EP4070023A1 - Verfahren zum betreiben einer luftzerlegungsanlage mit einem destillationssäulensystem, einem wärmetauscher und einem adsorber sowie luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer luftzerlegungsanlage mit einem destillationssäulensystem, einem wärmetauscher und einem adsorber sowie luftzerlegungsanlage

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EP4070023A1
EP4070023A1 EP20812219.2A EP20812219A EP4070023A1 EP 4070023 A1 EP4070023 A1 EP 4070023A1 EP 20812219 A EP20812219 A EP 20812219A EP 4070023 A1 EP4070023 A1 EP 4070023A1
Authority
EP
European Patent Office
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heat exchanger
operating mode
air
compressed air
period
Prior art date
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Pending
Application number
EP20812219.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Lochner
Ralph Spöri
Christoph Windmeier
Pascal Freko
Andreas Obermeier
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/10—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being air
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    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an air separation plant with a distillation column system set up for low-temperature rectification, a heat exchanger and an adsorber as well as a corresponding air separation plant according to the preambles of the respective independent claims.
  • heat exchangers are operated with cryogenic fluids, ie fluids with temperatures well below 0 ° C, in particular well below -100 ° C.
  • cryogenic fluids ie fluids with temperatures well below 0 ° C, in particular well below -100 ° C.
  • the present invention is described below mainly with reference to the main heat exchangers of air separation plants, to which air that has already been dried in an adsorber and freed from carbon dioxide is supplied for cooling.
  • the invention does not relate to systems which have heat exchangers which are used to freeze water and carbon dioxide from air and which are therefore operated cyclically in order to remove frozen water and carbon dioxide from the heat exchanger from time to time.
  • heat exchangers in air separation plants achieve temperature equalization and heat up when the plant is at a standstill and thus when the heat exchanger is shut down, or the temperature profile that forms in a corresponding heat exchanger in stationary operation cannot be maintained in such a case.
  • the temperatures at the previously warm end and at the previously cold end are equalized due to the good heat conduction (longitudinal heat conduction) in its metallic material.
  • the previously warm end of the heat exchanger becomes colder over time and the previously cold end of the heat exchanger becomes warmer until the temperatures mentioned are at or near an average temperature.
  • the temperatures which were around -175 ° C or + 20 ° C at the time of shutdown, equalize over several hours and almost reach the mean temperature.
  • the present invention therefore has the particular object of specifying measures which enable a heat exchanger of an air separation plant to be restarted even after a long period of shutdown without the aforementioned disadvantageous effects occurring.
  • the present invention proposes a method for operating an air separation plant with a distillation column system set up for low temperature rectification, a heat exchanger and an adsorber and a corresponding air separation plant with the features of the respective independent claims.
  • a “heat exchanger” is an apparatus which is designed for the indirect transfer of heat between at least two fluid flows, for example, which are guided in countercurrent to one another.
  • a heat exchanger for use in the context of the present invention can be formed from a single or a plurality of heat exchanger sections connected in parallel and / or in series, for example from one or more plate heat exchanger blocks.
  • a heat exchanger has “passages” that are set up for fluid guidance and are fluidically separated from other passages by separating plates or are only connected on the inlet and outlet side via the respective headers. The passage from the outside is separated by side bars. The passages mentioned are referred to below as “heat exchanger passages”.
  • heat exchanger and “heat exchanger” are used synonymously. The same applies to the terms “heat exchange” and “heat exchange”.
  • the "main heat exchanger” of an air separation plant is characterized by the fact that at least the majority of the air to be broken down and the air products formed is passed through it.
  • the present invention relates in particular to the apparatus referred to in the German version of ISO 15547-2: 2005 as plate-fin heat exchangers. If a “heat exchanger” is used below, this should therefore be understood in particular to be a fin-plate heat exchanger.
  • a fin-plate heat exchanger has a large number of flat chambers or elongated channels lying one above the other, which are separated from one another by corrugated or otherwise structured and interconnected, for example soldered plates, usually made of aluminum. The panels are stabilized by means of the side strips and connected to one another via these.
  • the structuring of the heat exchanger plates serves in particular to enlarge the heat exchange surface, but also to increase the stability of the heat exchanger.
  • the invention particularly relates to brazed fin and plate heat exchangers made of aluminum. In principle, however, corresponding heat exchangers can also be made from other materials, for example from stainless steel, or from various different materials.
  • Air separation plants have distillation column systems that can conventionally be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three-column or multi-column systems.
  • distillation columns for obtaining nitrogen and / or oxygen in the liquid and / or gaseous state i.e. the distillation columns for nitrogen-oxygen separation
  • distillation columns for obtaining further air components in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon
  • rectification” and “distillation” and “column” and “column” or terms composed of these are used synonymously.
  • the present invention is suitable for air separation plants with any distillation column systems that are operated at cryogenic temperatures, i.e. at least partially less than -100 ° C.
  • cryogenic temperatures i.e. at least partially less than -100 ° C.
  • the air supplied to an air separation plant is first compressed in the so-called main air compressor to a pressure level that varies according to the specific
  • the mode of operation of the air separation plant is directed and can typically be at the highest operating pressure in the distillation column system or significantly above it.
  • the air heats up during this compression and is therefore first cooled in a direct contact cooler. This cooling reduces the moisture content of the water-saturated air and in this way reduces the effort for the subsequent drying.
  • the air now also contains carbon dioxide in particular.
  • Water and carbon dioxide have to be removed, since during the subsequent cooling in the main heat exchanger by desublimation or freezing out, solids can form, which gradually clog or block the heat exchanger.
  • Hydrocarbons in the air can also be problematic because they are less volatile than nitrogen and oxygen and can therefore collect in the liquid oxygen that is formed, for example, in the bottom of the low-pressure column.
  • Adsorbers are used to remove the components mentioned, at least in air separation plants of the newer type.
  • an adsorber in an air separation plant typically has adsorption vessels arranged in pairs, which are switched between adsorption and regeneration mode.
  • Zeolites which act as molecular sieves, are typically used as adsorption material.
  • An adsorption cycle typically lasts between 1.5 hours and 6 hours and is carried out at the pressure level of the compressed air. Before the regeneration, the pressure is typically released to ambient pressure within approx. 10 minutes.
  • the regeneration is carried out using a dry flow of regeneration gas in a countercurrent direction. The regeneration is divided into a heating phase, in which the regeneration gas flow is heated, and a subsequent cooling phase with cold regeneration gas. This is followed by a pressure build-up phase of approx. 20 minutes.
  • gaseous and essentially water- and carbon dioxide-free compressed air is provided, which can be cooled in the main heat exchanger.
  • the present invention does not relate to systems in which, as for example in US Pat. No. 3,469,271 A, corresponding components are removed from the compressed air used by freezing them out.
  • an "air product” is used here, this is understood to mean a gas or a liquid or a medium in the supercritical state that has one or more components contained in atmospheric air, but no other (non-air) components.
  • the one or more components from the atmospheric air may be present in the air product in the same or different absolute or relative proportions than in the atmospheric air.
  • An air product or another fluid is "free” of water and carbon dioxide in the sense to be understood here if it has no detectable proportions of water and carbon dioxide. It can also be “substantially” free of water and carbon dioxide in the commonly understood sense, so that water and carbon dioxide are not contained in effective amounts. In particular, there may be residual contents of up to a few ppm (parts per million) of water and carbon dioxide without the relevant residual contents affecting the essential properties of the feed air or a corresponding air product with regard to the processing in the heat exchanger.
  • cold gas from a tank or exhaust gas from the stationary system can flow through a (main) heat exchanger of an air separation plant when the associated plant is idle in order to avoid heating or that in stationary operation (i.e. in particular the usual production operation of a corresponding plant System) to maintain a trained temperature profile.
  • stationary operation i.e. in particular the usual production operation of a corresponding plant System
  • heat from the surroundings can also be introduced there via thermal bridges in order to avoid the cooling of the warm end of a corresponding heat exchanger. If there is no process unit downstream of the heat exchanger with a significant buffer capacity for cold (e.g. no rectification column system with the accumulation of cryogenic liquids), such as in a pure air liquefaction system, then excessive thermal stresses can occur in the event of sudden The supply of warm process streams at the warm end when restarting can be reduced.
  • a significant buffer capacity for cold e.g. no rectification column system with the accumulation of cryogenic liquids
  • the supplied warm process streams can be expanded after exiting the cold end of the heat exchanger and returned as cold streams via the cold end to the warm end, so that the heat exchanger slowly returns to its normal temperature profile in this way by means of Joule-Thomson cooling can be.
  • the present invention solves this problem as set out in the corresponding independent claims. For this purpose, it proposes a method for operating an air separation plant with a distillation column system set up for low-temperature rectification, a heat exchanger and an adsorber.
  • the heat exchanger is in particular the main heat exchanger of the air separation plant.
  • the present invention relates in particular to measures that avoid excessive thermal stress on the cold end of the heat exchanger. Such measures can, however, be combined at any time with further measures aimed at reducing thermal stresses at the warm end of the heat exchanger.
  • the present invention can also be combined at any time with further measures for temperature control of the cold end of the heat exchanger.
  • the present invention proposes carrying out the method in a first operating mode and in a second operating mode, the first operating mode being carried out in a first period and the second operating mode being carried out in a second period and the second period being after the first period.
  • the second time period and the first time period do not overlap within the scope of the present invention and are carried out alternately several times.
  • the first time period or the first operating mode carried out in this first time period corresponds to the production operation of a corresponding air separation plant, that is to say that operating period in which liquid and / or gaseous air products are provided.
  • the second operating mode which is carried out in the second operating period, represents an operating period in which corresponding air products are not formed.
  • Corresponding second periods of time or second operating modes are used in particular to save energy or costs, for example if no air products are required, incentives from the energy market justify a reduction in production, or to carry out maintenance work.
  • the heat exchanger is preferably not flowed through in the second operating mode or is flowed through to a significantly lesser extent than in the first operating mode.
  • the present invention does not rule out that certain quantities of gases are also passed through a corresponding heat exchanger in the second operating mode, for example in order to maintain or bring it to temperature in support of the measures proposed according to the invention.
  • the amount of fluids passed through the heat exchanger in the second operating mode is always well below the amounts of fluids that are passed through the heat exchanger in a regular first operating mode.
  • the amount of fluids passed through the heat exchanger in the second operating mode is, within the scope of the present invention, for example, no more than 20%, 10%, 5% or 1% in total, based on the amount of fluid passed through the heat exchanger in the first operating mode.
  • the first operating mode and the second operating mode are carried out a number of times in alternation with one another, ie the first operating mode is always followed by the second operating mode and the second Operating mode then the first operating mode again, etc.
  • this does not preclude in particular that further operating modes can be provided between the first and the second operating mode or between the second and the first operating mode, in particular the third according to the invention between the second and the first operating mode Operation mode.
  • the following sequence results in particular: first operating mode - second operating mode - third operating mode - first operating mode, etc.
  • compressed air in the adsorber is at least partially freed from water and carbon dioxide and at least a portion is cooled in the heat exchanger. Furthermore, in the first operating mode, an air product is removed from the distillation column system and at least a portion is heated in the heat exchanger.
  • a first end of the heat exchanger at which the compressed air to be cooled is fed in and the heated air product is removed, is brought to a first temperature level.
  • a second end of the heat exchanger at which the air product to be heated is fed in and the cooled compressed air is withdrawn, is brought to a second temperature level below the first temperature level.
  • the first temperature level corresponds in particular to the ambient temperature and includes, for example, temperatures from 0 to 50 ° C.
  • the second temperature level corresponds in particular to the removal temperature of the air product from the distillation column system and is preferably at clearly cryogenic temperatures, in particular from -50 ° C to -200 ° C, for example from -100 ° C to -200 ° C or from -150 ° C to -200 ° C.
  • the specifically addressed compressed air or a specifically addressed air product is correspondingly cooled or heated, it is of course not excluded that further fluid flows can also be cooled or heated.
  • Corresponding further fluid flows can have the same or a different composition.
  • compressed air can be provided in the form of a total flow from which several partial flows can be formed and cooled to the same or different temperatures.
  • several fluid flows can also be used Distillation column system or a corresponding storage system taken and heated together or separately from one another in the heat exchanger.
  • Corresponding fluid flows can also be divided into two or more partial flows in the heat exchanger, for example, which are taken from the heat exchanger at the same or different temperatures. It is of course also possible to feed in a further fluid flow in the heat exchanger and to further heat a collective flow formed in this way in the heat exchanger. In any case, however, compressed air and an air product (alone or together with further flows as explained above) are cooled or heated in the heat exchanger.
  • the cooling of the compressed air and the heating of the air product in the heat exchanger are partially or completely suspended within the scope of the present invention.
  • these fluids which are passed through the heat exchanger in the first operating mode and are cooled or heated in the heat exchanger
  • no fluid can be passed through the heat exchanger.
  • the compressed air or the air product that is passed through the heat exchanger and cooled or heated in the first operating mode it is also possible to pass other fluid flows through the heat exchanger, in particular in significantly smaller quantities.
  • the invention relates in particular to measures that prevent excessive temperature stresses occurring on the prevent cold end of the heat exchanger.
  • One aspect of the present invention is that in the second operating mode it is allowed that the second end of the heat exchanger, to which the air product to be heated is supplied and the cooled compressed air is removed in the first operating mode, is heated from the second temperature level to a higher temperature level .
  • this involves heating to the third temperature level, as will also be explained below with reference to the third operating mode.
  • the third temperature level can be at a mean temperature between the first and the second temperature level lie or deviate therefrom, in particular by no more than 10 K.
  • the first end of the heat exchanger to which the compressed air to be cooled is supplied and the heated air product removed in the first operating mode, can also cool down, although the present invention primarily does not concern measures that regulate the temperature of the heat exchanger at this first end , the "warm end".
  • a third operating mode is carried out in a third period between the second period and the first period or a further first period which follows a previous second period in the multiple alternating operation.
  • This third operating mode is used in particular to control the temperature of the second, i.e. cold end of the heat exchanger, which has heated up to the third temperature level in the manner explained during the second operating mode because a corresponding heating has been permitted, for example by not controlling the temperature in this second operating mode.
  • the third operating mode is carried out in particular to bring the second, i.e.
  • the third operating mode is therefore advantageously carried out immediately before a subsequent renewed first period of time.
  • compressed air in the adsorber is at least partially freed from water and carbon dioxide and at least partially cooled in the heat exchanger.
  • the air product is removed from the distillation column system and at least a portion is heated in the heat exchanger.
  • an adjustable proportion of the compressed air cooled in the heat exchanger or an adjustable amount of further Compressed air which has been at least partially freed of water and carbon dioxide in the adsorber, but has not been cooled in the heat exchanger, is fed to the air product before it is heated in the heat exchanger.
  • the compressed air in the third operating mode is initially not cooled down as much as when the capacity is fully restored later
  • the temperature to which the compressed air is or can be cooled is significantly higher in the third operating mode than in the first operating mode.
  • the cooled compressed air can therefore be used for temperature control in the third operating mode, in that it is fed in an adjustable amount to the air product, which is present at significantly lower temperatures.
  • the compressed air, which has not yet cooled down, naturally has a significantly higher temperature and can therefore also be used in a corresponding manner.
  • a cold end of a heat exchanger is not immediately exposed to cryogenic fluids after a longer standstill phase in which this cold end has warmed up, but can be cooled down gradually.
  • the third operating mode is advantageously carried out until the first end is again at the first temperature level or has come sufficiently close to it and until the second end is again at the second temperature level or has come close enough to it.
  • a “sufficient approximation” can exist in particular in the case of a temperature difference which is below a predetermined threshold of, for example, 30, 20, 10 or 5 K or can be taken from applicable regulations.
  • the temperature level of a fluid flow which is formed from the air product and the proportion of compressed air or the further compressed air in the third operating mode, can be successively reduced.
  • a corresponding successive lowering can include a gradual and / or gradual lowering within the scope of the present invention.
  • a gradient the lowering can be adapted to the prevailing temperatures or material parameters (for example thermal compatibilities or stress resistances), in particular with regard to its steepness.
  • a gradual or step-by-step lowering does not have to take place continuously over the entire third time period, rather lowering periods with different gradients can also be used.
  • the successive lowering can include setting an amount of the supplied compressed air.
  • the setting of the amount advantageously includes the use of a control and / or regulating device, as already explained above.
  • the air product mentioned above can in particular be so-called impure nitrogen, ie a nitrogen-containing fluid with an oxygen content of, for example, up to 21% (typically up to 10%), which is taken from a low-pressure column of the distillation column system, i.e. a distillation column that is on a Pressure level of 1 to 2 bar (abs.), In particular 1, 1 to 1, 3 bar (abs.) Is operated.
  • impure nitrogen ie a nitrogen-containing fluid with an oxygen content of, for example, up to 21% (typically up to 10%)
  • a low-pressure column of the distillation column system i.e. a distillation column that is on a Pressure level of 1 to 2 bar (abs.), In particular 1, 1 to 1, 3 bar (abs.) Is operated.
  • the present invention also extends to an air separation plant which is designed as specified in the corresponding independent claim.
  • an air separation plant which is designed as specified in the corresponding independent claim.
  • FIG. 1 illustrates temperature profiles in a heat exchanger after shutdown without the use of measures according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 illustrates an arrangement with a heat exchanger.
  • Figure 3 illustrates a further arrangement with a heat exchanger.
  • FIG. 4 illustrates an arrangement according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 5 illustrates an arrangement according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 6 illustrates an air separation plant that can be operated in accordance with an embodiment of the invention.
  • FIG. 7 illustrates a further arrangement with a heat exchanger.
  • Figure 1 illustrates temperature profiles in a heat exchanger after shutdown without the use of measures according to advantageous embodiments of the present invention in the form of a temperature diagram.
  • a temperature labeled F1 at the warm end of a corresponding heat exchanger and a temperature labeled C at the cold end are shown in ° C on the ordinate versus a time in hours on the abscissa.
  • the temperature Fl at the warm end of the heat exchanger at the beginning of the shutdown which still corresponds to the temperature in regular operation of the heat exchanger, is approx. + 20 ° C and the temperature C at the cold end is approx. -175 ° C. Over time, these temperatures increasingly converge.
  • the high thermal conductivity of the materials built into the heat exchanger is responsible for this. In other words, here heat flows from the warm end towards the cold end. Together with the heat input from the environment, this results in an average temperature of approx. -90 ° C.
  • the significant increase in temperature at the cold end is largely due to the internal temperature equalization in the heat exchanger and only to a lesser extent due to external heat input.
  • thermal stresses can arise in the case shown if the warm end of the heat exchanger is exposed to a warm fluid of approx. 20 ° C. in the example shown after regeneration for some time without further measures.
  • thermal stresses can also arise if a system downstream of the heat exchanger immediately supplies cryogenic fluids again, for example cryogenic gases from a rectification column system of an air separation system.
  • the present invention particularly addresses the latter problem.
  • FIG. 2 shows an arrangement with a heat exchanger 1 in which the measures proposed according to the invention are not implemented.
  • the heat exchanger 1 has a heat exchange region 10, to which fluids are supplied and removed at a first, ie warm end 11 and from which fluids are also supplied or withdrawn at a second, ie cold end 12.
  • a fluid stream A an air product from a distillation column system in an air separation plant, is fed to the heat exchanger 1 at the cold end 12, heated in the heat exchange area 10 of the heat exchanger 1, and removed again at the warm end 11.
  • the first fluid flow A is heated accordingly.
  • a second fluid stream in an air separation plant, compressed air from an adsorber
  • first and second temperature levels are established at the warm end 11 and the cold end 12. If the supply of the fluid flows A and B is prevented, the temperatures therefore change accordingly and, in particular, the temperature at the cold end 12 increases accordingly to a “third” temperature level.
  • this fluid flow A can here, if necessary, be formed using a first output flow A1 and a second output flow A2.
  • the first output current A1 and the second output current A2 are branched off from a base current A0 or the base current AO is divided into the output currents A1 and A2.
  • the output flow A1 is used to form the first fluid flow A under restriction by a control element 14, which can in particular be controlled by a suitable control or regulating device 2, for example a controllable or regulatable valve.
  • the output current A2 is passed through a heater 15 and heated therein. After the heating, the substream A2 is combined with the substream A1.
  • This mixed temperature can be set by setting the respective proportions of the first and second output streams A1, A2 or a quantity of the energy introduced via the heater 15. As mentioned, the temperature level is particularly gradually reduced.
  • FIG. 4 illustrates an arrangement with a heat exchanger 1 according to an embodiment of the present invention.
  • a control element 14 is arranged here in such a way that, if necessary, part of the cooled compressed air in the form of fluid flow B can be fed as a second output flow A2 to an output flow A1 and can thus be used to form fluid flow A, which otherwise comprises an air product.
  • a mixed temperature can be obtained.
  • a corresponding control element 14 is provided so that the fluid flow A can be formed from uncooled compressed air that is otherwise used to form the material flow B is used, so that a corresponding mixed temperature can also be obtained here.
  • FIG. 6 illustrates an air separation plant with a heat exchanger, which can be operated using a method according to an advantageous embodiment of the present invention.
  • Air separation plants of the type shown are, as mentioned, often described elsewhere, for example at Fl.-W. Häring (Ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, in particular Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification".
  • An air separation plant for using the present invention can be designed in the most varied of ways. The use of the present invention is not limited to the embodiment according to FIG.
  • the air separation plant shown in FIG. 6 is designated by 100 as a whole. It has, inter alia, a main air compressor 101, a pre-cooling device 102, an adsorber 103, a post-compressor arrangement 104, a main heat exchanger, as the heat exchanger of Figures 2 to 5 denotes with 1, an expansion turbine 106, a throttle device 107, a pump 108 and a distillation column system 110.
  • the distillation column system 110 comprises a classic double column arrangement comprising a high pressure column 111 and a low pressure column 112 as well as a crude argon column 113 and a pure argon column 114.
  • a feed air stream is sucked in and compressed by means of the main air compressor 101 via a filter (not designated).
  • the compressed feed air flow is operated with cooling water Pre-cooling device 102 supplied.
  • the pre-cooled feed air stream is purified in the adsorber 103. In the adsorber 103, the precooled feed air stream is largely freed from water and carbon dioxide.
  • the feed air flow Downstream of the adsorber 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 1. The other partial flow is recompressed in the booster arrangement 104 and also cooled in the main heat exchanger 1, but only to an intermediate temperature level. After cooling to the intermediate temperature level, 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 111.
  • An oxygen-enriched liquid bottom fraction and a nitrogen-enriched gaseous top fraction are formed in the high-pressure column 111.
  • the oxygen-enriched liquid bottom fraction f is withdrawn from the high pressure column 111, partially used as heating medium in a bottom evaporator of the pure argon column 114 and fed in defined proportions into a top condenser of the pure argon column 114, a top condenser of the crude argon column 113 and the low pressure column 112. Fluid evaporating in the evaporation chambers of the top condensers of the crude argon column 113 and the pure argon column 114 is likewise transferred to the low-pressure column 112.
  • the gaseous nitrogen-rich top product is withdrawn from the top of the high-pressure column 111, liquefied in a main condenser, which creates a heat-exchanging connection between the high-pressure column 111 and the low-pressure column 112, and fed in portions as a return to the high-pressure column 111 and expanded into the low-pressure column 112.
  • An oxygen-rich liquid bottom fraction and a nitrogen-rich gaseous top fraction are formed in the low-pressure column 112.
  • the former is partially pressurized in liquid form in the pump 108, heated in the main heat exchanger 105, and made available as a product.
  • a liquid nitrogen-rich stream is withdrawn from a liquid retention device at the top of the low-pressure column 112 and used as a Liquid nitrogen product can be exported from the air separation unit 100.
  • a gaseous nitrogen-rich stream withdrawn from the top of the low-pressure column 112 is passed through the main heat exchanger 105 and provided as a nitrogen product at the pressure of the low-pressure column 112. From the low-pressure column 112, a stream is also withdrawn from an upper region and, after heating, in the
  • Main heat exchanger 1 is used as what is known as impure nitrogen in the pre-cooling device 102 or in the cleaning system 103 after heating by means of an electric heater.
  • this impure nitrogen to which the compressed air can be fed in the explained embodiments of the invention in the third operating mode.
  • FIG. 7 a further arrangement not according to the invention with a heat exchanger 1 is shown and designated as a whole by 700.
  • a circulating stream C is used here, which is compressed on the warm side of the heat exchanger by means of a compressor 701, pre-cooled in a cooler 702, fed to heat exchanger 1 at the warm end 11, taken from heat exchanger 1 at the cold end 12, expanded by means of a valve 703, the Heat exchanger 1 is fed back to the cold end 12, removed from the heat exchanger 1 at the warm end 11 and fed back to the compressor 701.
  • the relaxation at valve 703 results in gradual cooling.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (110), einem Wärmetauscher (1) und einem Adsorber (103), bei dem in einem ersten Zeitraum ein erster Betriebsmodus durchgeführt wird und in einem zweiten Zeitraum, der nach dem ersten Zeitraum liegt, ein zweiter Betriebsmodus durchgeführt wird. Es ist vorgesehen, dass in einem dritten Zeitraum zwischen dem zweiten Zeitraum und dem ersten Zeitraum ein dritter Betriebsmodus durchgeführt wird, wobei in dem dritten Betriebsmodus Druckluft in dem Adsorber (103) zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher (1) abgekühlt wird, dem Destillationssäulensystem (110) ein Luftprodukt entnommen und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher (1) erwärmt wird, und in dem dritten Betriebsmodus ein einstellbarer Anteil der in dem Wärmetauscher (1) abgekühlten Druckluft oder eine einstellbare Menge an weiterer Druckluft, die in dem Adsorber (103) zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit, aber nicht in dem Wärmetauscher (1) abgekühlt wird, dem Luftprodukt zugespeist wird, bevor dieses in dem Wärmetauscher (1 ) erwärmt wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100) mit ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Luftzerleaunasanlaae mit einem
Destillationssäulensvstem. einem Wärmetauscher und einem Adsorber sowie
Luftzerleaunasanlaae
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage mit einem zur Tieftemperaturrektifikation eingerichteten Destillationssäulensystem, einem Wärmetauscher und einem Adsorber sowie eine entsprechende Luftzerlegungsanlage gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen 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. Weitere Details zu entsprechenden Verfahren und Anlagen im konkreten Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden weiter unten noch erläutert.
In einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, unter anderem auch zur Herstellung von Luftprodukten in Luftzerlegungsanlagen, werden Wärmetauscher (technisch korrekter: Wärmeübertrager) mit tiefkalten Fluiden, d.h. Fluiden mit Temperaturen von deutlich unter 0°C, insbesondere deutlich unter -100°C, betrieben. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung überwiegend unter Bezugnahme auf die Hauptwärmetauscher von Luftzerlegungsanlagen beschrieben, denen bereits in einem Adsorber getrocknete und von Kohlendioxid befreite Luft zur Abkühlung zugeführt wird. Die Erfindung betrifft hingegen nicht Anlagen, die Wärmetauscher aufweisen, welche zum Ausfrieren von Wasser und Kohlendioxid aus Luft verwendet werden, und die daher zyklisch betrieben werden, um von Zeit zu Zeit ausgefrorenes Wasser und Kohlendioxid aus dem Wärmetauscher zu entfernen. Derartige Anlagen erfordern spezifisch an den Reinigungszweck angepasste Betriebsmodi, die sich nicht auf Wärmetauscher, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, übertragen lassen. Zum Aufbau und Betrieb von Hauptwärmetauschern von Luftzerlegungsanlagen sei auf Häring (s.o.), Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" verwiesen. Details zu Wärmetauschern allgemein sind beispielsweise der Veröffentlichung "The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association", 2. Auflage, 2000, insbesondere Abschnitt 1 .2.1 , "Components of an Exchanger" zu entnehmen. Ist in der nachfolgenden Beschreibung von einem "Wärmetauscher" die Rede, sei hierunter immer auch der Hauptwärmetauscher einer Luftzerlegungsanlage verstanden.
Ohne zusätzliche Maßnahmen vollziehen Wärmetauscher von Luftzerlegungsanlagen einen Temperaturausgleich und erwärmen sich beim Stillstand der Anlage und damit der Außerbetriebnahme des Wärmetauschers, bzw. das sich in einem entsprechenden Wärmetauscher im stationären Betrieb ausbildende Temperaturprofil kann in einem solchen Fall nicht gehalten werden.
Insbesondere kommt es bei einer Außerbetriebnahme eines Wärmetauschers bevor dieser sich insgesamt erwärmt aufgrund der guten Wärmeleitung (Wärmelängsleitung) in dessen metallischem Material zu einem Angleich der Temperaturen am zuvor warmen Ende und am zuvor kalten Ende. Mit anderen Worten wird das zuvor warme Ende des Wärmetauschers über die Zeit kälter und das zuvor kalte Ende des Wärmetauschers wärmer, bis die genannten Temperaturen bei oder nahe bei einer mittleren Temperatur liegen. Dies ist auch in der beigefügten Figur 1 nochmals veranschaulicht. Die Temperaturen, die hier zum Zeitpunkt der Außerbetriebnahme bei ca. -175°C bzw. +20°C lagen, gleichen sich dabei über mehrere Stunden aneinander an und erreichen nahezu die mittlere Temperatur.
Dieses Verhalten wird insbesondere dann beobachtet, wenn beim Abschalten einer Luftzerlegungsanlage der Hauptwärmetauscher, der kälteisoliert untergebracht ist, zusammen mit der Rektifikationseinheit eingeblockt wird, d.h. wenn von außen kein Gas mehr zugeführt wird. In einem solchen Fall wird typischerweise lediglich Gas, das durch thermische Isolationsverluste entsteht, kalt abgeblasen.
Bei einer ggf. anschließend erfolgenden Einspeisung von warmer Luft am abgekühlten warmen Ende des Wärmetauschers bei seiner Wiederinbetriebnahme erhöht sich dort schlagartig die Temperatur. Entsprechend verringert sich die Temperatur am erwärmten kalten Ende bei der Wiederinbetriebnahme, falls dort ein kaltes Luftprodukt aus dem Destillationssäulensystem der Luftzerlegungsanlage eingespeist wird, schlagartig. Dies führt zu den bereits erwähnten Materialspannungen und damit ggf. auf längere Sicht zu Schäden.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher insbesondere die Aufgabe, Maßnahmen anzugeben, die eine Wiederinbetriebnahme eines Wärmetauschers einer Luftzerlegungsanlage auch nach längerer Außerbetriebnahme ermöglichen, ohne dass die erwähnten nachteiligen Effekte auftreten.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage mit einem zur Tieftemperaturrektifikation eingerichteten Destillationssäulensystem, einem Wärmetauscher und einem Adsorber und eine entsprechende Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor.
Zunächst werden nachfolgend einige zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendete Begriffe erläutert und definiert.
Ein "Wärmetauscher" ist im hier verwendeten Sprachgebrauch ein Apparat, der zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei z.B. im Gegenstrom zueinander geführten Fluidströmen ausgebildet ist. Ein Wärmetauscher zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Ein Wärmetauscher weist "Passagen" auf, die zur Fluidführung eingerichtet und von anderen Passagen fluidisch durch Trennbleche getrennt bzw. nur über die jeweiligen Header ein- und ausgangsseitig verbunden sind. Die Trennung der Passagen nach außen erfolgt über Seitenleisten (engl. Side Bars). Die genannten Passagen werden nachfolgend als "Wärmetauscherpassagen" bezeichnet. Nachfolgend werden die Begriffe "Wärmetauscher" und "Wärmeübertrager" synonym verwendet. Entsprechendes gilt auch für die Begriffe "Wärmetausch" und "Wärmeaustausch". Der "Hauptwärmetauscher" einer Luftzerlegungsanlage zeichnet sich dadurch aus, dass durch ihn zumindest der überwiegende Anteil der zu zerlegenden Luft und der gebildeten Luftprodukte geführt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die gemäß der deutschen Fassung der ISO 15547-2:2005 als Rippen-Platten-Wärmeaustauscher (engl. Plate-Fin Heat Exchangers) bezeichnete Apparate. Ist nachfolgend von einem "Wärmetauscher" die Rede, sei daher hierunter insbesondere ein Rippen-Platten-Wärmeaustauscher verstanden. Ein Rippen-Platten-Wärmeaustauscher weist eine Vielzahl übereinanderliegender flacher Kammern bzw. langgestreckter Kanäle auf, die jeweils durch gewellte oder anderweitig strukturierte und miteinander verbundene, beispielsweise verlötete Platten, i.d.R. aus Aluminium, voneinander getrennt sind. Die Platten werden mittels der Seitenleisten stabilisiert und über diese miteinander verbunden. Die Strukturierung der Wärmetauscherplatten dient insbesondere dazu, die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern, aber auch dazu, die Stabilität des Wärmetauschers zu erhöhen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf gelötete Rippen-Platten-Wärmeaustauscher aus Aluminium. Grundsätzlich können entsprechende Wärmetauscher aber auch aus anderen Materialien, beispielsweise aus Edelstahl, oder aus verschiedenen unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.
Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die herkömmlicherweise beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den Destillationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Destillationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Destillationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Üblicherweise werden Begriffe wie "Rektifikation" und "Destillation" sowie "Kolonne" und "Säule" bzw. hieraus zusammengesetzte Begriffe synonym verwendet. Die vorliegende Erfindung eignet sich für Luftzerlegungsanlagen mit beliebigen Destillationssäulensystemen, die auf tiefkalten Temperaturen, d.h. bei zumindest teilweise weniger als -100°C, betrieben werden. Zu Details sei auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Die einer Luftzerlegungsanlage zugeführte Luft wird zunächst im sogenannten Hauptluftverdichter auf ein Druckniveau verdichtet, das sich nach der spezifischen Betriebsweise der Luftzerlegungsanlage richtet und typischerweise bei dem höchsten Betriebsdruck in dem Destillationssäulensystem oder deutlich darüber liegen kann. Die Luft erwärmt sich bei dieser Verdichtung und wird daher anschließend zunächst in einem Direktkontaktkühler gekühlt. Diese Kühlung reduziert den Feuchtigkeitsgehalt der wassergesättigten Luft und verringert auf diese Weise den Aufwand für die anschließende Trocknung.
Die Luft enthält nun neben Wasser insbesondere noch Kohlendioxid. Wasser und Kohlendioxid müssen entfernt werden, da sich bei der anschließenden Abkühlung im Hauptwärmetauscher durch Desublimation bzw. Ausfrieren Feststoffe bilden können, die den Wärmetauscher sukzessive zusetzen bzw. verlegen. In der Luft enthaltene Kohlenwasserstoffe können ebenfalls problematisch sein, da sie weniger flüchtig sind als Stickstoff und Sauerstoff und sich daher im flüssigen Sauerstoff ansammeln können, der beispielsweise im Sumpf der Niederdruckkolonne gebildet wird. Zur Entfernung der genannten Komponenten werden zumindest in Luftzerlegungsanlagen neuerer Art Adsorber verwendet.
Ein Adsorber einer Luftzerlegungsanlage weist, wie bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus", beschrieben, typischerweise paarweise angeordnete Adsorptionsbehälter auf, die zwischen Adsorptions- und Regenerationsmodus umgeschaltet werden. Als Adsorptionsmaterial werden typischerweise Zeolithe verwendet, die als Molekularsieb wirken. Ein Adsorptionszyklus dauert typischerweise zwischen 1 ,5 h und 6 h und wird auf dem Druckniveau der verdichteten Luft durchgeführt. Vor der Regeneration erfolgt typischerweise innerhalb von ca. 10 min eine Druckentlastung auf Umgebungsdruck. Die Regeneration erfolgt unter Verwendung eines trockenen Regeneriergasstroms in Gegenstromrichtung. Die Regeneration unterteilt sich dabei in eine Heizphase, in der der Regeneriergasstrom erwärmt wird, und eine anschließende Kühlphase mit kaltem Regeneriergas. Es folgt eine Druckaufbauphase von ca. 20 Minuten.
Mittels eines Adsorbers wird also gasförmige und im Wesentlichen wasser- und kohlendioxidfreie Druckluft bereitgestellt, die im Hauptwärmetauscher abgekühlt werden kann. Wie erwähnt betrifft die vorliegende Erfindung dagegen nicht Anlagen, in denen, wie beispielsweise in der US 3,469,271 A, entsprechende Komponenten durch Ausfrieren aus der eingesetzten Druckluft entfernt werden. Ist hier von einem "Luftprodukt" die Rede, wird hierunter ein Gas oder eine Flüssigkeit oder ein Medium im überkritischen Zustand verstanden, das bzw. die eine oder mehrere in atmosphärischer Luft enthaltene, aber keine weiteren (luftfremde) Komponenten aufweist. Die eine oder die mehreren Komponenten aus der atmosphärischen Luft können in den gleichen oder in anderen absoluten oder relativen Anteilen als in der atmosphärischen Luft in dem Luftprodukt vorliegen.
Ein Luftprodukt oder ein anderes Fluid ist im hier zu verstehenden Sinn "frei" von Wasser und Kohlendioxid, wenn es keine nachweisbaren Anteile von Wasser und Kohlendioxid aufweist. Es kann auch im üblicherweise verstandenen Sinne "im Wesentlichen" frei von Wasser und Kohlendioxid sein, so dass Wasser und Kohlendioxid nicht in wirksamen Mengen enthalten sind. Es können insbesondere Restgehalte von bis zu wenigen ppm (parts per million) an Wasser und Kohlendioxid enthalten sein, ohne dass durch entsprechende Restgehalte die wesentlichen Eigenschaften der Einsatzluft oder eines entsprechenden Luftprodukts in Bezug auf die Bearbeitung in dem Wärmetauscher beeinflusst würden.
Vorteile der Erfindung
Grundsätzlich kann ein (Flaupt-)Wärmetauscher einer Luftzerlegungsanlage während eines Stillstands der zugehörigen Anlage mit kaltem Gas aus einem Tank oder Abgas aus der stehenden Anlage durchströmt werden, um eine Erwärmung zu vermeiden bzw. das im stationären Betrieb (d.h. insbesondere dem üblichen Produktionsbetrieb einer entsprechenden Anlage) ausgebildete Temperaturprofil zu halten. Ein derartiger Betrieb ist jedoch in herkömmlichen Verfahren ggf. nur aufwendig zu realisieren.
In bestimmten Fällen kann, wie beispielsweise auch in der US 5,233,839 A vorgeschlagen, zur Vermeidung der Abkühlung des warmen Endes eines entsprechenden Wärmetauschers dort auch eine Einleitung von Wärme aus der Umgebung über Wärmebrücken vorgenommen werden. Befindet sich stromab des Wärmetauschers keine Prozesseinheit mit signifikanter Pufferkapazität für Kälte (z.B. kein Rektifikationskolonnensystem mit Ansammlung kryogener Flüssigkeiten) wie beispielsweise in einer reinen Luftverflüssigungsanlage, so kann durch eine derartige Warmhaltung das Auftreten übermäßiger thermischer Spannungen beim schlagartigen Zuführen warmer Prozessströme am warmen Ende bei der Wiederinbetriebnahme reduziert werden. Die zugeführten warmen Prozessströme können in diesem Fall nach dem Austritt am kalten Ende des Wärmetauschers entspannt und als kalte Ströme über das kalte Ende zum warmen Ende rückgeführt werden, so dass der Wärmetauscher auf diese Weise durch eine Joule-Thomson-Abkühlung langsam in sein Normaltemperaturprofil gefahren werden kann.
Befindet sich jedoch stromab des Wärmetauschers eine Prozesseinheit mit einer nennenswerten Pufferkapazität für Kälte (z.B. ein Rektifikationskolonnensystem mit Ansammlung kryogener Flüssigkeiten, wie in einer Luftzerlegungsanlage der Fall), so kann man mittels der zuvor beschriebenen Maßnahmen zwar das Auftreten von Thermospannungen an dieser Stelle minimieren, am zugleich angewärmten kalten Ende kann es jedoch hier durch das schlagartige Einsetzen der Durchströmung mit kälterem Fluid zum Auftreten von Thermospannungen durch unzulässig hohe (zeitliche und örtliche) Temperaturgradienten kommen. Hierbei fördert die Warmhaltung des warmen Endes sogar noch die Bildung von höheren Temperaturunterschieden am kalten Ende und damit das Auftreten von erhöhten Thermospannungen.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem nun wie in den entsprechenden unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Sie schlägt hierzu ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage mit einem zur Tieftemperaturrektifikation eingerichteten Destillationssäulensystem, einem Wärmetauscher und einem Adsorber vor. Der Wärmetauscher ist dabei insbesondere der Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage.
Die vorliegende Erfindung betrifft dabei insbesondere solche Maßnahmen, die eine übermäßige thermische Beanspruchung des kalten Endes des Wärmetauschers vermeiden. Derartige Maßnahmen können jedoch jederzeit mit weiteren Maßnahmen kombiniert werden, die auf eine Reduktion thermischer Spannungen am warmen Ende des Wärmetauschers gerichtet sind.
Die vorliegende Erfindung kann neben entsprechenden Maßnahmen zur Temperierung des warmen Endes eines entsprechenden Wärmetauschers auch jederzeit mit weiteren Maßnahmen zur Temperierung des kalten Endes des Wärmetauschers kombiniert werden. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, das Verfahren in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus durchzuführen, wobei der erste Betriebsmodus in einem ersten Zeitraum und der zweite Betriebsmodus in einem zweiten Zeitraum durchgeführt wird und der zweite Zeitraum nach dem ersten Zeitraum liegt. Der zweite Zeitraum und der erste Zeitraum überlappen dabei einander im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht und werden mehrfach alternierend durchgeführt. Der erste Zeitraum bzw. der in diesem ersten Zeitraum durchgeführte erste Betriebsmodus entspricht dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung dem Produktionsbetrieb einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage, also jenem Betriebszeitraum, in dem flüssige und/oder gasförmige Luftprodukte bereitgestellt werden. Entsprechend stellt der zweite Betriebsmodus, der in dem zweiten Betriebszeitraum durchgeführt wird, einen Betriebszeitraum dar, in dem entsprechende Luftprodukte nicht gebildet werden. Entsprechende zweite Zeiträume bzw. zweite Betriebsmodi dienen insbesondere zur Energie- bzw. Kosteneinsparung, beispielsweise wenn keine Luftprodukte benötigt werden, Anreize aus dem Energiemarkt eine Drosselung der Produktion rechtfertigen, oder zur Durchführung von Wartungsarbeiten.
Wie bereits erwähnt, wird der Wärmetauscher im zweiten Betriebsmodus vorzugsweise nicht bzw. in einem deutlich geringeren Umfang durchströmt als in dem ersten Betriebsmodus. Die vorliegende Erfindung schließt, wie bereits erwähnt, nicht aus, dass in dem zweiten Betriebsmodus auch gewisse Mengen an Gasen durch einen entsprechenden Wärmetauscher geführt werden, beispielsweise um diesen unterstützend zu den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen auf Temperatur zu halten bzw. zu bringen. Die Menge durch den Wärmetauscher geführter Fluide in dem zweiten Betriebsmodus liegt jedoch stets deutlich unter den Mengen von Fluiden, die in einem regulären ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführt werden. Die Menge, der in dem zweiten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführten Fluide beträgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise insgesamt nicht mehr als 20%, 10%, 5% oder 1%, bezogen auf die in dem ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführte Fluidmenge.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus mehrfach alternierend zueinander durchgeführt, d.h. auf den ersten Betriebsmodus folgt stets der zweite Betriebsmodus und auf den zweiten Betriebsmodus sodann wieder der erste Betriebsmodus usw. Dies schließt jedoch insbesondere nicht aus, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus bzw. zwischen dem zweiten und dem ersten Betriebsmodus weitere Betriebsmodi vorgesehen sein können, insbesondere zwischen dem zweiten und dem ersten Betriebsmodus der erfindungsgemäß vorgesehene dritte Betriebsmodus. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ergibt sich dabei insbesondere die folgende Abfolge: erster Betriebsmodus - zweiter Betriebsmodus - dritter Betriebsmodus - erster Betriebsmodus usw.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird in dem ersten Betriebsmodus Druckluft in dem Adsorber zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher abgekühlt. Ferner wird in dem ersten Betriebsmodus dem Destillationssäulensystem ein Luftprodukt entnommen und zumindest zu einem Anteil in den Wärmetauscher erwärmt.
Durch den Betrieb der Luftzerlegungsanlage wird ein erstes Ende des Wärmetauschers, an dem die abzukühlende Druckluft eingespeist und das erwärmte Luftprodukt entnommen wird, auf ein erstes Temperaturniveau gebracht. Ein zweites Ende des Wärmetauschers, an dem das zu erwärmende Luftprodukt eingespeist und die abgekühlte Druckluft entnommen wird, wird auf ein zweites Temperaturniveau unterhalb des ersten Temperaturniveaus gebracht. Das erste Temperaturniveau entspricht dabei insbesondere Umgebungstemperatur und umfasst beispielsweise Temperaturen von 0 bis 50°C. Das zweite Temperaturniveau entspricht insbesondere der Entnahmetemperatur des Luftprodukts aus dem Destillationssäulensystem und liegt vorzugsweise bei deutlich kryogenen Temperaturen, insbesondere bei -50°C bis - 200°C, beispielsweise bei -100°C bis -200°C oder bei -150°C bis -200°C.
Ist hier davon die Rede, dass die konkret angesprochene Druckluft oder ein konkret angesprochenes Luftprodukt entsprechend abgekühlt bzw. erwärmt werden, ist hiermit selbstverständlich nicht ausgeschlossen, dass auch weitere Fluidströme abgekühlt bzw. erwärmt werden können. Entsprechende weitere Fluidströme können eine gleiche oder andere Zusammensetzung aufweisen. Beispielsweise kann Druckluft in Form eines Gesamtstroms bereitgestellt werden, aus dem mehrere Teilströme gebildet und auf gleiche oder unterschiedliche Temperaturen abgekühlt werden können. Ferner können im Rahmen der vorliegenden Erfindung ggf. auch mehrere Fluidströme dem Destillationssäulensystem oder einem entsprechenden Speichersystem entnommen und gemeinsam oder getrennt voneinander in dem Wärmetauscher erwärmt werden.
Entsprechende Fluidströme können auch beispielsweise in dem Wärmetauscher in zwei oder mehrere Teilströme aufgeteilt werden, die dem Wärmetauscher auf gleichen oder unterschiedlichen Temperaturen entnommen werden. Selbstverständlich ist auch möglich, in dem Wärmetauscher einen weiteren Fluidstrom zuzuspeisen und einen auf diese Weise gebildeten Sammelstrom in dem Wärmetauscher weiter zu erwärmen. In jedem Fall werden jedoch in dem Wärmetauscher Druckluft und ein Luftprodukt (alleine oder gemeinsam mit weiteren Strömen wie zuvor erläutert) abgekühlt oder erwärmt.
In dem zweiten Betriebsmodus wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Abkühlung der Druckluft und die Erwärmung des Luftprodukts in dem Wärmetauscher teilweise oder vollständig ausgesetzt. Beispielsweise kann anstelle dieser Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführt und in dem Wärmetauscher abgekühlt bzw. erwärmt werden, kein Fluid durch den Wärmetauscher geführt werden. Die Wärmetauscherpassagen des Wärmetauschers, die in dem ersten Betriebsmodus zur Abkühlung bzw. Erwärmung verwendet werden, bleiben also in diesem Fall undurchströmt. Es ist jedoch auch möglich, anstelle der Druckluft bzw. des Luftprodukts, die in dem ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführt und abgekühlt bzw. erwärmt werden, andere Fluidströme durch den Wärmetauscher zu führen, insbesondere in deutlich geringerer Menge. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ergibt sich jedoch während des zweiten Betriebsmodus der Effekt, dass sich das warme Ende des Wärmetauschers abkühlt und/oder das kalte Ende des Wärmetauschers erwärmt, wobei, wie erwähnt, die Erfindung insbesondere Maßnahmen betrifft, die ein Auftreten übermäßiger Temperaturspannungen am kalten Ende des Wärmetauschers verhindern.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist also, dass in dem zweiten Betriebsmodus zugelassen wird, dass das zweite Ende des Wärmetauschers, welchem in dem ersten Betriebsmodus das zu erwärmende Luftprodukt zugeführt und die abgekühlte Druckluft entnommen wird, sich von dem zweiten Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau erwärmt. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Erwärmung auf drittes Temperaturniveau, wie es nachfolgend auch noch unter Bezugnahme auf den dritten Betriebsmodus erläutert wird. Das dritte Temperaturniveau kann bei einer mittleren Temperatur zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturniveau liegen bzw. weicht insbesondere um nicht mehr als 10 K hiervon ab. Wie erwähnt, kann sich insbesondere auch das erste Ende des Wärmetauschers, dem in dem ersten Betriebsmodus die abzukühlende Druckluft zugeführt und das erwärmte Luftprodukt entnommen wird, abkühlen, wobei die vorliegende Erfindung jedoch primär nicht Maßnahmen betrifft, die eine Temperierung des Wärmetauschers an diesem ersten Ende, dem "warmen Ende", betreffen.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass in einem dritten Zeitraum zwischen dem zweiten Zeitraum und dem ersten Zeitraum bzw. einem weiteren ersten Zeitraum, der sich in dem mehrfach alternierenden Betrieb an einen vorigen zweiten Zeitraum anschließt, ein dritter Betriebsmodus durchgeführt wird. Dieser dritte Betriebsmodus dient insbesondere zur Temperierung des zweiten, also kalten Endes des Wärmetauschers, das sich während des zweiten Betriebsmodus in der erläuterten Weise auf das dritte Temperaturniveau erwärmt hat, weil eine entsprechende Erwärmung zugelassen wurde, beispielsweise durch ein Nichttemperieren in diesem zweiten Betriebsmodus. Der dritte Betriebsmodus wird erfindungsgemäß insbesondere dazu durchgeführt, um das zweite, also kalte Ende des Wärmetauschers von einem entsprechend erhöhten dritten Temperaturniveau wieder auf das zweite Temperaturniveau oder in die Nähe des zweiten Temperaturniveaus zu bringen, um anschließend eine entsprechende Anlage wieder normal in dem ersten Betriebsmodus betreiben zu können, d.h. am kalten Ende des Wärmetauschers tiefkaltes Fluid in Form des Luftprodukts und ggf. anderer Ströme einspeisen zu können, ohne übermäßige Temperaturspannungen zu bewirken. Vorteilhafterweise wird der dritte Betriebsmodus daher unmittelbar vor einem sich anschließenden erneuten ersten Zeitraum durchgeführt.
In dem dritten Betriebsmodus wird erfindungsgemäß, und zwar grundsätzlich wie in dem ersten Betriebsmodus, Druckluft in dem Adsorber zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher abgekühlt. Ebenso wird in dem dritten Betriebsmodus dem Destillationssäulensystem das Luftprodukt entnommen und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher erwärmt. Es können dabei gleiche oder andere Mengen wie bzw. als in dem ersten Betriebsmodus verwendet werden. Erfindungsgemäß wird ein einstellbarer Anteil der in dem Wärmetauscher abgekühlten Druckluft oder eine einstellbare Menge an weiterer Druckluft, die in dem Adsorber zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit, aber nicht in dem Wärmetauscher abgekühlt wurde, dem Luftprodukt zugespeist, bevor dieses in dem Wärmetauscher erwärmt wird.
Da durch die graduelle Inbetriebnahme die Kühlleistung des Wärmetauschers, insbesondere durch den Wärmeeintrag aus der Umgebung und den Temperaturausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende, die Druckluft in dem dritten Betriebsmodus zunächst noch nicht so stark abgekühlt wird wie bei späterer vollständig wiederhergestellter Leistung, ist die Temperatur, auf den die Druckluft abgekühlt wird bzw. abgekühlt werden kann, in dem dritten Betriebsmodus deutlich höher als in dem ersten Betriebsmodus. Daher kann die abgekühlte Druckluft in dem dritten Betriebsmodus zu einer Temperierung verwendet werden, indem diese in einstellbarer Menge dem Luftprodukt, das auf deutlich geringeren Temperaturen vorliegt, zugespeist wird. Die noch nicht abgekühlte Druckluft weist naturgemäß eine nochmals deutlich höhere Temperatur auf und kann daher ebenfalls in entsprechender Weise verwendet werden.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird, wie mehrfach erwähnt, bewirkt, dass ein kaltes Ende eines Wärmetauschers nach einer längeren Stillstandsphase, in der sich dieses kalte Ende erwärmt hat, nicht unmittelbar mit tiefkalten Fluiden beaufschlagt wird, sondern graduell abgekühlt werden kann. Der dritte Betriebsmodus wird dabei, wie erwähnt, vorteilhafterweise so lange durchgeführt, bis sich das erste Ende wieder auf dem ersten Temperaturniveau befindet oder sich ausreichend diesem angenähert hat und bis das zweite Ende sich wieder auf dem zweiten Temperaturniveau befindet oder sich ausreichend diesem angenähert hat.
Eine "ausreichende Annäherung" kann insbesondere bei einem Temperaturunterschied vorliegen, der unterhalb einer vorgegebenen Schwelle von beispielsweise 30, 20, 10 oder 5 K liegt bzw. kann aus geltenden Regelwerken entnommen werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Temperaturniveau eines Fluidstroms, der aus dem Luftprodukt und dem Anteil der Druckluft oder der weiteren Druckluft in dem dritten Betriebsmodus gebildet wird, sukzessive abgesenkt werden. Ein entsprechendes sukzessives Absenken kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein graduelles und/oder ein schrittweises Absenken umfassen. Ein Gradient der Absenkung kann insbesondere hinsichtlich seiner Steilheit an die vorliegenden Temperaturen bzw. Materialkenngrößen (beispielsweise thermische Verträglichkeiten bzw. Spannungsbeständigkeiten) angepasst werden. Ein graduelles oder schrittweises Absenken braucht dabei nicht über den gesamten dritten Zeitraum kontinuierlich zu erfolgen, vielmehr können auch Absenkzeiträume mit unterschiedlichen Gradienten verwendet werden.
Das sukzessive Absenken kann dabei ein Einstellen einer Menge der zugespeisten Druckluft umfassen. Das Einstellen der Menge umfasst vorteilhafterweise das Verwenden einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung, wie bereits zuvor erläutert.
Bei dem zuvor angesprochenen Luftprodukt kann es sich insbesondere um sogenannten Unreinstickstoff, d.h. ein stickstoffhaltiges Fluid mit einem Sauerstoffgehalt von beispielsweise bis zu 21% (typischerweise bis zu 10%) handeln, das einer Niederdrucksäule des Destillationssäulensystems entnommen wird, also einer Destillationssäule, die auf einem Druckniveau von 1 bis 2 bar (abs.), insbesondere 1 ,1 bis 1 ,3 bar (abs.) betrieben wird.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage, die wie in dem entsprechenden unabhängigen Patentanspruch angegeben ausgestaltet ist. Zu Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage, die insbesondere dazu eingerichtet ist, ein Verfahren durchzuführen, wie es zuvor erläutert wurde, sei auf die obigen Ausführungen ausdrücklich verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die eine Ausführungsform der Erfindung und entsprechende Wärmeaustauschdiagramme zeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 veranschaulicht Temperaturverläufe in einem Wärmetauscher nach Außerbetriebnahme ohne Einsatz von Maßnahmen gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 veranschaulicht eine Anordnung mit einem Wärmetauscher. Figur 3 veranschaulicht eine weitere Anordnung mit einem Wärmetauscher.
Figur 4 veranschaulicht eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 5 veranschaulicht eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 6 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung betrieben werden kann.
Figur 7 veranschaulicht eine weitere Anordnung mit einem Wärmetauscher.
In den Figuren sind identische oder einander funktional oder bedeutungsmäßig entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 veranschaulicht Temperaturverläufe in einem Wärmetauscher nach Außerbetriebnahme ohne Einsatz von Maßnahmen gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung in Form eines Temperaturdiagramms.
In dem in Figur 1 dargestellten Diagramm sind eine mit Fl bezeichnete Temperatur am warmen Ende eines entsprechenden Wärmetauschers und eine mit C bezeichnete Temperatur am kalten Ende jeweils in °C auf der Ordinate gegenüber einer Zeit in Stunden auf der Abszisse dargestellt.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, beträgt die Temperatur Fl am warmen Ende des Wärmeaustauschers zu Beginn der Außerbetriebnahme, die noch der Temperatur in einem regulären Betrieb des Wärmetauschers entspricht, ca. +20°C und die Temperatur C am kalten Ende ca. -175°C. Diese Temperaturen gleichen sich über die Zeit zunehmend einander an. Hierfür ist die hohe Wärmeleitfähigkeit der in dem Wärmetauscher verbauten Materialien verantwortlich. Mit anderen Worten fließt hier Wärme vom warmen Ende in Richtung des kalten Endes. Zusammen mit dem Wärmeeintrag aus der Umgebung ergibt sich eine mittlere Temperatur von ca. -90°C. Die deutliche Temperaturerhöhung am kalten Ende kommt zum größten Teil durch den internen Temperaturausgleich in dem Wärmetauscher zustande und nur in einem geringeren Anteil durch externen Wärmeeintrag.
Wie mehrfach erwähnt, kann es im dargestellten Fall zu starken thermischen Spannungen kommen, wenn das warme Ende des Wärmetauschers nach einiger Zeit der Regeneration ohne weitere Maßnahmen wieder mit einem warmen Fluid von im dargestellten Beispiel ca. 20°C beaufschlagt wird. Entsprechend kann es aber auch zu thermischen Spannungen kommen, wenn eine dem Wärmetauscher nachgeschaltete Anlage sofort wieder tiefkalte Fluide liefert, beispielsweise tiefkalte Gase aus einem Rektifikationskolonnensystem einer Luftzerlegungsanlage. Die vorliegende Erfindung adressiert insbesondere das letztere Problem.
In Figur 2 ist eine Anordnung mit einem Wärmetauscher 1 veranschaulicht, bei dem die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen nicht realisiert sind. Der Wärmetauscher 1 weist einen Wärmeaustauschbereich 10 auf, dem an einem ersten, also warmen Ende 11 Fluide zugeführt und entnommen werden und dem an einem zweiten, also kalten Ende 12 ebenfalls Fluide zugeführt bzw. entnommen werden. Im dargestellten Beispiel wird dem Wärmetauscher 1 dabei ein Fluidstrom A, in einer Luftzerlegungsanlage ein Luftprodukt aus einem Destillationssäulensystem, an dem kalten Ende 12 zugeführt, in dem Wärmeaustauschbereich 10 des Wärmetauschers 1 erwärmt, und an dem warmen Ende 11 wieder entnommen. Der erste Fluidstrom A erwärmt sich dabei entsprechend. In der Darstellung gemäß Figur 2 wird dem Wärmetauscher 1 ferner ein zweiter Fluidstrom (in einer Luftzerlegungsanlage Druckluft aus einem Adsorber) an dem warmen Ende 11 zugeführt und an dem kalten Ende 12 entnommen.
Auf diese Weise stellen sich an dem warmen Ende 11 und dem kalten Ende 12 unterschiedliche Temperaturniveaus, hier als "erstes" und "zweites" Temperaturniveau bezeichnet, ein. Wird die Zufuhr der Fluidströme A und B unterbunden, verändern sich daher die Temperaturen entsprechend und insbesondere die Temperatur an dem kalten Ende 12 erhöht sich entsprechend auf ein "drittes" Temperaturniveau.
Wie mehrfach erwähnt, würden daher, wenn der erste Fluidstrom A dem Wärmetauscher 1 auf dem zweiten Temperaturniveau wieder zugeführt werden soll, sich das kalte Ende 12 des Wärmetauschers 1 jedoch auf ein Temperaturniveau deutlich oberhalb des ersten Temperaturniveaus erwärmt hat, hier Temperaturspannungen auf, ggf. über längere Zeit zu einer Schädigung des Wärmetauschers 1 führen können.
In Figur 3 ist daher eine Anordnung mit einem Wärmetauscher 1 gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht. Zur Bezeichnung der jeweiligen Elemente der Figur 3 sei dabei auf die Erläuterungen bezüglich Figur 2 verwiesen. Auch hier kann dem Wärmetauscher 1 ein Fluidstrom A zugeführt werden, der aus einem Luftprodukt gebildet wird.
Dieser Fluidstrom A kann jedoch hier bei Bedarf unter Verwendung eines ersten Ausgangsstroms A1 und eines zweiten Ausgangsstroms A2 gebildet werden. Der erste Ausgangsstrom A1 und der zweite Ausgangsstrom A2 werden in der Ausgestaltung gemäß Figur 3 dabei von einem Basisstrom A0 abgezweigt bzw. wird der Basisstrom AO in die Ausgangsströme A1 und A2 aufgeteilt. Der Ausgangsstrom A1 wird dabei unter Restriktion durch ein Regelorgan 14, das insbesondere durch eine geeignete Steuer- bzw. Regeleinrichtung 2 angesteuert werden kann, beispielsweise ein steuer- bzw. regelbares Ventil, zur Bildung des ersten Fluidstroms A verwendet.
Der Ausgangsstrom A2 wird hingegen durch einen Erhitzer 15 geführt und in diesem erwärmt. Nach der Erwärmung wird der Teilstrom A2 mit dem Teilstrom A1 vereinigt.
Es ergibt sich eine einstellbare Mischtemperatur. Durch die Einstellung der jeweiligen Anteile des ersten und zweiten Ausgangsstroms A1 , A2 bzw. eine Menge der über dem Erhitzer 15 eingebrachten Energie, kann diese Mischtemperatur eingestellt werden. Wie erwähnt, wird das Temperaturniveau dabei insbesondere graduell verringert.
In Figur 4 ist eine Anordnung mit einem Wärmetauscher 1 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Abweichend zu der Anordnung gemäß Figur 3 ist hier ein Regelorgan 14 derart angeordnet, dass bei Bedarf ein Teil der abgekühlten Druckluft in Form des Fluidstroms B als ein zweiter Ausgangsstrom A2 einem Ausgangsstrom A1 zugespeist und damit zur Bildung des Fluidstroms A verwendet werden kann, der ansonsten ein Luftprodukt umfasst. Auch hier kann in der erläuterten Weise durch Einstellen bzw. Regeln nach Maßgabe einer Steuereinheit 2 eine Mischtemperatur erhalten werden.
In der Ausgestaltung gemäß Figur 5, in der ebenfalls eine Anordnung mit einem Wärmetauscher 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht wird, ist ein entsprechendes Regelorgan 14 dazu vorgesehen, dass der Fluidstrom A aus unabgekühlter Druckluft gebildet werden kann, die ansonsten zur Bildung des Stoffstroms B verwendet wird, so dass auch hier eine entsprechende Mischtemperatur erhalten werden kann.
Figur 6 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage mit einem Wärmetauscher, die unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann.
Luftzerlegungsanlagen der gezeigten Art sind, wie erwähnt, vielfach an anderer Stelle beschrieben, beispielsweise bei Fl.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, inbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification". 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. Der Einsatz der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Ausgestaltung gemäß Figur 6 beschränkt.
Die in Figur 6 gezeigte Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet. Sie verfügt unter anderem über einen Hauptluftverdichter 101 , eine Vorkühleinrichtung 102, einen Adsorber 103, eine Nachverdichteranordnung 104, einen Hauptwärmetauscher, wie der Wärmetauscher der Figuren 2 bis 5 mit 1 bezeichnet, eine Entspannungsturbine 106, eine Drosseleinrichtung 107, eine Pumpe 108 und ein Destillationssäulensystem 110. Das Destillationssäulensystem 110 umfasst im dargestellten Beispiel eine klassische Doppelsäulenanordnung aus einer Hochdrucksäule 111 und einer Niederdrucksäule 112 sowie eine Rohargonsäule 113 und eine Reinargonsäule 114.
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 Adsorber 103 aufgereinigt. In dem Adsorber 103 wird der vorgekühlte Einsatzluftstrom weitgehend von Wasser und Kohlendioxid befreit.
Stromab des Adsorbers 103 wird der Einsatzluftstrom in zwei Teilströme aufgeteilt. Einer der Teilströme wird auf dem Druckniveau des Einsatzluftstroms in dem Hauptwärmetauscher 1 vollständig abgekühlt. Der andere Teilstrom wird in der Nachverdichteranordnung 104 nachverdichtet und ebenfalls in dem Hauptwärmetauscher 1 abgekühlt, jedoch nur auf ein Zwischentemperaturniveau. Dieser sogenannte Turbinenstrom wird nach der Abkühlung auf das Zwischentemperaturniveau mittels der Entspannungsturbine 106 auf das Druckniveau des vollständig abgekühlten Teilstroms entspannt, mit diesem vereinigt, und in die Hochdrucksäule 111 eingespeist.
In der Hochdrucksäule 111 werden eine sauerstoffangereicherte flüssige Sumpffraktion sowie eine stickstoffangereicherte gasförmige Kopffraktion gebildet. Die sauerstoffangereicherte flüssige Sumpffraktion f wird aus der Hochdrucksäule 111 abgezogen, teilweise als Heizmedium in einem Sumpfverdampfer der Reinargonsäule 114 verwendet und jeweils in definierten Anteilen in einen Kopfkondensator der Reinargonsäule 114, einen Kopfkondensator der Rohargonsäule 113 sowie die Niederdrucksäule 112 eingespeist. In den Verdampfungsräumen der Kopfkondensatoren der Rohargonsäule 113 und der Reinargonsäule 114 verdampfendes Fluid wird ebenfalls in die Niederdrucksäule 112 überführt.
Vom Kopf der Hochdrucksäule 111 wird das gasförmige stickstoffreiche Kopfprodukt abgezogen, in einem Hauptkondensator, der eine wärmetauschende Verbindung zwischen der Hochdrucksäule 111 und der Niederdrucksäule 112 herstellt, verflüssigt, und in Anteilen als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 111 aufgegeben und in die Niederdrucksäule 112 entspannt.
In der Niederdrucksäule 112 werden eine sauerstoffreiche flüssige Sumpffraktion sowie eine stickstoffreiche gasförmige Kopffraktion gebildet. Erstere wird teilweise in der Pumpe 108 flüssig auf Druck gebracht, in dem Hauptwärmetauscher 105 erwärmt, und als Produkt bereitgestellt. Aus einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung am Kopf der Niederdrucksäule 112 wird ein flüssiger stickstoffreicher Strom abgezogen und als Flüssigstickstoffprodukt aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeführt werden. Ein vom Kopf der Niederdrucksäule 112 abgezogener gasförmiger stickstoffreicher Strom wird durch den Hauptwärmetauscher 105 geführt und als Stickstoffprodukt auf dem Druck der Niederdrucksäule 112 bereitgestellt. Aus der Niederdrucksäule 112 wird ferner ein Strom aus einem oberen Bereich abgezogen und nach Erwärmung in dem
Hauptwärmetauscher 1 als sogenannter Unreinstickstoff in der Vorkühleinrichtung 102 bzw. nach einer Aufheizung mittels eines elektrischen Heizers in dem Reinigungssystem 103 verwendet. Insbesondere dieser Unreinstickstoff ist es, dem in den erläuterten Ausgestaltungen der Erfindung im dritten Betriebsmodus die Druckluft zugespeist werden kann.
In Figur 7 ist eine weitere nicht erfindungsgemäße Anordnung mit einem Wärmetauscher 1 dargestellt und insgesamt mit 700 bezeichnet. Zum Temperieren wird hier ein Kreislaufstrom C verwendet, der warmseitig des Wärmetauschers mittels eines Verdichters 701 verdichtet, in einem Kühler 702 vorgekühlt, dem Wärmetauscher 1 am warmen Ende 11 zugeführt, dem Wärmetauscher 1 am kalten Ende 12 entnommen, mittels eines Ventils 703 entspannt, dem Wärmetauscher 1 am kalten Ende 12 wieder zugeführt, dem Wärmetauscher 1 am warmen Ende 11 wieder entnommen und erneut dem Verdichter 701 zugeführt wird. Durch die Entspannung an dem Ventil 703 ergibt sich eine graduelle Abkühlung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem
Destillationssäulensystem (110), einem Wärmetauscher (1) und einem
Adsorber (103), bei dem
- in einem ersten Zeitraum ein erster Betriebsmodus durchgeführt wird und in einem zweiten Zeitraum, der nach dem ersten Zeitraum liegt, ein zweiter Betriebsmodus durchgeführt wird, wobei der erste und der zweite Zeitraum mehrfach alternierend durchgeführt werden,
- in dem ersten Betriebsmodus Druckluft in dem Adsorber (103) zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher (1) abgekühlt wird,
- in dem ersten Betriebsmodus dem Destillationssäulensystem (110) ein Luftprodukt entnommen und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher (1) erwärmt wird,
- in dem ersten Betriebsmodus ein erstes Ende (11) des Wärmetauschers (1) auf ein erstes Temperaturniveau und ein zweites Ende (12) des Wärmetauschers (1) auf ein zweites Temperaturniveau unterhalb des ersten Temperaturniveaus gebracht wird,
- in dem zweiten Betriebsmodus die Abkühlung der Druckluft und die Erwärmung des Luftprodukts in dem Wärmetauscher (1) teilweise oder vollständig ausgesetzt wird, und
- in dem zweiten Betriebsmodus eine Erwärmung des zweiten Endes (12) des Wärmetauschers (1) auf ein drittes Temperaturniveau oberhalb des zweiten Temperaturniveaus zugelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass - in einem dritten Zeitraum zwischen dem zweiten Zeitraum und dem ersten Zeitraum ein dritter Betriebsmodus durchgeführt wird,
- in dem dritten Betriebsmodus Druckluft in dem Adsorber (103) zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher (1) abgekühlt wird, in dem dritten Betriebsmodus dem Destillationssäulensystem (10) das Luftprodukt entnommen und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher (1) erwärmt wird, und
- in dem dritten Betriebsmodus ein einstellbarer Anteil der in dem Wärmetauscher (1) abgekühlten Druckluft oder eine einstellbare Menge an weiterer Druckluft, die in dem Adsorber (103) zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit, aber nicht in dem Wärmetauscher (1) abgekühlt wird, dem Luftprodukt zugespeist wird, bevor dieses in dem Wärmetauscher (1) erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Temperaturniveau, auf dem ein Fluidstrom (A), der aus dem Luftprodukt und dem Anteil der Druckluft oder der weiteren Druckluft in dem dritten Betriebsmodus gebildet wird, in dem dritten Betriebsmodus sukzessive abgesenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das sukzessive Absenken des zweiten Temperaturniveaus ein sukzessives Verringern des Anteils der Druckluft oder der Menge der weiteren Druckluft umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Einstellen des Anteils der Druckluft oder der Menge der weiteren Druckluft das Verwenden einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (2) umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der dritte Betriebsmodus so lange durchgeführt wird, bis sich das erste Ende (11 ) des Wärmetauschers (1) wieder auf dem ersten Temperaturniveau befindet oder sich derart diesem angenähert hat, dass ein Temperaturunterschied unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Destillationssäulensystem (110) eine Niederdrucksäule (113) umfasst und bei dem als das Luftprodukt ein aus der Niederdrucksäule entnommenes, stickstoffreiches und sauerstoffhaltiges Gasgemisch verwendet wird.
7. Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (110), einem Wärmetauscher (1) und einem Adsorber (103), wobei die Luftzerlegungsanlage (100) dafür eingerichtet ist,
- in einem ersten Zeitraum einen ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Zeitraum, der nach dem ersten Zeitraum liegt, einen zweiten Betriebsmodus durchzuführen,
- in dem ersten Betriebsmodus Druckluft in dem Adsorber (103) zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid zu befreien und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher (1) abzukühlen,
- in dem ersten Betriebsmodus dem Destillationssäulensystem (110) ein Luftprodukt zu entnehmen und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher (1) zu erwärmen,
- in dem ersten Betriebsmodus ein erstes Ende (11) des Wärmetauschers (1) auf ein erstes Temperaturniveau und ein zweites Ende (12) des Wärmetauschers, auf ein zweites Temperaturniveau unterhalb des ersten Temperaturniveaus zu bringen, in dem zweiten Betriebsmodus die Abkühlung der Druckluft und die Erwärmung des Luftprodukts in dem Wärmetauscher (1) teilweise oder vollständig auszusetzen, und - in dem zweiten Betriebsmodus eine Erwärmung des zweiten Endes (12) des Wärmetauschers (1) auf ein drittes Temperaturniveau oberhalb des zweiten Temperaturniveaus zuzulassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (100) dafür eingerichtet ist,
- in einem dritten Zeitraum zwischen dem zweiten Zeitraum und dem ersten Zeitraum einen dritten Betriebsmodus durchzuführen, in dem dritten Betriebsmodus Druckluft in dem Adsorber (103) zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid zu befreien und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher (1) abzukühlen, in dem dritten Betriebsmodus dem Destillationssäulensystem (10) das Luftprodukt zu entnehmen und zumindest zu einem Anteil in dem
Wärmetauscher (1) zu erwärmen, und
- in dem dritten Betriebsmodus einen einstellbaren Anteil der in dem Wärmetauscher (1) abgekühlten Druckluft oder eine einstellbare Menge an weiterer Druckluft, die in dem Adsorber (103) zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit, aber nicht in dem Wärmetauscher (1) abgekühlt wird, dem Luftprodukt zuzuspeisen, bevor dieses in dem Wärmetauscher (1) erwärmt wird.
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