EP4343247A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von luftgasen - Google Patents

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EP4343247A1
EP4343247A1 EP23198887.4A EP23198887A EP4343247A1 EP 4343247 A1 EP4343247 A1 EP 4343247A1 EP 23198887 A EP23198887 A EP 23198887A EP 4343247 A1 EP4343247 A1 EP 4343247A1
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EP
European Patent Office
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air
hydrogen
heat exchanger
intermediate circuit
heat
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Pending
Application number
EP23198887.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Friedhelm Herzog
Alexander Schlotmann
Stephan Corvey
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.)
Messer SE and Co KGaA
Original Assignee
Messer SE and Co KGaA
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Publication date
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    • F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
    • F25J3/04854—Safety aspects of operation

Definitions

  • the invention relates to a method for producing and/or liquefying air gases, in which air is separated into a plurality of gas components in a device for air separation, at least one of which is liquefied, the air and/or the at least one gas component being converted into at least one first heat exchanger is brought into thermal contact with a heat transfer medium and thereby cooled.
  • the invention further relates to a corresponding device.
  • the gas components produced in gaseous form in particular nitrogen, can be liquefied by thermal contact with a coolant.
  • the gas components produced are fed into a pipeline network or transported to tankers for use. This process has proven itself many times over for producing highly pure air gases, but requires a lot of energy due to the sequence of compression and cooling steps.
  • An alternative process for separating air is, for example, the pressure swing adsorption process (PSA process).
  • PSA process pressure swing adsorption process
  • the air gas component presented in pure form in this process for example nitrogen or
  • oxygen is usually present at ambient temperature and is liquefied for storage purposes after production with considerable energy expenditure.
  • LNG liquid natural gas
  • This is stored in cryogenic liquefied form at low pressure in large LNG terminals and removed when necessary.
  • the LNG is brought to high pressure using cryogenic liquid pumps, evaporated and then fed into pipelines.
  • the cold of the liquefied gas is usually wasted.
  • energy is required for the evaporation process, which is obtained, for example, by burning part of the gas and thus reduces the usable amount of gas or energy.
  • Another point is the "boil off", i.e. the undesirable evaporation of the gas stored in the cryogenic liquefied state due to the heat entering through the cold insulation of the storage container.
  • the evaporated gas is usually recondensed using additional energy and then brought to the operating pressure in the pipelines by the liquid pumps or pressed directly into the pipelines using gas compressors.
  • Liquid hydrogen (LH 2 ) is likely to play an increasingly important role in the future, possibly displacing LNG in whole or in part as part of decarbonization.
  • the boiling temperature of liquid hydrogen (at 1013 mbar) is -253°C, which is 92°C lower than LNG and therefore significantly lower than the boiling points of air gases.
  • a use in Cooling processes when producing air gases would be more recommended here, but the risk of fire or explosion with hydrogen is similar to that with the use of LNG.
  • the object of the present invention is therefore to provide a possibility for producing air gases using the cold content of cryogenic hydrogen, in which the risk of fire or explosion is minimized.
  • a method of the type and purpose mentioned at the beginning is therefore characterized in that the heat transfer medium is conducted in an intermediate circuit and the heat absorbed by the air and / or the at least one gas component is transferred from the heat transfer medium to cryogenic liquefied, cold supercritical fluid at a second heat exchanger integrated in the intermediate circuit or cold gaseous hydrogen (hereinafter simply referred to as “hydrogen”) is transferred.
  • cryogenic liquefied, cold supercritical fluid at a second heat exchanger integrated in the intermediate circuit or cold gaseous hydrogen (hereinafter simply referred to as “hydrogen”) is transferred.
  • the cold of the hydrogen in a process for air separation, such as a process for cryogenic air separation or a PSA process, for cooling and/or liquefying the air or a gas component produced in this process, such as N 2 , O 2 , Ar and/and other noble gases, and thus reduce the energy requirements of these systems.
  • a process for air separation such as a process for cryogenic air separation or a PSA process
  • a gas component produced in this process such as N 2 , O 2 , Ar and/and other noble gases
  • the hydrogen is preferably present at a temperature that is lower than the boiling point of at least one of the gas components produced and is in the cryogenic liquefied, cold gaseous or cold supercritical state; it can also be kept ready in several reservoirs or routed through pipelines in which it is in the same or different areas the above-mentioned conditions exist.
  • the "cold" gaseous or supercritical state is to be understood here as gaseous or supercritical hydrogen, which is present at a temperature above its boiling point at ambient pressure, but well below 0 ° C and preferably below the boiling point of the highest boiling gas component, for example at a temperature between - 185°C and -253°C.
  • the hydrogen By absorbing heat from the fluid to be cooled, the hydrogen heats up; If hydrogen is used below its critical pressure (13 bar), it evaporates; above its critical point, it heats up without a phase change. It is particularly preferably liquid hydrogen, which is to be converted into the gaseous or supercritical state anyway for the purpose of further transport or processing or combustion; According to the invention, the energy required for this is provided by the fluid to be cooled.
  • the device for air separation is preferably a device for cryogenic air separation, in which air is partially liquefied by compression, cooling and expansion and the partially liquefied air is separated into a plurality of gas components in a separation column, the air being separated into the separation column and/or at least one gas component is brought into thermal contact with the heat transfer medium after the air in the separation column has been separated in at least the first heat exchanger and thereby cooled.
  • the cold content of the hydrogen can be used in at least two ways.
  • the cold of the hydrogen can be used to cool the air before it is fed to the separation column, in order to at least contribute to the partial liquefaction of the air.
  • the cold content of the hydrogen can be used to liquefy one or more gas components in a process step following the separation of the air, for example by cooling the hydrogen to cool a previously compressed, gaseous gas component before its expansion.
  • the cooling of the air and/or the gas component as well as the transfer of the heat absorbed to the hydrogen takes place in one or more A plurality of heat exchangers that are integrated in an intermediate circuit or arranged in several separate intermediate circuits.
  • the air separation device is a non-cryogenic air separation device, for example a VPSA system.
  • the cold content of the hydrogen can be used to liquefy one or more gas components, possibly after compression of these gas component(s), in a process step following the separation of the air.
  • the heat of the fluid to be cooled is transferred via an intermediate circuit to the hydrogen present in the liquid, gaseous and/or supercritical state.
  • a heat exchange medium hereinafter also referred to as "circulation medium"
  • circulation medium absorbs heat from the fluid to be cooled at a first heat exchanger and, on the other hand, transfers the absorbed heat to the hydrogen at a second heat exchanger gives away.
  • the circulation medium is preferably a liquid or gaseous medium that is not critical in terms of the risk of fire and explosion and does not react with the gas components generated or reacts only slowly. This means that even in the event of a leak, no rapid exothermic reactions can take place in the systems. Furthermore, the circulation medium should be a medium that does not freeze upon thermal contact with the hydrogen, i.e. either by its nature has a correspondingly low freezing point or in which additional measures, such as heating, prevent freezing.
  • the composition of the circulation medium is preferably monitored continuously or at regular intervals for the ingress of gases using suitable detector means.
  • the penetration of hydrogen and/or oxygen into the circulating medium is preferably detected and the information about this is forwarded to a control center, from which Certain measures, such as triggering an alarm or an emergency shutdown, can be initiated manually or automatically.
  • detectors for the circulating medium can also be used on the fluid side of the first and/or on the hydrogen side of the second heat exchanger.
  • Gaseous or supercritical helium is used as the preferred circulation medium in the intermediate circuit. Due to its material properties, helium conducts heat very well and does not solidify under the given temperature conditions in the device according to the invention.
  • neon is used as a circulation medium.
  • such a neon intermediate circuit requires that the intermediate circuit is designed for a temperature of over -249 ° C, the freezing temperature of the neon, or that the circulation medium is suitably tempered, for example by heating, in order to prevent the neon from freezing on the pipe walls of the To prevent intermediate circulation.
  • the second (H2-cooled) heat exchanger the heat transfer can also be designed so that its wall temperature on the neon side is above the neon freezing point, e.g. by having an appropriate wall thickness or by applying an insulation layer.
  • the insulation layer can also consist of frozen neon, provided the neon egg layer does not become so thick that it blocks the circulation flow.
  • the neon is preferably used in the intermediate circuit in the liquid state, but depending on the pressure and temperature conditions in the circuit, the neon can also be gaseous or supercritical.
  • the circulation medium for example liquid neon
  • the circulation medium is evaporated in thermal contact with the fluid to be cooled in the first heat exchanger and recondensed in thermal contact with the hydrogen in the second heat exchanger.
  • the first and second heat exchangers can be designed as parts of a heat pipe, for example in the form of a heat pipe, in which the circulation medium is transported purely passively, i.e. without the use of a pump or a compressor in the intermediate circuit. In this way, large heat outputs can be transferred very efficiently.
  • the hydrogen is stored in a cryogenic liquefied form in a storage tank before it is used according to the invention to cool a fluid, some of the hydrogen will evaporate due to the inevitable heat input via the tank walls.
  • the hydrogen evaporated in this way can only be recondensed with an effort that is generally hardly justifiable from an economic point of view; However, since it still has a certain cold content, it is possible to use it in an additional heat exchanger for cooling a fluid according to the method according to the invention.
  • a particularly advantageous development of the invention provides, alternatively or in addition, to use the hydrogen evaporated in the storage tank to generate electrical power, for example in a fuel cell.
  • the electricity generated can be used to supply electricity consumers in the air separation plant, such as compressors or pumps, or, for example, a pump in the intermediate circuit.
  • the evaporated hydrogen can also, alternatively or in addition, be used in other ways, for example to fill the storage containers of a hydrogen filling station.
  • the intermediate circuit offers the possibility of operating the devices to be cooled at a temperature level that enables a thermodynamically efficient cooling process, but is above the hydrogen temperature.
  • the intermediate circuit is therefore operated in such a way that the temperature of the circulating medium in the first heat exchanger is always above the freezing point of the fluid to be cooled or a component thereof that comes into thermal contact with the circulating medium. This prevents ice formation in the first heat exchanger on the side of the fluid to be cooled and the resulting blockage.
  • the temperature of the circulating medium is preferably adjusted by means of a suitable control of the quantity flows of fluid to be cooled, circulating medium and/or hydrogen guided through the first and/or second heat exchanger, but an electric heating device, for example, can also be used.
  • the object of the invention is also achieved by a device with the features of claim 9.
  • a device for producing air gases has a device for air separation, for example a cryogenic air separation system operating according to the Linde process or a pressure swing adsorption system, as well as a storage tank for cryogenic liquefied, cold gaseous or cold supercritical hydrogen, which is flow-connected to the storage tank Hydrogen line and an intermediate circuit through which a circulating medium flows and which is fluidically separated from the hydrogen line and which has a first heat exchanger integrated in the device for air separation and a second heat exchanger integrated in the storage tank or the hydrogen line.
  • a device for air separation for example a cryogenic air separation system operating according to the Linde process or a pressure swing adsorption system
  • a storage tank for cryogenic liquefied, cold gaseous or cold supercritical hydrogen which is flow-connected to the storage tank Hydrogen line and an intermediate circuit through which a circulating medium flows and which is fluidically separated from the hydrogen line and which has a first heat exchanger integrated in the device for air separation and a second heat exchanger integrated in the storage tank or the
  • the first heat exchanger serves to transfer heat from a fluid to be cooled flowing in the air separation device to the circulation medium and the second heat exchanger serves to transfer heat from the circulation medium to the (cold liquefied, cold gaseous or cold supercritical) hydrogen in the Hydrogen line and/or in the storage tank.
  • the first heat exchanger is, for example, a heat exchanger for cooling compressed air passed through a device for cryogenic air separation, also called a "precooler” here, or a heat exchanger for liquefying gaseous gas components produced in the device for cryogenic air separation.
  • the second heat exchanger is, for example, a heat exchanger for heating and/or evaporating liquid hydrogen or for heating supercritical hydrogen.
  • the intermediate circuit comprises a heat pipe, for example a so-called heat pipe, which has an evaporator section acting as a first heat exchanger for evaporating the circulation medium in thermal contact with the fluid to be cooled in the device for cryogenic air separation and with a condenser section acting as a second heat exchanger is equipped for recondensing the circulating medium in thermal contact with the hydrogen.
  • a heat pipe there is no need to provide a pump or similar to convey the circulating medium.
  • the storage tank is equipped with an exhaust pipe for gaseous hydrogen, which is in operative connection with a power generating device.
  • the power generating device is a fuel cell.
  • the electricity generated in the power generation device can be used, for example, in the device for cryogenic air separation to operate power-consuming components, such as a compressor used to compress the air. This further increases the efficiency of the device according to the invention.
  • Detector means are preferably provided in the intermediate circuit, by means of which the composition of the circulating medium can be monitored continuously or at regular intervals for the ingress of gases.
  • the detector means are, for example, a hydrogen detector with which a leak on the hydrogen side, i.e. in the second heat exchanger, can be detected, or detectors for oxygen and/or nitrogen and/or another fluid flowing in the air separation plant, which can then be used to detect a leak in the fluid to be cooled, i.e. in the first heat exchanger.
  • the detector means are preferably in operative connection with a control unit, by means of which, for example, an alarm is triggered or an automatic emergency shutdown of the device is initiated when a certain limit value for a gas concentration in the circulating medium is exceeded.
  • detectors for the circulating medium can also be used on the fluid side of the first and/or on the hydrogen side of the second heat exchanger.
  • the device according to the invention is expediently equipped with a control by means of which the mass flows of the fluid to be cooled, the hydrogen and/or the circulating medium can be regulated according to a predetermined program and/or depending on measured parameters. This allows the temperature of the circulating medium in particular to be regulated to a predetermined value.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are suitable for a wide variety of devices for cryogenic air separation, such as cryogenic air separation plants as well as cryogenic nitrogen or oxygen generators.
  • FIG. 1 shows schematically a device according to the invention for producing air gases.
  • the device according to the invention comprises a device 2 for cryogenic air separation, which is known per se and is shown here only in a very simplified manner, in which air is compressed in a compressor 4 after passing through a filter stage 3, then pre-cooled in a heat exchanger 5 (precooler) in thermal contact with a heat transfer medium, in a further cooling stage 6, it is brought into thermal contact with the stream of a gas component separated in the device 2 and is thereby further cooled and finally fed to a separation column 7, in which the air, which is already partially in the liquefied state, is separated into various gas components, for example oxygen and Nitrogen, occurs.
  • a device 2 for cryogenic air separation which is known per se and is shown here only in a very simplified manner, in which air is compressed in a compressor 4 after passing through a filter stage 3, then pre-cooled in a heat exchanger 5 (precooler) in thermal contact with a heat transfer medium, in a further cooling stage 6, it is brought into thermal contact with the stream of a gas component separated in the device 2 and is
  • gas components in gaseous form for example nitrogen
  • liquefied gas components for example oxygen
  • line 9 a storage tank (not shown here) for storage in the cryogenic liquefied state further use.
  • the device 2 does not have to be a cryogenic air separation plant in which nitrogen, oxygen and possibly other gas components are produced at the same time;
  • the device 2 can also be a system in which only a gas component, such as nitrogen or oxygen, is separated from the air using a cryogenic process and used for further use (a so-called generator).
  • the compressed air in the heat exchanger 5 is cooled entirely or partially with the cold content of liquid hydrogen.
  • the liquid hydrogen becomes thermally good insulated storage tank 10 stored.
  • a hydrogen line 11 is connected to the storage tank 10 and passes through a heat exchanger 12 (evaporator), in which the hydrogen stream flowing through the heat exchanger 12 evaporates in indirect thermal contact with the stream of a heat transfer medium.
  • the hydrogen line 11 is connected downstream to the heat exchanger 12 to consumers, not shown here, which are to be supplied with gaseous hydrogen.
  • a liquid hydrogen pump 13 can optionally be installed between the storage tank 10 and the heat exchanger 12 to efficiently bring the hydrogen to the high pressure required downstream of the hydrogen line 11.
  • the hydrogen can be brought to its operating pressure of, for example, 70 bar for feeding into a hydrogen pipeline.
  • the heat required to evaporate and/or heat the hydrogen in the heat exchanger 12 is taken, for example, from the compressed air flow in the device 2. However, it is also possible to take this heat from other fluid streams in the device 2, for example a gas component stream to be liquefied. In order to exclude possible safety risks in the event of a leak, heat transfer according to the invention does not take place directly, but rather by means of an intermediate circuit 14, in which an inert heat exchange medium, such as helium or neon, here called “circulation medium", from the heat exchanger 12 to the heat exchanger 5 and back in the circuit to be led.
  • an inert heat exchange medium such as helium or neon
  • the circulating medium absorbs heat from the compressed air (or the gas components to be liquefied) through indirect thermal contact;
  • the circulation medium takes over the pre-cooling of the compressed air flow required in the device 2 completely or in combination with other cooling media, such as water or air.
  • the circulation medium releases the heat absorbed into the liquid hydrogen, which evaporates.
  • the circulating medium is externally conveyed in the intermediate circuit 14 by means of a conveying device 15, which is, for example, a pump, a fan, or a compressor;
  • a conveying device 15 which is, for example, a pump, a fan, or a compressor;
  • the intermediate circuit 14 in the manner of a To form a heat pipe in which the heat exchangers 5, 12 are designed as sections for evaporation or recondensation of the circulating medium.
  • the circulation medium for example neon, evaporates in thermal contact with the compressed air in the heat exchanger 5 and flows automatically to the heat exchanger 12 in order to condense there, giving off heat to the liquid hydrogen, and flow back to the heat exchanger 5 in the liquid state.
  • the cold content of the hydrogen at least contributes to cooling the air flow in the heat exchanger 5.
  • no further energy is required to evaporate the hydrogen in the heat exchanger 12.
  • the intermediate circuit 14 ensures a high level of safety, since hydrogen and air are not passed through a common heat exchanger.
  • the composition of the circulating medium can be continuously monitored in order to be able to take emergency measures in the event of hydrogen and/or air entering the intermediate circuit 14.
  • a detector 16 is provided, which, for example, detects the proportion of hydrogen and / or air in the circulating medium continuously or at predetermined time intervals.
  • the detector 16 is in data connection with a controller 17, which triggers an alarm or an automatic emergency shutdown of the device 1 if a predetermined limit value for hydrogen and / or air in the circulation medium is exceeded.
  • the controller 17 can also be used to increase the volume flow of the hydrogen passed through the heat exchanger 12 and/or the volume flow of the circulating medium circulated in the intermediate circuit 14 as a function of a measured temperature, for example the temperature of the compressed air downstream of the heat exchanger 5 regulate.
  • the intermediate circuit 14 can also be operated at a specific, predetermined temperature, for example at a temperature that is above the freezing point of an air component (for example nitrogen, oxygen or Argon) is in the first heat exchanger 5. This prevents ice formation in the first heat exchanger 5 and the resulting blockage.
  • the cold content of the liquid hydrogen can also be used in broad stages of the device 2, for example (not shown here) for liquefying the gaseous gas component discharged through line 8 or for subcooling the liquid gas component passed through line 9.
  • a particular advantage of liquefaction is, for example, that the gas component can be brought to the operating pressure of a pipeline that is intended for transporting the gas component or another gas to which the gas component is mixed using a liquid pump with less energy input than with a gas compressor .
  • a gas component compressed in this way for example nitrogen, can be mixed with the compressed hydrogen gas in a pipeline downstream of the hydrogen line 11 in order to adjust the calorific value of the gas mixture passed through the pipeline.
  • gaseous hydrogen evaporating in the storage tank 10 can be used via an exhaust gas line 18 in a power generating device 19, for example a fuel cell, to generate electrical energy.
  • the electrical energy generated there can be used, for example, to supply the compressor 4 or other electrically operated components in the device 2, thereby creating further synergies.

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen und/oder Verflüssigen von Luftgasen, bei in einer Einrichtung zur Luftzerlegung Luft in eine Mehrzahl von Gaskomponenten getrennt wird, von denen wenigstens eine zumindest teilweise verflüssigt wird, wobei die Luft und/oder die wenigstens eine Gaskomponente in wenigstens einem ersten Wärmetauscher mit einem Wärmeübertragungsmedium in thermischen Kontakt gebracht und dadurch gekühlt wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmedium wenigstens teilweise in einem Zwischenkreislauf geführt wird und die von der Luft und/oder der wenigstens einen Gaskomponente aufgenommene Wärme an einem im Zwischenkreislauf integrierten zweiten Wärmetauscher vom Wärmeübertragungsmedium auf tiefkalt verflüssigten, kalten überkritischen oder kalten gasförmigen Wasserstoff übertragen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und/oder Verflüssigen von Luftgasen, bei dem in einer Einrichtung zur Luftzerlegung Luft in eine Mehrzahl von Gaskomponenten getrennt wird, von denen wenigstens eine verflüssigt wird, wobei die Luft und/oder die wenigstens eine Gaskomponente in wenigstens einem ersten Wärmetauscher mit einem Wärmeübertragungsmedium in thermischen Kontakt gebracht und dadurch gekühlt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine entsprechende Vorrichtung.
  • Beispielsweise sind Verfahren bzw. Vorrichtungen bekannt, bei denen als Grundlage zur Herstellung hochreiner Luftgase, wie Stickstoff, Sauerstoff oder Argon, das Linde-Verfahren eingesetzt wird. Üblicherweise wird bei diesen Verfahren Umgebungsluft angesaugt, gereinigt und auf einen Druck von beispielsweise 6 bar verdichtet. Anschließend wird die verdichtete Luft durch thermischen Kontakt mit einem Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise Wasser, auf Umgebungstemperatur und im weiteren Verlauf durch thermischen Kontakt mit den erzeugten Luftgasen, hier im Folgenden auch "Gaskomponenten" genannt, auf eine Temperatur von -170 °C bis -193 °C abgekühlt. Durch Entspannung wird die verdichtete Luft weiter abgekühlt, wobei sie sich teilweise verflüssigt, um anschließend in einer Trennkolonne in ihre Hauptbestandteile Stickstoff und Sauerstoff zerlegt zu werden. Argon und ggf. weitere Edelgase werden in ähnlicher Weise in weiteren Verfahrensschritten erzeugt. Zur weiteren Lagerung oder Verwendung können die in Gasform erzeugten Gaskomponenten, insbesondere Stickstoff, durch thermischen Kontakt mit einem Kälteträger verflüssigt werden. Die erzeugten Gaskomponenten werden in ein Rohrleitungsnetz eingespeist oder in Tankwagen ihrer Verwendung zugeführt. Dieses Verfahren hat sich zur Erzeugung hochreiner Luftgase vielfach bewährt, ist aber aufgrund der Abfolge von Verdichtungs- und Kühlschritten mit einem hohen Energieaufwand verknüpft.
  • Ein alternative Verfahren zur Zerlegung von Luft ist beispielsweise das Druckwechsel-Adsorptionsverfahren (PSA-Verfahren). Die bei diesem Verfahren in reiner Form dargestellte Luftgaskomponente, beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff, liegt jedoch in der Regel bei Umgebungstemperatur vor und wird zum Zwecke der Lagerung nach ihrer Herstellung mit beträchtlichem Energieaufwand verflüssigt.
  • Ein Teil der heutigen Energieversorgung basiert auf flüssigem Erdgas (LNG). Dieses wird in tiefkalt verflüssigter Form bei geringem Druck in großen LNG-Terminals gespeichert und bei Bedarf entnommen. Für die Entnahme wird das LNG mittels kryogener Flüssigpumpen auf hohen Druck gebracht, verdampft und anschließend in Rohrleitungen (Pipelines) eingespeist. Die Kälte des verflüssigten Gases geht dabei in der Regel nutzlos verloren. Außerdem ist für den Verdampfungsprozess Energie erforderlich, die beispielsweise durch Verfeuerung eines Teils des Gases gewonnen wird und somit die nutzbare Gasmenge bzw. Energiemenge verringert. Ein weiterer Punkt ist der "boil off", also die unerwünschte Verdampfung des im tiefkalt-verflüssigten Zustand gelagerten Gases aufgrund des Wärmeeinfalls durch die Kälteisolation des Lagerbehälters hindurch. Das verdampfte Gas wird üblicherweise unter Einsatz zusätzlicher Energie rekondensiert und dann von den Flüssigpumpen auf den Betriebsdruck in den Pipelines gebracht oder direkt mittels Gaskompressoren in die Rohrleitungen gepresst.
  • Da sich die Luftzerlegung und die Nutzung von LNG energetisch zu ergänzen scheinen, gab es bereits Überlegungen, den Kälteinhalt von LNG für Kühlprozesse bei der Erzeugung und/oder Verflüssigung von Luftgasen zu nutzen. Wegen des relativ hohen Siedepunktes (-161 °C) von LNG im Vergleich zu Stickstoff (-196°C) oder Sauerstoff (-183°C) ist dies jedoch vergleichsweise ineffizient. Außerdem besteht die Gefahr, dass bei Leckagen in den erforderlichen Wärmetauschern das brennbare Erdgas mit Sauerstoff in Verbindung kommt, was dann leicht eine Explosion zu Folge haben kann. Aus diesen Gründen wurden solche Anlagen bis heute nicht großtechnisch realisiert.
  • Eine zunehmend wichtige Rolle dürfte in Zukunft flüssigem Wasserstoff (LH2) zukommen, der möglicherweise im Rahmen der Dekarbonisierung das LNG ganz oder teilweise verdrängen wird. Die Siedetemperatur von flüssigem Wasserstoff (bei 1013 mbar) beträgt -253°C, ist also um 92°C niedriger als bei LNG und damit deutlich niedriger als die Siedepunkte der Luftgase. Eine Verwendung in Kühlprozessen bei der Erzeugung von Luftgasen wäre hier also eher zu empfehlen, jedoch ist die Brand- bzw. Explosionsgefahr bei Wasserstoff ähnlich hoch wie bei Verwendung von LNG.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Möglichkeit zur Erzeugung von Luftgasen unter Einsatz des Kälteinhalts von tiefkaltem Wasserstoff zu schaffen, bei dem die Brand- bzw. Explosionsgefahr minimiert ist.
  • Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ein Verfahren der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung ist also dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmedium in einem Zwischenkreislauf geführt wird und die von der Luft und/oder der wenigstens einen Gaskomponente aufgenommene Wärme an einem im Zwischenkreislauf integrierten zweiten Wärmetauscher vom Wärmeübertragungsmedium auf tiefkalt verflüssigten, kalten überkritischen oder kalten gasförmigen Wasserstoff (nachfolgend vereinfacht als "Wasserstoff" bezeichnet) übertragen wird.
  • Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, die Kälte des Wasserstoffs in einem Verfahren zur Luftzerlegung, wie beispielsweise einem Verfahren zur kryogenen Luftzerlegung oder einem PSA-Verfahren, zur Kühlung und/oder Verflüssigung der Luft bzw. einer in diesem Verfahren erzeugten Gaskomponente, wie N2, O2, Ar und/und andere Edelgase, zu nutzen und somit den Energiebedarf dieser Anlagen zu reduzieren. Nachfolgend werden die verfahrensgemäß zu kühlende Luft oder die zu kühlende Gaskomponente auch als "zu kühlendes Fluid" bezeichnet.
  • Bevorzugt liegt der Wasserstoff bei einer Temperatur vor, die niedriger ist als die Siedetemperatur von zumindest einem der erzeugten Gaskomponenten und befindet sich im tiefkalt-verflüssigten, kalten gasförmigen oder kalten überkritischen Zustand; er kann auch in mehreren Reservoirs bereitgehalten oder durch Rohrleitungen geführt werden, in denen er jeweils im gleichen oder in unterschiedlichen der genannten Zustände vorliegt. Als "kalter" gasförmiger oder überkritischer Zustand soll hier gasförmiger oder überkritischer Wasserstoff verstanden werden, der bei einer Temperatur oberhalb seiner Siedetemperatur bei Umgebungsdruck, jedoch weit unterhalb von 0°C und bevorzugt unterhalb des Siedepunkts der höchstsiedenden Gaskomponente vorliegt, beispielsweise bei einer Temperatur zwischen -185°C und -253°C. Durch die Aufnahme von Wärme aus dem zu kühlenden Fluid heizt sich der Wasserstoff auf; im Falle der Verwendung von Wasserstoff unterhalb seines kritischen Drucks (13 bar) verdampft dieser, oberhalb seines kritischen Punktes erwärmt er sich ohne Phasenänderung. Besonders bevorzugt handelt es sich um flüssigen Wasserstoff, der zum Zwecke des Weitertransports oder der Verarbeitung oder Verbrennung ohnehin in den gasförmigen bzw. überkritischen Zustand überführt werden soll; die hierzu erforderliche Energie wird erfindungsgemäß durch das zu kühlende Fluid bereitgestellt.
  • Bevorzugt handelt es sich bei der Einrichtung zur Luftzerlegung um eine Einrichtung zur kryogenen Luftzerlegung, bei der Luft durch Verdichtung, Kühlung und Entspannung teilweise verflüssigt und die teilweise verflüssigte Luft in einer Trennkolonne in eine Mehrzahl von Gaskomponente getrennt wird, wobei die Luft vor der Trennung in der Trennkolonne und/oder wenigstens eine Gaskomponente nach der Trennung der Luft in der Trennkolonne in wenigstens dem ersten Wärmetauscher mit dem Wärmeübertragungsmedium in thermischen Kontakt gebracht und dadurch gekühlt wird.
  • Der Kälteinhalt des Wasserstoffs kann dabei zumindest auf zweierlei Weise genutzt werden. Zum einen kann die Kälte des Wasserstoffs dazu genutzt werden, die Luft vor ihrer Zuführung an die Trennkolonne zu kühlen, um auf diese Weise zur Teilverflüssigung der Luft zumindest beizutragen. Zum zweiten kann der Kälteinhalt des Wasserstoffs dazu genutzt werden, in einem der Trennung der Luft nachfolgenden Verfahrensschritt eine oder mehrere Gaskomponenten zu verflüssigen, beispielsweise, indem der Wasserstoff zur Kühlung einer zuvor komprimierten, gasförmigen Gaskomponente vor deren Entspannung gekühlt wird. Die Kühlung der Luft und/oder der Gaskomponente sowie die Übertragung der dabei aufgenommenen Wärme auf den Wasserstoff erfolgt dabei in einem oder in einer Mehrzahl von Wärmetauschern, die in einem Zwischenkreislauf integriert oder in mehreren separaten Zwischenkreisläufen angeordnet sind.
  • Alternativ handelt es sich bei der Einrichtung zur Luftzerlegung um eine nichtkryogene Einrichtung zur Luftzerlegung, beispielsweise um eine VPSA-Anlage. In diesem Fall kann der Kälteinhalt des Wasserstoffs dazu genutzt werden, in einem der Trennung der Luft nachfolgenden Verfahrensschritt eine oder mehrere Gaskomponenten, ggf. nach einer Verdichtung dieser Gaskomponente(n), zu verflüssigen.
  • Um die Brand- bzw. Explosionsgefahr zu reduzieren wird erfindungsgemäß die Wärme des zu kühlenden Fluids über einen Zwischenkreislauf auf den im flüssigen, gasförmigen und/oder überkritischen Zustand vorliegenden Wasserstoff übertragen. Im Zwischenkreislauf wird ein Wärmetauschermedium (im Folgenden auch als "Kreislaufmedium" bezeichnet) - strömungstechnisch vom Wasserstoff getrennt - im Kreislauf geführt, das einerseits an einem ersten Wärmetauscher Wärme aus dem zu kühlenden Fluid aufnimmt und andererseits an einem zweiten Wärmetauscher die aufgenommene Wärme an den Wasserstoff abgibt.
  • Beim Kreislaufmedium handelt es sich bevorzugt um ein flüssiges oder gasförmiges Medium, das hinsichtlich der Brand- und Explosionsgefahr unkritisch ist und mit den erzeugten Gaskomponenten nicht oder nur träge reagiert. Somit können auch im Falle einer Leckage keine rasch ablaufenden exothermen Reaktionen in den Anlagen stattfinden. Weiterhin sollte es sich beim Kreislaufmedium um ein Medium handeln, das beim thermischen Kontakt mit dem Wasserstoff nicht ausfriert, das also entweder seiner Natur gemäß einen entsprechend niedrigen Gefrierpunkt aufweist oder bei dem durch zusätzliche Maßnahmen, wie etwa einer Beheizung, ein Ausfrieren verhindert wird.
  • Zur Erhöhung der Sicherheit wird bevorzugt die Zusammensetzung des Kreislaufmediums kontinuierlich oder in regelmäßigen Zeitabständen mittels geeigneter Detektormittel auf das Eindringen von Gasen kontrolliert. Bevorzugt wird dabei das Eindringen von Wasserstoff und/oder Sauerstoff in das Kreislaufmedium detektiert und die Information darüber an eine Steuerzentrale weitergeleitet, von der aus manuell oder automatisch bestimmte Maßnahmen, beispielsweise das Auslösen eines Alarms oder eine Notabschaltung, eingeleitet werden können. In ähnlicher Weise können auch Detektoren für das Kreislaufmedium auf der Fluid-Seite des ersten und / oder auf der Wasserstoffseite des zweiten Wärmetauschers eingesetzt werden.
  • Als bevorzugtes Kreislaufmedium kommt im Zwischenkreislauf gasförmiges oder überkritisches Helium zum Einsatz. Helium ist aufgrund seiner Stoffeigenschaften sehr gut wärmeleitend und wird unter den gegebenen Temperaturbedingungen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht fest. Alternativ oder ergänzend kommt als Kreislaufmedium Neon zum Einsatz. Ein derartiger Neon-Zwischenkreislauf setzt jedoch voraus, dass der Zwischenkreislauf auf eine Temperatur von über -249°C, der Gefriertemperatur des Neons, ausgelegt oder das Kreislaufmedium in geeigneter Weise etwa durch Beheizen temperiert wird, um so das Einfrieren des Neons an den Rohrleitungswänden des Zwischenkreislaufs zu verhindern. Durch entsprechende Auslegung des zweiten (H2-gekühlten) Wärmetauschers kann auch der Wärmeübergang so gestaltet werden, dass seine Wandtemperatur auf der Neon-Seite oberhalb des Neon-Gefrierpunktes liegt, z.B. durch eine entsprechende Wandstärke oder durch Aufbringung einer Isolationsschicht. Die Isolationsschicht kann auch aus gefrorenem Neon bestehen, sofern die Neon-Eischicht nicht so dick wird, dass sie die Kreislaufströmung blockiert. Das Neon kommt im Zwischenkreislauf dabei bevorzugt im flüssigen Zustand zum Einsatz, je nach Druck- und Temperaturverhältnissen im Kreislauf kann das Neon jedoch auch gasförmig oder überkritisch sein.
  • In einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung wird das Kreislaufmedium, beispielsweise flüssiges Neon, im ersten Wärmetauscher im Wärmekontakt mit dem zu kühlenden Fluid verdampft und im zweiten Wärmetauscher im Wärmekontakt mit dem Wasserstoff rekondensiert. Erster und zweiter Wärmetauscher können dabei als Teile eines Wärmerohrs, etwa in Gestalt einer Heatpipe ausgebildet sein, in dem der Transport des Kreislaufmediums rein passiv, also ohne Verwendung einer Pumpe oder eines Kompressors im Zwischenkreislauf, erfolgt. Auf diese Weise lassen sich große Wärmeleistungen in sehr effizienter Weise übertragen.
  • Wird der Wasserstoff vor seinem erfindungsgemäßen Einsatz zur Kühlung eines Fluids in einem Speichertank in tiefkalt verflüssigter Form gelagert, wird ein Teil des Wasserstoffs aufgrund des unvermeidlichen, über die Tankwände erfolgenden Wärmeeintrags verdampfen. Der auf diese Weise verdampfte Wasserstoff kann nur mit einem betriebswirtschaftlich in der Regel kaum zu vertretenden Aufwand rekondensiert werden; da er jedoch noch einen gewissen Kälteinhalt besitzt, besteht die Möglichkeit, ihn in einem zusätzlichen Wärmetauscher zum Kühlen eines Fluids gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzen. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht alternativ oder ergänzend dazu vor, den im Speichertank verdampften Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischem Strom zu nutzen, beispielsweise in einer Brennstoffzelle. Mit dem erzeugten Strom können Stromverbraucher in der Luftzerlegungsanlage, wie beispielsweise Kompressoren oder Pumpen, versorgt werden oder beispielsweise eine Pumpe im Zwischenkreislauf. Der verdampfte Wasserstoff kann jedoch auch, alternativ oder ergänzend dazu, in anderer Weise verwendet werden, beispielsweise zur Befüllung der Vorratsbehälter einer Wasserstofftankstelle.
  • Der Zwischenkreislauf bietet zusätzlich zur Vermeidung der Explosionsgefahr die Möglichkeit, die zu kühlenden Apparate auf einem Temperaturniveau zu betreiben, welches einen thermodynamisch effizienten Kühlprozess ermöglicht, aber oberhalb der Wasserstofftemperatur liegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher der Zwischenkreislauf derart betrieben, dass die Temperatur des Kreislaufmediums im ersten Wärmetauscher stets oberhalb des Gefrierpunkts des zu kühlenden Fluids oder einer Komponente davon liegt, die mit dem Kreislaufmedium in thermischen Kontakt kommt. Hierdurch wird im ersten Wärmetauscher eine Eisbildung auf der Seite des zu kühlenden Fluids und eine damit einhergehende Verstopfung vermieden. Die Einstellung der Temperatur des Kreislaufmediums erfolgt bevorzugt mittels einer geeigneten Steuerung der durch den ersten und/oder zweiten Wärmetauscher geführten Mengenströme von zu kühlendem Fluid, Kreislaufmedium und/oder Wasserstoff, jedoch kann auch eine beispielsweise elektrische Heizeinrichtung zum Einsatz kommen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Luftgasen weist eine Einrichtung zur Luftzerlegung, beispielsweise eine nach dem Linde-Verfahren arbeitende kryogene Luftzerlegungsanlage oder eine Druckwechsel-Adsorptionsanlage, auf, weiterhin einen Speichertank für tiefkalt verflüssigten, kalten gasförmigen oder kalten überkritischen Wasserstoff, eine mit dem Speichertank strömungsverbundene Wasserstoffleitung und einen von einem Kreislaufmedium durchlaufenen, von der Wasserstoffleitung strömungstechnisch getrennten Zwischenkreislauf, der einen in der Einrichtung zur Luftzerlegung integrierten ersten Wärmetauscher und einen im Speichertank oder der Wasserstoffleitung integrierten zweiten Wärmetauscher aufweist. Der erste Wärmetauscher dient dabei zum Übertragen von Wärme von einem in der Einrichtung zur Luftzerlegung strömenden, zu kühlenden Fluid auf das Kreislaufmedium und der zweite Wärmetauscher dient zum Übertragen von Wärme vom Kreislaufmedium auf den (tiefkalt verflüssigten, kalten gasförmigen oder kalten überkritischen) Wasserstoff in der Wasserstoffleitung und/oder im Speichertank.
  • Beim ersten Wärmetauscher handelt es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher zum Kühlen von durch eine Einrichtung zur kryogenen Luftzerlegung geführter komprimierter Luft, hier auch "Vorkühler" genannt, oder um einen Wärmetauscher zum Verflüssigen von in der Einrichtung zur kryogenen Luftzerlegung hergestellten gasförmigen Gaskomponenten. Beim zweiten Wärmetauscher handelt es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher zum Anwärmen und / oder Verdampfen von flüssigem Wasserstoff oder zum Anwärmen von überkritischem Wasserstoff.
  • In einer abermals vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Zwischenkreislauf ein Wärmerohr, beispielsweise eine sogenannte Heatpipe, das mit einem als erster Wärmetauscher fungierenden Verdampferabschnitt zum Verdampfen des Kreislaufmediums im thermischen Kontakt mit dem zu kühlenden Fluid in der Einrichtung zur kryogenen Luftzerlegung und mit einem als zweiter Wärmetauscher fungierenden Kondensatorabschnitt zum Rekondensieren des Kreislaufmediums im thermischen Kontakt mit dem Wasserstoff ausgerüstet ist. In einem Wärmerohr erübrigt sich das Vorsehen einer Pumpe o.ä. zum Fördern des Kreislaufmediums.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Speichertank mit einer Abgasleitung für gasförmigen Wasserstoff ausgerüstet, die mit einer Stromerzeugungseinrichtung in Wirkverbindung steht. Beispielsweise handelt es sich bei der Stromerzeugungseinrichtung um eine Brennstoffzelle. Der in der Stromerzeugungseinrichtung erzeugte Strom kann beispielsweise in der Einrichtung zur kryogenen Luftzerlegung zum Betrieb stromverbrauchender Komponenten eingesetzt werden, wie beispielweise eines zum Verdichten der Luft eingesetzten Kompressors. Dadurch wird die Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter gesteigert.
  • Bevorzugt sind im Zwischenkreislauf Detektormittel vorgesehen, mittels denen die Zusammensetzung des Kreislaufmediums kontinuierlich oder in regelmäßigen Zeitabständen auf das Eindringen von Gasen kontrollierbar ist. Bei den Detektormitteln handelt es sich beispielsweise um einen Wasserstoff-Detektor, mit dem eine Leckage auf der Wasserstoffseite, also im zweiten Wärmetauscher, erkannt werden kann, oder um Detektoren für Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder ein anderes in der Luftzerlegungsanlage strömendes Fluid, mit denen dann eine Leckage aufseiten des zu kühlenden Fluids, also im ersten Wärmetauscher, festgestellt werden kann. Die Detektormittel stehen bevorzugt mit einer Steuereinheit in Wirkverbindung, mittels der bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwerts für eine Gaskonzentration im Kreislaufmedium beispielsweise ein Alarm ausgelöst oder eine automatische Notabschaltung der Vorrichtung eingeleitet wird. In ähnlicher Weise können auch Detektoren für das Kreislaufmedium auf der Fluid-Seite des ersten und / oder auf der Wasserstoffseite des zweiten Wärmetauschers eingesetzt werden.
  • Zweckmäßigerweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Steuerung ausgestattet, mittels der die Mengenströme des zu kühlenden Fluids, des Wasserstoffs und/oder des Kreislaufmediums nach einem vorgegebenen Programm und/oder in Abhängigkeit gemessener Parameter regelbar sind. Dadurch kann insbesondere die Temperatur des Kreislaufmediums auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich für unterschiedlichste Einrichtungen zur kryogenen Luftzerlegung, wie beispielsweise kryogene Luftzerlegungsanlagen ebenso wie für kryogene Stickstoff- oder Sauerstoffgeneratoren.
  • Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (Fig. 1) zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen von Luftgasen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine an sich bekannte und hier nur sehr vereinfacht dargestellte Einrichtung 2 zur kryogenen Luftzerlegung, bei der Luft nach Durchlaufen einer Filterstufe 3 in einem Kompressor 4 verdichtet, anschließend in einem Wärmetauscher 5 (Vorkühler) in thermischen Kontakt mit einem Wärmeübertragungsmedium vorgekühlt, in einer weiteren Kühlstufe 6 mit dem Strom einer in der Einrichtung 2 abgetrennten Gaskomponente in thermischen Kontakt gebracht und dadurch weiter abkühlt und schließlich einer Trennkolonne 7 zugeführt wird, in der eine Trennung der bereits teilweise im verflüssigten Zustand vorliegenden Luft in verschiedene Gaskomponenten, beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff, erfolgt. Während in Gasform vorliegende Gaskomponenten, beispielsweise Stickstoff, über Leitung 8 zur Kühlstufe 6 geleitet werden und dort zu Kühlung der verdichteten Luft beitragen, werden verflüssigte Gaskomponenten, beispielsweise Sauerstoff, über Leitung 9 einem (hier nicht gezeigten) Speichertank zur Lagerung im tiefkalt verflüssigten Zustand zwecks weiterer Verwendung zugeführt. Im Übrigen muss es sich bei der Einrichtung 2 nicht zwischen um eine kryogene Luftzerlegungsanlage handeln, bei der gleichzeitig Stickstoff, Sauerstoff und ggf. weitere Gaskomponenten erzeugt werden; es kann sich bei der Einrichtung 2 auch um eine solche Anlage handeln, bei der nach einem kryogenen Verfahren lediglich eine Gaskomponente, wie beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff aus der Luft abgetrennt und einer weiteren Verwendung zugeführt wird (ein sogenannter Generator).
  • Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Kühlung der verdichteten Luft im Wärmetauscher 5 ganz oder teilweise mit dem Kälteinhalt von flüssigem Wasserstoff. Der flüssige Wasserstoff wird dazu in einem thermisch gut isolierten Speichertank 10 gelagert. Am Speichertank 10 ist eine Wasserstoffleitung 11 angeschlossen, die einen Wärmetauscher 12 (Verdampfer) durchläuft, in welchem der den Wärmetauscher 12 durchfließenden Wasserstoffstrom in indirekten thermischen Kontakt mit dem Strom eines Wärmeübertragungsmediums verdampft. Die Wasserstoffleitung 11 ist stromab zum Wärmtauscher 12 an hier nicht gezeigte Verbraucher angeschlossen, die mit gasförmigem Wasserstoff versorgt werden sollen. Zwischen dem Speichertank 10 und dem Wärmetauscher 12 kann optional eine Flüssigwasserstoffpumpe 13 installiert werden, um den Wasserstoff effizient auf einen hohen Druck zu bringen, der stromab zur Wasserstoffleitung 11 verlangt wird. Beispielsweise kann der Wasserstoff auf diese Weise zum Einspeisen in eine Wasserstoffpipeline auf deren Betriebsdruck von beispielsweise 70 bar gebracht werden.
  • Die zum Verdampfen und / oder zum Anwärmen des Wasserstoffs im Wärmetauscher 12 benötigte Wärme wird beispielsweise dem komprimierten Luftstrom in der Einrichtung 2 entnommen. Es ist jedoch auch möglich, diese Wärme anderen Fluidströmen in der Einrichtung 2 zu entnehmen, beispielsweise einem zu verflüssigenden Gaskomponentenstrom. Um mögliche Sicherheitsrisiken im Falle einer Leckage auszuschließen, erfolgt die Wärmeübertragung erfindungsgemäß nicht direkt, sondern vermittels eines Zwischenkreislaufs 14, in dem ein inertes Wärmetauschermedium, wie beispielsweise Helium oder Neon, hier "Kreislaufmedium" genannt, vom Wärmetauscher 12 zum Wärmetauscher 5 und zurück im Kreislauf geführt wird. Im Wärmetauscher 5 nimmt das Kreislaufmedium durch indirekten Wärmkontakt Wärme aus der verdichteten Luft (oder den zu verflüssigenden Gaskomponenten) auf; dabei übernimmt das Kreislaufmedium die in der Einrichtung 2 erforderliche Vorkühlung des komprimierten Luftstroms vollständig oder in Kombination mit weiteren Kühlmedien, wie beispielsweise Wasser oder Luft. Im Wärmetauscher 12 gibt das Kreislaufmedium die aufgenommene Wärme an den flüssigen Wasserstoff ab, der dabei verdampft.
  • Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt dabei eine Fremdförderung des Kreislaufmediums im Zwischenkreislauf 14 mittels einer Fördereinrichtung 15, bei der es sich beispielsweise um eine Pumpe, ein Gebläse, oder einen Kompressor handelt; es ist jedoch auch vorstellbar, den Zwischenkreislauf 14 nach Art einer Heatpipe auszubilden, in der die Wärmetauscher 5, 12 als Abschnitte zum Verdampfen bzw. Rekondensieren des Kreislaufmediums ausgebildet sind. Dabei verdampft das Kreislaufmedium, beispielsweise Neon, im Wärmekontakt mit der komprimierten Luft im Wärmetauscher 5 und strömt selbsttätig zum Wärmetauscher 12, um dort unter Abgabe von Wärme an den flüssigen Wasserstoff zu kondensieren und im flüssigen Zustand zum Wärmetauscher 5 zurückzuströmen.
  • Durch die Übertragung von Wärme von der komprimierten Luft in der Einrichtung 2 auf den flüssigen Wasserstoff in der Wasserstoffleitung 11 trägt der Kälteinhalt des Wasserstoffs zur Kühlung des Luftstroms im Wärmetauscher 5 zumindest bei. Gleichzeitig ist keine weitere Energie zum Verdampfen des Wasserstoffs im Wärmetauscher 12 erforderlich. Auf diese Weise werden Synergien geschaffen und Energie eingespart. Gleichzeitig gewährleistet der Zwischenkreislauf 14 ein hohes Maß an Sicherheit, da Wasserstoff und Luft nicht durch einen gemeinsamen Wärmetauscher geführt werden. Zur Erhöhung der Sicherheit kann die Zusammensetzung des Kreislaufmediums laufend überwacht werden, um im Falle des Eindringens von Wasserstoff und/oder Luft in den Zwischenkreislauf 14 Notfallmaßnahmen ergreifen zu können. Hierzu ist im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein Detektor 16 vorgesehen, der beispielsweise den Anteil von Wasserstoff und/oder Luft im Kreislaufmedium kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen erfasst. Der Detektor 16 steht mit einer Steuerung 17 in Datenverbindung, die im Falle der Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts für Wasserstoff und/oder Luft im Kreislaufmedium einen Alarm oder eine automatische Notabschaltung der Vorrichtung 1 auslöst.
  • Die Steuerung 17 kann im Übrigen auch dazu genutzt werden, den Mengenstrom des durch den Wärmetauscher 12 geführten Wasserstoffs und/oder den Mengenstrom des im Zwischenkreislauf 14 umgewälzten Kreislaufmediums in Abhängigkeit von einer gemessenen Temperatur, beispielsweise der Temperatur der komprimierten Luft stromab zum Wärmetauscher 5, zu regeln. Durch eine entsprechende Regelung der Mengenströme mittels der Steuerung 17 kann der Zwischenkreislauf 14 auch bei einer bestimmten, vorgegebenen Temperatur betrieben werden, beispielsweise bei einer Temperatur, die oberhalb des Gefrierpunkts einer Luftkomponente (beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff oder Argon) im ersten Wärmetauscher 5 liegt. Hierdurch wird eine Eisbildung im ersten Wärmetauscher 5 und eine damit einhergehende Verstopfung vermieden.
  • Im Übrigen kann der Kälteinhalt des flüssigen Wasserstoffs, wie erwähnt, auch in weiten Stufen der Einrichtung 2 eingesetzt werden, beispielsweise (hier nicht gezeigt) zum Verflüssigen der durch Leitung 8 abgeführten gasförmigen Gaskomponente oder zum Unterkühlen der durch Leitung 9 geführten flüssigen Gaskomponente. Ein besonderer Vorteil der Verflüssigung besteht beispielsweise darin, dass sich die Gaskomponente mittels einer Flüssigpumpe mit einem geringeren Energieeinsatz als mit einem Gaskompressor auf den Betriebsdruck einer Rohrleitung bringen lässt, die zum Transport der Gaskomponente oder eines anderen Gases, dem die Gaskomponente beigemischt wird, bestimmt ist. Beispielsweise kann eine auf diese Weise verdichtete Gaskomponente, beispielsweise Stickstoff, dem verdichteten Wasserstoffgas in einer der Wasserstoffleitung 11 nachgeschalteten Pipeline beigemischt werden, um etwa den Brennwert des durch die Pipeline geführten Gasgemisches einzustellen.
  • Weiterhin kann im Speichertank 10 abdampfender gasförmiger Wasserstoff über eine Abgasleitung 18 in einer Stromerzeugungseinrichtung 19, beispielsweise einer Brennstoffzelle, zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Die dort erzeugte elektrische Energie kann beispielsweise zur Versorgung des Kompressors 4 oder anderer elektrisch betriebener Komponenten in der Einrichtung 2 eingesetzt werden, wodurch weitere Synergien geschaffen werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Einrichtung zur kryogenen Luftzerlegung
    3
    Filterstufe
    4
    Kompressor
    5
    Wärmetauscher
    6
    Kühlstufe
    7
    Trennkolonne
    8
    Leitung
    9
    Leitung
    10
    Speichertank
    11
    Wasserstoffleitung
    12
    Wärmetauscher
    13
    Flüssigwasserstoffpumpe
    14
    Zwischenkreislauf
    15
    Fördereinrichtung
    16
    Detektor
    17
    Steuerung
    18
    Abgasleitung
    19
    Stromerzeugungseinrichtung

Claims (12)

  1. Verfahren zum Herstellen und/oder Verflüssigen von Luftgasen, bei dem in einer Einrichtung (2) zur Luftzerlegung Luft in eine Mehrzahl von Gaskomponenten getrennt wird, von denen wenigstens eine zumindest teilweise verflüssigt wird, wobei die Luft und/oder die wenigstens eine Gaskomponente in wenigstens einem ersten Wärmetauscher (5) mit einem Wärmeübertragungsmedium in thermischen Kontakt gebracht und dadurch gekühlt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Wärmeübertragungsmedium in einem Zwischenkreislauf (14) geführt wird und die von der Luft und/oder der wenigstens einen Gaskomponente aufgenommene Wärme an einem im Zwischenkreislauf (14) integrierten zweiten Wärmetauscher (12) vom Wärmeübertragungsmedium auf tiefkalt verflüssigten, kalten überkritischen oder kalten gasförmigen Wasserstoff übertragen wird.
  2. Verfahren zum Herstellen von Luftgasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Einrichtung (2) um eine Einrichtung (2) zur kryogenen Luftzerlegung handelt, bei der Luft durch Verdichtung, Kühlung und Entspannung teilweise verflüssigt und die teilweise verflüssigte Luft in einer Trennkolonne (7) in eine Mehrzahl von Gaskomponenten getrennt wird, wobei die Luft vor der Trennung in der Trennkolonne (7) und/oder wenigstens eine Gaskomponente nach der Trennung der Luft in der Trennkolonne (7) in dem ersten Wärmetauscher (5) mit dem Wärmeübertragungsmedium in thermischen Kontakt gebracht und dadurch gekühlt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff am zweiten Wärmetauscher (12) bei einer Temperatur vorliegt, die niedriger als die Siedetemperatur von zumindest einer Gaskomponente ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Kreislaufmediums im Zwischenkreislauf (14) kontinuierlich oder in regelmäßigen Zeitabständen auf das Eindringen von Gasen kontrolliert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kreislaufmedium im Zwischenkreislauf (14) Helium und/oder Neon und/oder Wasserstoff und/oder flüssiger Stickstoff zum Einsatz kommt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kreislaufmedium im Zwischenkreislauf (14) Neon zum Einsatz kommt, das beim Wärmekontakt mit der Luft und/oder der Gaskomponente verdampft und beim anschließenden Wärmekontakt mit dem flüssigen, kalten gasförmigen oder überkritischen Wasserstoff rekondensiert.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Kühlung der Luft und/oder der Gaskomponente eingesetzte Wasserstoff in einem Speichertank (10) tiefkalt verflüssigt gelagert und aus dem Speichertank (10) abdampfendes Wasserstoffgas zur Stromerzeugung eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreislauf (14) bei einer Temperatur betrieben wird, bei der das Kreislaufmedium am ersten Wärmetauscher (5) oberhalb des Gefrierpunkts wenigstens einer Gaskomponente liegt.
  9. Vorrichtung zur Herstellung und/oder Verflüssigung von Luftgasen, mit einer Einrichtung (2) zur Luftzerlegung, einem Speichertank (10) für tiefkalt verflüssigten, kalten gasförmigen oder kalten überkritischen Wasserstoff, einer mit dem Speichertank (10) strömungsverbundenen Wasserstoffleitung (11) und mit einem von einem Kreislaufmedium durchlaufenen Zwischenkreislauf (14), in dem ein erster Wärmetauscher (5) zum Übertragen von Wärme von einem in der Einrichtung (2) zur Luftzerlegung strömenden, zu kühlenden Fluid auf das Kreislaufmedium und einem zweiten Wärmetauscher (12) zum Übertragen von Wärme vom Kreislaufmedium auf den tiefkalt verflüssigten, kalten gasförmigen oder kalten überkritischen Wasserstoff in der Wasserstoffleitung (11) und/oder im Speichertank (10) integriert ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreislauf (14) ein Wärmerohr umfasst, das im ersten Wärmetauscher (5) mit einem Verdampferabschnitt zum Verdampfen des Kreislaufmediums im thermischen Kontakt mit dem Fluidstrom in der Einrichtung (2) zur Luftzerlegung und im zweiten Wärmetauscher (12) mit einem Kondensatorabschnitt zum Rekondensieren des Kreislaufmediums im thermischen Kontakt mit dem Wasserstoff ausgerüstet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Speichertank (10) mit einer Abgasleitung (18) für gasförmigen Wasserstoff ausgerüstet ist, die mit einer Stromerzeugungseinrichtung (19) in Wirkverbindung steht.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenkreislauf (14) Detektormittel (16) zum Erfassen einer Zusammensetzung des Kreislaufmediums vorgesehen sind.
EP23198887.4A 2022-09-23 2023-09-21 Verfahren und vorrichtung zur herstellung von luftgasen Pending EP4343247A1 (de)

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