valve which is referred to here as a return valve and is provided with the reference number 16.
  • the return line 15 leads back into the rectification column system or a corresponding tank from which the respectively treated liquid air product was withdrawn. Since in the example of the Figure 1 a withdrawal from the low-pressure column 109 takes place, its integration is here again in the form corresponding blocks are indicated with the reference number 109. The same applies to the supply line 14.
  • the position of the main heat exchanger 105 is also indicated with a corresponding reference number.
  • a non-return valve 17 is provided upstream of the control valve 12, and an inlet valve 18 is located upstream of the pump 11 in the supply line 14. It goes without saying that the arrangement also differs from the specific illustration according to FIG Figure 2 may differ.
  • a mass flow of a liquid air product conveyed using the pump 11 is set by setting a speed of the pump 11 in the pump arrangement 10. Furthermore, a pressure to which the liquid air product is brought in the pump arrangement 10 is set, in particular by setting the control valve 13 in the product line 12.
  • a pressure regulator 201 is provided with a target value that can be set manually or in some other way, for example, which controls the regulating valve 13.
  • a pressure transducer which can be part of a corresponding regulation and which, for example, detects a pressure value upstream of the regulating valve 13, is not shown.
  • the inlet valve 18 can also be adjusted via a pressure regulator 202 for adjusting an upstream pressure.
  • an anti-cavitation control is implemented in the control device 200 in order to prevent cavitation of the pump 11 due to unsuitable pressure differences at the respective speed of the pump 11. This is explained below.
  • the speed of the pump 11 is specified in the form of a speed value by means of a manual setting 203 or otherwise.
  • limits can also be set by a specification unit 204 or the specification unit 204 can exceed corresponding settings.
  • a minimum permissible speed can be specified for starting up a corresponding system and a fixed, low speed for stopping or for emptying.
  • the set speed value is made available to limit generators 206 and 207, which have a maximum permissible and a minimum for the specified speed value supply permissible differential pressure value.
  • the maximum and minimum permissible differential pressure values for different rotational speed values are specified, for example, by the manufacturer and provided in the form of characteristic curves, curves, characteristic diagrams and the like.
  • a differential pressure transmitter 205 supplies the actual differential pressure value between the suction side and the pressure side of the pump 11.
  • a shutdown routine can be initiated, as illustrated in the form of a block 208. This can include a waiting time of 120 seconds, for example. If the maximum permissible differential pressure value is still exceeded after this waiting time, the pump 11 is switched off; if this has returned to a permissible range, the shutdown routine is ended without switching off the pump 11. The same also applies in the event that the pressure falls below the minimum differential pressure value.
  • a shutdown routine can also be initiated. In certain cases, for example in transient operating states, the procedure can be different or the initiation of the shutdown routines can be prevented.
  • the values supplied by the limiters 206 and 207 are fed to a target value calculator 210.
  • the differential pressure value to be striven for, calculated by the target value calculator 210, is fed to the actual differential pressure regulator 211, which can have additional values applied to it for certain cases, for example for driving down. For example, in such cases, as illustrated in the form of an arrow from above, a different target value can be specified. In the example shown, a maximum value selector 213 is provided. This can, however, be dispensed with, in which case an output of the differential pressure regulator 211 is used directly for setting the feedback valve 16.
  • the maximum value selector 213 is also supplied with a trigger value from a pressure limiter 212, so that for the cases in which the pressure from the differential pressure controller 211 output value exceeds the trigger value of the pressure limiter 212, the return valve 16 is activated.
  • a trigger value from a pressure limiter 212
  • Such a device can be dispensed with, for example, if a maximum permissible pressure value is in any case above a theoretical maximum value of the signal from the differential pressure regulator 211.
  • the flow rate of the internally compressed air product can be adjusted by adjusting the speed of the pump 11 in the pump arrangement 10 and the product pressure can be adjusted by adjusting the control valve 13 in the product line 12, with cavitation being ensured due to the measures explained above can be prevented.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur variablen Erzeugung eines gasförmigen, druckbeaufschlagen Luftprodukts, bei dem unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100) das Luftprodukt in flüssigem Zustand gebildet wird, wobei zumindest ein Teil des in flüssigem Zustand gebildeten Luftprodukts in einem einstellbaren Mengenstrom unter Verwendung einer Pumpenanordnung (10) auf einen einstellbaren Zieldruck einer Druckerhöhung unterworfen, nach der Druckerhöhung durch Erwärmen auf dem Zieldruck in gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und nach dem Erwärmen als das druckbeaufschlagte, gasförmige Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage (100) über eine Produktleitung (12) ausgeleitet wird. Der Mengenstrom wird durch Stellen einer Drehzahl einer Pumpe (11) in der Pumpenanordnung und der Produktdruck insbesondere durch Stellen eines Regelventils (13) in der Produktleitung (12) eingestellt. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur variablen Bereitstellung eines gasförmigen, druckbeaufschlagten Luftprodukts und eine entsprechende Luftzerlegungsanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
    • Stand der Technik
  • Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
  • Der Begriff "Luftprodukt" soll sich hier auf ein Fluid beziehen, das zumindest teilweise durch Tieftemperaturzerlegung von atmosphärischer Luft bereitgestellt wird. Ein Luftprodukt weist ein oder mehrere in der atmosphärischen Luft enthaltene Luftgase in einer abweichenden Zusammensetzung als in der atmosphärischen Luft auf. Ein Luftprodukt kann grundsätzlich in gasförmigem, flüssigem oder überkritischem Zustand vorliegen und von einem dieser Zustände in einen anderen überführt werden. Insbesondere kann ein flüssiges Luftprodukt durch Erwärmen auf einem bestimmten Druck in den gasförmigen Zustand überführt ("verdampft") oder in den überkritischen Zustand überführt ("pseudoverdampft") werden, je nachdem, ob der Druck bei der Erwärmung unterhalb oder oberhalb des kritischen Drucks liegt.
  • Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die herkömmlicherweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelkolonnensysteme ausgebildet sind, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben den Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Häufig werden dabei die Begriffe "Rektifikation" und "Destillation" sowie "Kolonne" und "Säule" bzw. hieraus zusammengesetzte Begriffe synonym verwendet.
  • Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Drücken betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Hochdruckkolonne (auch als Druckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (auch als obere Kolonne bezeichnet) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druck von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die Niederdruckkolonne wird auf einem Druck von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Drücke eingesetzt werden. Bei den hier jeweils angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen.
  • Zur Luftzerlegung können sogenannte Haupt(luft)verdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren oder sogenannte Hochluftdruck-(High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zum Einsatz. Die vorliegende Erfindung eignet sich für beide Varianten der Luftzerlegung. Aufgrund von deutlich geringeren Kosten und vergleichbarer Effizienz können Hochluftdruck-Verfahren eine vorteilhafte Alternative zu Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren darstellen.
  • Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein Teil der dem Rektifikationskolonnensystem insgesamt zugeführten Einsatzluftmenge auf einen Druck verdichtet wird, der wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, oberhalb des Drucks liegt, auf dem die Hochdruckkolonne betrieben wird. Ein weiterer Teil der Einsatzluftmenge wird lediglich auf diesen Druck oder einen Druck, der sich um nicht mehr als 1 bis 2 bar hiervon unterscheidet, verdichtet, und auf diesem in die Hochdruckkolonne eingespeist. Ein Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren ist beispielsweise bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A gezeigt.
  • Bei einem Hochluftdruck-Verfahren wird hingegen die gesamte dem Rektifikationskolonnensystem insgesamt zugeführte Einsatzluftmenge auf einen Druck verdichtet, der wesentlich, d.h. um mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bar, und beispielsweise bis zu 14, 16, 18 oder 20 bar, zu oberhalb des Drucks liegt, auf dem die Hochdruckkolonne betrieben wird. Hochluftdruck-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 980 514 A1 und der EP 2 963 367 A1 bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung kommt bei Luftzerlegungsanlagen mit sogenannter Innenverdichtung (IV, Internal Compression, IC) zum Einsatz. Hierbei wird wenigstens ein gasförmiges, druckbeaufschlagtes Luftprodukt, das mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, dadurch gebildet, dass dem Rektifikationskolonnensystem ein tiefkaltes, flüssiges Luftprodukt entnommen, einer Druckerhöhung auf einen Produktdruck unterworfen, und auf dem Produktdruck durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt wird. Beispielsweise können mittels Innenverdichtung gasförmiger, druckbeaufschlagter Sauerstoff (GOX IV, GOX IC), gasförmiger, druckbeaufschlagter Stickstoff (GAN IV, GAN IC) und/oder gasförmiges, druckbeaufschlagtes Argon (GAR IV, GAR IC) erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer alternativ ebenfalls möglichen externen Verdichtung und ist z.B. bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert. Anlagen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei der eine Innenverdichtung zum Einsatz kommt, sind auch in der US 2007/0209389 A1 und in der WO 2015/127648 A1 gezeigt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die variable Bereitstellung entsprechender gasförmiger, druckbeaufschlagter Luftprodukte unter Einsatz der Innenverdichtung, wobei der Begriff "variabel" sich insbesondere auf die Menge beziehen soll, in der ein entsprechendes Luftprodukt pro Zeiteinheit bereitgestellt wird. Variabel ist eine entsprechende Bereitstellung im hier verstandenen Sinne insbesondere dann, wenn die Menge, in der das Luftprodukt in einem ersten Zeitraum pro Zeiteinheit bereitgestellt wird, bei mehr als dem 2-fachen oder 5-fachen und insbesondere bis zum 10-fachen der Menge liegt, in der das Luftprodukt in einem zweiten Zeitraum pro Zeiteinheit bereitgestellt wird.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die variable Bereitstellung gasförmiger, druckbeaufschlagter Luftprodukte durch Innenverdichtung in einer gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaften Weise zu gestalten.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur variablen Bereitstellung eines gasförmigen, druckbeaufschlagten Luftprodukts und eine entsprechende Luftzerlegungsanlage vor. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur variablen Erzeugung eines gasförmigen, druckbeaufschlagten Luftprodukts vor, bei dem unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage das Luftprodukt zunächst in flüssigem Zustand gebildet wird. Bei dem gasförmigen, druckbeaufschlagten Luftprodukt kann es sich dabei insbesondere um Stickstoff, Sauerstoff oder Argon handeln. Die Bildung in flüssigem Zustand erfolgt insbesondere in einem Rektifikationskolonnensystem der Luftzerlegungsanlage, wie zuvor ausführlich unter Bezugnahme auf die Innenverdichtung erläutert. Das zunächst in flüssigem Zustand gebildete Luftprodukt kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere auch in einem oder mehreren Speichertanks zwischengespeichert werden. Die Zwischenspeicherung erfolgt dabei insbesondere ebenfalls in flüssigem Zustand.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die sich grundsätzlich für sämtliche Varianten von Innenverdichtungsverfahren eignet, wie sie zuvor erläutert wurden, und die im Rahmen von Luftzerlegungsverfahren unterschiedlichster Arten eingesetzt werden kann, wird zumindest ein Teil des in flüssigem Zustand gebildeten Luftprodukts in einem einstellbaren Mengenstrom unter Verwendung einer Pumpenanordnung einer Druckerhöhung auf einen einstellbaren Zieldruck unterworfen, nach der Druckerhöhung durch Erwärmen auf dem Zieldruck in gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt (also verdampft oder pseudoverdampft), und nach dem Erwärmen bzw. dem Überführen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand als das druckbeaufschlagte, gasförmige Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage über eine Produktleitung ausgeleitet.
  • Das vorgeschlagene Verfahren umfasst also eine Innenverdichtung, wie sie zuvor erläutert wurde, wobei zu weiteren Details auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird. Wenngleich hier von "einem" gasförmigen, druckbeaufschlagten Luftprodukt die Rede ist, und ferner davon die Rede ist, dass "ein" bzw. "das" Luftprodukt zunächst in flüssigem Zustand gebildet wird, versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch in Zusammenhang mit Verfahren zum Einsatz kommen kann, in denen mehrere entsprechende Luftprodukte durch Innenverdichtung gebildet werden. Neben Luftprodukten, die durch Innenverdichtung gebildet und aus einer entsprechenden Anlage ausgeführt werden, können weitere Luftprodukte in flüssigem oder gasförmigem Zustand bereitgestellt werden. Insbesondere kann auch nur ein Teil eines zunächst flüssig gebildeten Luftprodukts durch Innenverdichtung druckerhöht und in gasförmigem oder überkritischem Zustand überführt werden, wohingegen ein weiterer Teil eines entsprechenden, zunächst in flüssiger Form gebildeten Luftprodukts beispielsweise in flüssigem Zustand aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet oder ohne Druckerhöhung verdampft oder pseudoverdampft werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Mengenstrom, in dem zumindest ein Teil des zunächst in flüssigem Zustand gebildeten Luftprodukts der Druckerhöhung auf den Zieldruck unterworfen wird, durch Einstellen einer Drehzahl einer Pumpe in einer in der Luftzerlegungsanlage verwendeten Pumpenanordnung eingestellt wird. Es sei an dieser Stelle noch ergänzend erwähnt, dass auch, wenngleich hier von "einer" Pumpe die Rede ist, auch mehrere Pumpen bereitgestellt werden können, die einer entsprechenden Regelung unterworfen werden können. Entsprechende Pumpen können beispielsweise seriell oder parallel zueinander angeordnet sein.
  • Die Mengenregelung über die Drehzahl sowie eine optional vorgesehene und nachfolgend erläuterte Druckregelung über ein Produktventil unterscheiden sich von bekannten Verfahren, wie sie beispielsweise in der WO 2015/127648 A1 offenbart sind. In einer derartigen bekannten Anordnung wird ein Mengenstrom und ein Druck eines entsprechenden Luftprodukts gemessen und eine Drehzahl einer Innenverdichtungspumpe angesteuert. Eine Produktmenge kann hingegen unter Verwendung eines Abblaseventils gesteuert werden. Die erfindungsgemäß eingesetzten Maßnahmen unterscheiden sich damit von den bekannten Maßnahmen durch die Mengenregelung über die Pumpendrehzahl und die Druckregelung über die Einstellung eines Produktventils. Gegenüber dem bekannten Stand der Technik bietet das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren den besonderen Vorteil, dass Druckschwankungen durch die schnelle Reaktion eines Regelventils abgefangen werden, während Mengenänderungen durch die trägere Pumpenansteuerung übernommen werden. Für die Prozessführung im Wärmetauscher ist insbesondere die Konstanz des Drucks wichtig, so dass die vorliegende Erfindung hier besondere Vorteile bietet. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt damit eine vorteilhafte Alternative zu bekannten Verfahren und nicht lediglich eine beliebige Abwandlung dar.
  • Wie bereits erwähnt, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Mengenstrom insbesondere unter Verwendung einer Mengenstromregelung geregelt werden, die auf eine Pumpendrehzahl als Stellgröße Einfluss nimmt. Eine entsprechende Mengenstromregelung kann beispielsweise auf Grundlage einer Mengenstrommessung als Istgröße beruhen, wobei diese Mengenmessung vor oder nach dem Regelventil platziert werden kann oder auch auf der Verbraucherseite, stromabwärts der Abzweigung zur Produktabblasung.
  • Wie ebenfalls bereits erwähnt, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Produktdruck insbesondere durch Einstellen eines Regelventils in der Produktleitung eingestellt werden. Dies kann insbesondere unter Verwendung einer Druckregelung erfolgen, die auf Grundlage eines gemessenen Druckwertes als Istgröße eine entsprechende Verstellung des Regelventils vornimmt. Die Druckregelung wird typischerweise auf Basis eines gemessenen Druckwerts stromaufwärts des Regelventils als Istgröße arbeiten, ist aber nicht darauf beschränkt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt, wie insoweit bei Innenverdichtungsverfahren üblich, das Erwärmen unter Verwendung eines Hauptwärmetauschers der Luftzerlegungsanlage. Die Pumpenanordnung ist dabei kaltseitig und das Regelventil ist warmseitig des Hauptwärmetauschers angeordnet. Auf diese Weise kann mittels des Regelventils direkt der Produktdruck eingestellt werden, ohne dass es hier zu weiteren Produktdruckveränderungen stromab kommen kann. Ein geforderter Produktdruck kann daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Rahmen der vorgeschlagenen Regelung genau eingehalten werden.
  • Wie bereits erwähnt, erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine variable Bereitstellung des gasförmigen, druckbeaufschlagten Luftprodukts, wobei eine variable Bereitstellung hier umfasst, dass der Mengenstrom in einem ersten Betriebszeitraum auf einen ersten Mengenstromwert eingestellt wird und der Mengenstrom in einem zweiten Betriebszeitraum auf einen zweiten Mengenstromwert eingestellt wird. Der zweite Mengenstromwert liegt dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere bei mehr als dem 2-fachen oder 5-fachen und bis zum 10-fachen des ersten Mengenstromwertes.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind ferner vorteilhafterweise eine Erkennung des Betriebspunktes und eine Bypass-Regelung zur Vermeidung unzulässiger Betriebsbereiche und eine Enddruckbegrenzung vorgesehen. Dies erlaubt insbesondere die wirksame Verhinderung eines (dauerhaften) Kavitierens der Pumpe.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst gemäß dieser Ausgestaltung, dass ein Sollwert für eine Druckdifferenz zwischen einem saugseitigen und einem druckseitigen Druck der Pumpe vorgegeben wird, dass eine Istwert der Druckdifferenz ermittelt wird, und dass eine Regeleinrichtung verwendet wird, die die Druckdifferenz durch Einstellen des druckseitigen Drucks regelt. Ein entsprechendes Verfahren greift damit, durch die vorteilhafterweise lediglich druckseitige Regelung der Druckdifferenz, nicht in stromaufwärtige Anlagenkomponenten bzw. deren Regelung ein. Ein saugseitiger Druck kann daher konstant gehalten werden, wofür im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise ebenfalls eine Regelung vorgesehen ist, die auf ein Einlassventil einwirkt, aber unabhängig von der zuvor genannten Regelung erfolgen kann. Eine derartige saugseitige Regelung kann ebenfalls einen Druck saugseitig der Pumpe erfassen. Ferner kann ein druckseitiger Druck eines entsprechenden Einlassventils erfasst werden. Das Einlassventil ist dafür eingerichtet, einen Strömungsquerschnitt stromauf der Pumpe entsprechend einzustellen, um auf diese Weise auf den saugseitigen Druck einzuwirken.
  • Zum Einstellen des Drucks druckseitig der Pumpe wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise ein Rückführventil verwendet, das entsprechend angesteuert wird. Das Rückführventil ist druckseitig der Pumpe in einer Rückführleitung angeordnet. Das Rückführventil und die Rückführleitung werden so bezeichnet, da im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Rückführleitung vorteilhafterweise in ein Fluidvolumen mündet, aus dem zuvor das zunächst in flüssiger Form gebildete Luftprodukt entnommen wurde. Bei einem entsprechenden Fluidvolumen kann es sich beispielsweise um eine Fluidsammeleinrichtung bzw. Fluidentnahmeeinrichtung einer Rektifikationskolonne handeln. Das zunächst in flüssiger Form gebildete Luftprodukt wird einem entsprechenden Fluidvolumen entnommen und anschließend der verwendeten Pumpe zugeführt. Über die Rückführleitung und das in der Rückführleitung angeordnete Rückführventil wird ein Rückfluss des entsprechenden druckbeaufschlagten Fluids in das Fluidvolumen bewirkt, wenn eine entsprechende Druckregelung eingreift. Durch die Verwendung einer Rückführleitung und eines Rückführventils kann eine Druckregelung in einfacher Weise vorgenommen werden, ohne dass entsprechendes Fluid verloren geht. In Ausgestaltungen kann jedoch vorgesehen sein, die Rückführleitung, selbst wenn diese als solche bezeichnet ist, nicht in ein entsprechendes Fluidvolumen münden zu lassen.
  • Vorteilhafterweise wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mittels des Rückführventils ein Strömungsquerschnitt in der weiteren Rückführleitung verringert, wenn der Istwert der Druckdifferenz unterhalb des Sollwertes liegt, und vergrößert, wenn die Druckdifferenz oberhalb des Sollwertes liegt. Mit anderen Worten wird eine Druckabsenkung im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch eine Erhöhung der über die Rückführleitung rückgeführten Fluidmenge vorgenommen. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass der druckseitig der Pumpe vorliegende Druck nicht notwendigerweise der Produktdruck ist. Letzterer kann vielmehr durch die Verwendung des entsprechenden, weiter stromab angeordneten Regelventils in der Produktleitung eingestellt werden, wie zuvor erläutert.
  • Durch die entsprechende Regelung kann im Rahmen der soeben erläuterten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie erwähnt, insbesondere ein (dauerhaftes) Kavitieren der Pumpe verhindert werden, d.h. es kann verhindert werden, dass nennenswerte Gasmengen in einer entsprechenden Pumpe vorliegen, welche die Pumpe beschädigen können. Hierbei kann in Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere für die zur Einstellung des Mengenstroms eingestellte Drehzahl jeweils ein Bereich für zulässige Druckdifferenzen vorgegeben werden. Dies kann beispielsweise durch Verwenden eines Kennfeldes, von Kennlinien und dergleichen in einer entsprechenden Regelung erfolgen. In einem derartigen Kennfeld bzw. mittels entsprechender Kennlinien kann für unterschiedliche Mengenstromwerte jeweils ein entsprechender Bereich für definiert werden. Im Rahmen der soeben erläuterten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dann insbesondere festgestellt, ob die ermittelte Druckdifferenz innerhalb dieses vorgegebenen (zulässigen) Bereiches liegt oder nicht. Es versteht sich, dass die jeweiligen Sollwerte für die Druckdifferenz innerhalb des zulässigen Bereiches liegen müssen.
  • Wird im Rahmen der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erkannt, dass die Druckdifferenz nicht innerhalb des vorgegebenen (zulässigen) Bereiches liegt, kann eine Abschaltroutine zur Abschaltung der Pumpe eingeleitet werden. Diese Abschaltroutine kann beispielsweise eine Verzögerungszeit umfassen bzw. definieren. Mit anderen Worten kann die Abschaltroutine umfassen, ein Abschalten der Pumpe einzuleiten, wenn nach einer vorgegebenen Wartezeit die Druckdifferenz noch immer nicht innerhalb des vorgegebenen (zulässigen) Bereiches liegt. Die Wartezeit kann beispielsweise eine Minute, zwei Minuten, drei Minuten oder fünf Minuten betragen. Sie wird beispielsweise auf Grundlage einer Belastbarkeit bzw. Kavitationstoleranz der verwendeten Pumpe ausgewählt. Die Wartezeit kann auch in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand vorgegeben werden. Beispielsweise kann für transiente Betriebszustände, d.h. solche Betriebszustände, in denen ein Zielwert bzw. ein Sollwert verändert wird, eine längere Wartezeit vorgesehen sein. Die Abschaltroutine und die Wartezeit werden verwendet, um sicherzustellen, dass auch bei einem Versagen der Regelung unsichere Betriebszustände, bei denen die Pumpe beschädigt werden könnte, sicher vermieden werden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine Kreiselpumpe bzw. Zentrifugalpumpe verwendet werden, wie sie aus dem Bereich der Kryotechnik zur Behandlung tiefkalter Flüssigkeiten eingesetzt wird. Bekanntermaßen können derartige Pumpen durch Kavitation beschädigt werden, so dass sich die gemäß Ausgestaltungen der Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen hier als besonders vorteilhaft erweisen.
  • Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer zuvor erläuterten Ausgestaltung in der vorliegenden Erfindung eingerichtet ist. Zu Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch und die obigen Ausführungen ausdrücklich verwiesen. Insbesondere weist eine derartige Luftzerlegungsanlage Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, einem Verfahren entsprechend einer der erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage, die gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung betrieben werden kann, in Form eines schematischen Anlagendiagramms.
    • Figur 2 zeigt eine Regeleinrichtung für eine Pumpe in einer Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in schematischer Darstellung.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
  • Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage, die gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung betrieben werden kann, in Form eines schematischen Anlagendiagramms. Die Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet.
  • Luftzerlegungsanlagen der gezeigten Art sind vielfach an anderer Stelle beschrieben, beispielsweise bei Häring (s.o.) zu Figur 2.3A. Für detaillierte Erläuterungen zu Aufbau und Funktionsweise sei daher auf entsprechende Fachliteratur verwiesen. Eine Luftzerlegungsanlage zum Einsatz der vorliegenden Erfindung kann auf unterschiedlichste Weise ausgebildet sein.
  • Die in Figur 1 gezeigte Luftzerlegungsanlage 100 weist einen Hauptluftverdichter 101, eine Vorkühleinrichtung 102, ein Reinigungssystem 103, einen Nachverdichter 104, einen Hauptwärmetauscher 105, eine Entspannungsturbine 106, ein Drosselorgan 107 und ein insgesamt nicht gesondert bezeichnetes Destillationssäulensystem auf. Das Destillationssäulensystem umfasst eine klassische Doppelsäulenanordnung mit einer Hochdrucksäule 108 und einer Niederdrucksäule 109 sowie außerdem eine Rohargonsäule 110 und eine Reinargonsäule 111.
  • In der Luftzerlegungsanlage 100 wird ein Einsatzluftstrom mittels des Hauptluftverdichters 101 über ein nicht bezeichnetes Filter angesaugt und verdichtet. Der verdichtete Einsatzluftstrom wird der mit Kühlwasser betriebenen Vorkühleinrichtung 102 zugeführt. Der vorgekühlte Einsatzluftstrom wird in dem Reinigungssystem 103 aufgereinigt. In dem Reinigungssystem 103 wird der vorgekühlte Einsatzluftstrom von Wasser und Kohlendioxid befreit.
  • Stromab des Reinigungssystems 103 wird der Einsatzluftstrom in zwei Teilströme aufgeteilt. Einer der Teilströme wird auf dem Druckniveau des Einsatzluftstroms in dem Hauptwärmetauscher 105 vollständig abgekühlt. Der andere Teilstrom wird in dem Nachverdichter 104 nachverdichtet und ebenfalls in dem Hauptwärmetauscher 105 abgekühlt, jedoch nur auf ein Zwischentemperaturniveau. Dieser sogenannte Turbinenstrom wird nach seiner Abkühlung mittels der Entspannungsturbine 106 auf das Druckniveau des vollständig abgekühlten Teilstroms entspannt, mit diesem vereinigt, und in die Hochdrucksäule 108 eingespeist.
  • In der Hochdrucksäule 108 werden eine sauerstoffangereicherte flüssige Sumpffraktion sowie eine stickstoffangereicherte gasförmige Kopffraktion als Luftprodukte gebildet. Die sauerstoffangereicherte flüssige Sumpffraktion wird aus der Hochdrucksäule 108 abgezogen, teilweise als Heizmedium in einem Sumpfverdampfer der Reinargonsäule 110 verwendet und jeweils in definierten Anteilen in einen Kopfkondensator der Rohargonsäule 110, in einen Kopfkondensator der Reinargonsäule 111, sowie direkt die Niederdrucksäule 109 eingespeist. In den Verdampfungsräumen der Kopfkondensatoren der Rohargonsäule 110 und der Reinargonsäule 111 verdampfendes Fluid wird ebenfalls in die Niederdrucksäule 109 überführt.
  • Vom Kopf der Hochdrucksäule 108 wird das gasförmige stickstoffreiche Kopfprodukt abgezogen, in einem Hauptkondensator 112, der eine wärmetauschende Verbindung zwischen der Hochdrucksäule 108 und der Niederdrucksäule 109 herstellt, verflüssigt, und in Anteilen als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 108 aufgegeben und in die Niederdrucksäule 109 entspannt.
  • In der Niederdrucksäule 109 werden eine sauerstoffreiche flüssige Sumpffraktion sowie eine stickstoffreiche gasförmige Kopffraktion gebildet. Erstere wird teilweise in einer Pumpenanordnung 10 unter Verwendung einer Pumpe 11 in tiefkaltem Zustand flüssig auf Druck gebracht, in dem Hauptwärmetauscher 105 auf diesem Druck erwärmt, dabei aus dem flüssigen Zustand in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und als druckbeaufschlagtes, gasförmiges Luftprodukt bereitgestellt. Das druckbeaufschlagte, gasförmige Luftprodukt wird dabei mittels einer Produktleitung 12 mit einem Regelventil 13 aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet.
  • Mittels der Luftzerlegungsanlage 100 wird also in Form der flüssigen Sumpffraktion der Niederdrucksäule 109 ein tiefkaltes Luftprodukt in flüssigem Zustand gebildet, das zumindest zum Teil unter Verwendung der Pumpenanordnung 10 in flüssigem Zustand auf einen bestimmten Druck, hier als Produktdruck bezeichnet, gebracht, durch Erwärmen auf dem Produktdruck in gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt (also verdampft oder pseudoverdampft) und als ein druckbeaufschlagtes, gasförmiges Luftprodukt über die Produktleitung 12 aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet wird. Ein Mengenstrom, in der das tiefkalte Luftprodukt in der Pumpenanordnung 10 verdichtet wird, und der Produktdruck können dabei wie vorstehend erläutert und insbesondere unter Bezugnahme auf Figur 2 noch beschrieben, im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingestellt werden.
  • Aus einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung am Kopf der Niederdrucksäule 109 wird ein flüssiger stickstoffreicher Strom abgezogen und als Flüssigstickstoffprodukt aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeführt werden. Ein vom Kopf der Niederdrucksäule 109 abgezogener gasförmiger stickstoffreicher Strom wird durch den Hauptwärmetauscher 105 geführt und als Stickstoffprodukt auf dem Druck der Niederdrucksäule 109 bereitgestellt. Aus der Niederdrucksäule 109 wird ferner ein Strom aus einem oberen Bereich abgezogen und nach Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher 105 als sogenannter Unreinstickstoff in der Vorkühleinrichtung 102 bzw. nach einer Aufheizung mittels eines elektrischen Heizers in dem Reinigungssystem 103 verwendet.
  • Die vorstehend beschriebene Innenverdichtung ist nicht auf das Sumpfprodukt der Niederdrucksäule 109 beschränkt, sondern kann alternativ oder zusätzlich bezüglich aller in einer entsprechender Luftzerlegungsanlage 100 gebildeter flüssiger Luftprodukte erfolgen. Beispielsweise können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch innenverdichteter Stickstoff (z.B. aus verflüssigtem Kopfprodukt der Hochdrucksäule 108) oder innenverdichtetes Argon (z.B. aus Flüssigkeit aus der Reinargonsäule 111) bereitgestellt werden. Entsprechende Flüssigkeiten können dazu auch in Speicherbehältern gespeichert und aus diesen entnommen werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist, wie bereits angesprochen, durch die spezifisch in Figur 1 dargestellte Luftzerlegungsanlage 100 beschränkt, sondern in allen Konstellationen einsetzbar, in denen flüssige Luftprodukte gebildet werden.
  • Figur 2 zeigt eine Regeleinrichtung 200 für eine Pumpe in einer Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in schematischer Darstellung, beispielsweise für die Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1, nebst weiteren Einrichtungen, und veranschaulicht damit zugleich ein entsprechendes Regelungsverfahren.
  • Die Regeleinrichtung 200 ist zur Regelung einer Pumpenanordnung eingerichtet, die wie zuvor mit 10 bezeichnet ist. Eine Pumpe, die Teil der Pumpenanordnung 10 ist, ist wie zuvor mit 11 bezeichnet Es können auch mehrere Pumpen 11 vorhanden sein. Fluidpfade bzw. Fluidleitungen sind in Figur 2 mit durchgezogenen Linien und Pfeilen, Reglerwerte, Stellgrößen, Kommunikationspfade, Messwerte bzw. Messleitungen und dergleichen mit gepunkteten Linien und Pfeilen veranschaulicht.
  • Sämtliche der nachfolgend mit 201 bis 214 bezeichneten und nachfolgend erläuterten Elemente können, soweit technisch möglich und vorteilhaft, in Form von Hardware oder Software, mechanisch, elektromechanisch oder elektronisch implementiert und als Teil von Reglern in Form einer oder mehrerer unterschiedlicher baulicher Einheiten ausgebildet sein. Soweit erforderlich, können die Elemente 201 bis 214 geeignete Sensoren, Anzeigeeinrichtungen, mechanische Steller und dergleichen aufweisen. Die Kommunikation zwischen diesen Elementen kann teilweise oder vollständig unter Verwendung bekannter Kommunikationsstrukturen, mittels Bussystemen, mittels analoger oder digitaler Signale, kabelgebunden und/oder kabellos erfolgen.
  • Als weitere Einrichtungen neben der Pumpe 11 sind nochmals die Produktleitung 12 und das Regelventil 13 dargestellt. Eine Zuleitung ist mit 14 bezeichnet. Ferner ist eine weitere Fluidleitung, die hier als Rückführleitung bezeichnet und mit dem Bezugszeichen 15 versehen ist, mit einem weiteren Regelventil, das hier als Rückführventil bezeichnet und mit dem Bezugszeichen 16 versehen ist, dargestellt. Die Rückführleitung 15 führt zurück in das Rektifikationskolonnensystem bzw. einen entsprechenden Tank, aus dem das jeweils behandelte flüssige Luftprodukt entnommen wurde. Da im Beispiel der Figur 1 eine Entnahme aus der Niederdrucksäule 109 erfolgt, ist deren Einbindung hier nochmals in Form entsprechender Blöcke mit dem Bezugszeichen 109 angegeben. Entsprechendes gilt für die Zuleitung 14. Auch die Position des Hauptwärmetauschers 105 ist mit einem entsprechenden Bezugszeichen angedeutet. Stromauf des Regelventils 12 ist eine Rückschlagarmatur 17 vorgesehen, stromauf der Pumpe 11 findet sich in der Zuleitung 14 ein Einlassventil 18. Es versteht sich, dass die Anordnung auch von der konkreten Darstellung gemäß Figur 2 abweichen kann.
  • Im Rahmen der hier veranschaulichten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Mengenstrom eines unter Verwendung der Pumpe 11 geförderten flüssigen Luftprodukts durch Stellen einer Drehzahl der Pumpe 11 in der Pumpenanordnung 10 eingestellt. Ferner wird ein Druck, auf den das flüssige Luftprodukt in der Pumpenanordnung 10 gebracht wird, insbesondere durch Stellen des Regelventils 13 in der Produktleitung 12 eingestellt. Zu letzterem Zweck ist ein Druckregler 201 mit einem beispielsweise manuell oder anderweitig einstellbaren Zielwert vorgesehen, der das Regelventil 13 ansteuert. Ein Druckgeber, der Teil einer entsprechenden Regelung sein kann, und der beispielsweise einen Druckwert stromauf des Regelventils 13 erfasst, ist nicht gezeigt. Entsprechend kann auch das Einlassventil 18 über eine Druckregelung 202 zur Einstellung eines stromaufwärtigen Drucks eingestellt werden.
  • In der Regeleinrichtung 200 ist in der hier veranschaulichten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine Antikavitationsregelung implementiert, um ein Kavitieren der Pumpe 11 aufgrund nicht geeigneter Druckdifferenzen bei der jeweiligen Drehzahl der Pumpe 11 zu verhindern. Diese wird nachfolgend erläutert.
  • In dem Verfahren gemäß der hier veranschaulichten Ausgestaltung wird die Drehzahl der Pumpe 11 in Form eines Drehzahlwerts mittels einer manuellen Einstellung 203 oder anderweitig vorgegeben. Für die Einstellung 203 können dabei auch Grenzen durch eine Vorgabeeinheit 204 gesetzt werden bzw. kann die Vorgabeeinheit 204 entsprechende Einstellungen überschreiten. Beispielsweise können mit der Vorgabeeinheit 204 zum Anfahren einer entsprechenden Anlage eine minimal zulässige Drehzahl und zum Abfahren bzw. zur Entleerung eine feste, geringe Drehzahl vorgegeben werden.
  • Der eingestellte Drehzahlwert wird Limitgebern 206 und 207 zur Verfügung gestellt, die für den vorgegebenen Drehzahlwert einen maximal zulässigen und einen minimal zulässigen Differenzdruckwert liefern. Die für unterschiedliche Drehzahlwerte maximal und minimal zulässigen Differenzdruckwerte werden beispielsweise durch den Hersteller vorgegeben und in Form von Kennlinien, Kurven, Kennfeldern und dergleichen bereitgestellt. Ein Differenzdruckgeber 205 liefert den tatsächlichen Differenzdruckwert zwischen Saugseite und Druckseite der Pumpe 11.
  • Wird durch den momentanen Differenzdruckwert, der durch den Differenzdruckgeber 205 geliefert wird, der maximal zulässige Differenzdruckwert überschritten, kann, wie in Form eines Blocks 208 veranschaulicht, eine Abschaltroutine eingeleitet werden. Diese kann eine Wartezeit von beispielsweise 120 Sekunden umfassen. Ist nach dieser Wartezeit der maximal zulässige Differenzdruckwert noch immer überschritten, wird die Pumpe 11 abgeschaltet, ist dieser wieder in einen zulässigen Bereich zurückgekehrt, wird die Abschaltroutine ohne Abschaltung der Pumpe 11 beendet. Entsprechendes gilt auch für den Fall, dass der minimale Differenzdruckwert unterschritten wird. In diesem Fall kann, wie in Form eines Blocks 209 veranschaulicht, ebenfalls eine Abschaltroutine eingeleitet werden. In bestimmten Fällen, beispielsweise bei transienten Betriebszuständen, kann abweichend vorgegangen bzw. die Einleitung der Abschaltroutinen unterbunden werden.
  • Die durch die Limitgeber 206 und 207 gelieferten Werte werden einem Zielwertberechner 210 zugeführt. Dieser berechnet beispielsweise einen Zielwert für den Differenzdruckwert, der in einer vorgegebenen Distanz, beispielsweise ausgedrückt in Prozent, zum maximalen Differenzdruckwert liegen kann. Hierbei kann beispielsweise ein Abstand von 10% verwendet werden.
  • Der durch den Zielwertberechner 210 berechnete, anzustrebende Differenzdruckwert wird dem eigentlichen Differenzdruckregler 211 zugeführt, welcher für bestimmte Fälle, beispielsweise zum Abfahren, mit weiteren Werten beaufschlagt werden kann. Beispielsweise kann in solchen Fällen, wie in Form eines Pfeils von oben veranschaulicht, ein anderer Zielwert vorgegeben werden. Im dargestellten Beispiel ist ein Maximalwertwähler 213 vorgesehen. Auf diesen kann jedoch verzichtet werden, in welchem Fall eine Ausgabe des Differenzdruckregler 211 direkt zum Stellen des Rückführventils 16 verwendet wird. Im dargestellten Beispiel wird jedoch dem Maximalwertwähler 213 außerdem ein Auslösewert eines Druckbegrenzers 212 zugeführt, so dass für die Fälle, in denen der von dem Differenzdruckregler 211 ausgegebene Wert den Auslösewert des Druckbegrenzers 212 überschreitet, das Rückführventils 16 angesteuert wird. Auf eine derartige Einrichtung kann z.B. verzichtet werden, wenn ein maximal zulässiger Druckwert ohnehin in jedem Fall oberhalb eines theoretischen Maximalwerts des Signals des Differenzdruckreglers 211 liegt.
  • Durch die vorstehend beschriebene Reglerstruktur kann damit einerseits der Mengenstrom des innenverdichteten Luftprodukts durch das Stellen der Drehzahl der Pumpe 11 in der Pumpenanordnung 10 und der Produktdruck durch das Stellen des Regelventils 13 in der Produktleitung 12 eingestellt werden, wobei aufgrund der zuvor erläuterten Maßnahmen ein Kavitieren sicher verhindert werden kann.

Claims (15)

  1. Verfahren zur variablen Bereitstellung eines gasförmigen, druckbeaufschlagten Luftprodukts, bei dem unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100) das Luftprodukt in flüssigem Zustand gebildet wird, wobei zumindest ein Teil des in flüssigem Zustand gebildeten Luftprodukts in einem einstellbaren Mengenstrom unter Verwendung einer Pumpenanordnung (10) einer Druckerhöhung auf einen einstellbaren Zieldruck unterworfen, nach der Druckerhöhung durch Erwärmen auf dem Zieldruck in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und nach dem Erwärmen als das druckbeaufschlagte, gasförmige Luftprodukt aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Mengenstrom durch Einstellen einer Drehzahl einer Pumpe (11) in der Pumpenanordnung (10) eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Einstellung des Mengenstroms unter Verwendung einer Mengenstromregelung durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Produktdruck durch Einstellen eines Regelventils (13) in der Produktleitung (12) eingestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Einstellung des Produktdrucks unter Verwendung einer Druckregelung (201) durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Erwärmen unter Verwendung eines Hauptwärmetauschers (105) der Luftzerlegungsanlage (100) erfolgt, wobei die Pumpenanordnung (10) kaltseitig und das Regelventil (13) warmseitig des Hauptwärmetauschers (105) angeordnet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Mengenstrom in einem ersten Betriebszeitraum auf einen ersten Mengenstromwert eingestellt wird und bei dem der Mengenstrom in einem zweiten Betriebszeitraum auf einen zweiten Mengenstromwert eingestellt wird, wobei der zweite Mengenstromwert beim 2-fachen bis 10-fachen des ersten Mengenstromwerts liegt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Sollwert für eine Druckdifferenz zwischen einem saugseitigen und einem druckseitigen Druck der Pumpe (11) vorgegeben wird und ein Istwert der Druckdifferenz ermittelt wird, und bei dem eine Regeleinrichtung verwendet wird, die die Druckdifferenz durch Einstellen des druckseitigen Drucks regelt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der druckseitige Druck unter Verwendung eines Rückführventils (16) eingestellt wird, das druckseitig der Pumpe (11) in einer Rückführleitung (15) angeordnet ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem mittels des Rückführventils (16) ein Strömungsquerschnitt in der weiteren Rückführleitung (15) verringert wird, wenn der Istwert der Druckdifferenz unterhalb des Sollwerts liegt, und vergrößert wird, wenn die Druckdifferenz oberhalb des Sollwerts liegt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem für die zur Einstellung des Mengenstroms eingestellte Drehzahl ein Bereich für zulässige Druckdifferenzen vorgegeben wird, und bei dem festgestellt wird, ob die ermittelte Druckdifferenz innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt oder nicht.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine Abschaltroutine zur Abschaltung der Pumpe (11) eingeleitet wird, wenn festgestellt wird, dass die ermittelte Druckdifferenz nicht innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Abschaltroutine umfasst, ein Abschalten der Pumpe (11) einzuleiten, wenn nach einer vorgegebenen Wartezeit die Druckdifferenz noch immer nicht innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt.
  13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als die Pumpe (11) eine Kreiselpumpe verwendet wird.
  14. Luftzerlegungsanlage (100) zur variablen Bereitstellung eines gasförmigen, druckbeaufschlagen Luftprodukts, wobei die Luftzerlegungsanlage (100) dafür eingerichtet ist, das Luftprodukt in flüssigem Zustand zu bilden, wobei eine Pumpenanordnung (10) und Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, zumindest einen Teil des in flüssigem Zustand gebildeten Luftprodukts in einem einstellbaren Mengenstrom auf einen einstellbaren Zieldruck einer Druckerhöhung zu unterwerfen, nach der Druckerhöhung durch Erwärmen auf dem Zieldruck in gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und nach dem Erwärmen als das druckbeaufschlagte, gasförmige Luftprodukt über eine Produktleitung (12) aus der Luftzerlegungsanlage (100) auszuleiten, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, die dafür eingerichtet ist, den Mengenstrom durch Einstellen einer Drehzahl einer Pumpe (11) in der Pumpenanordnung (10) einzustellen.
  15. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 14, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist.
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