WO2021129948A1 - Verfahren und anlage zur bereitstellung eines sauerstoffprodukts - Google Patents

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WO2021129948A1
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cryogenic liquid
liquid
oxygen product
fed
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Wolfgang Haag
Daniel Palaniswamy OTTE
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Linde Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for providing an oxygen product and a corresponding system according to the respective preambles of the independent claims.
  • distillation column systems can be designed, for example, as one or two-column systems, in particular as classic double-column systems, but also as three-column or multi-column systems.
  • a distillation column system can be used which has a distillation column which is primarily set up to provide nitrogen and which is referred to here as a “nitrogen column”.
  • a corresponding method is also referred to as the SPECTRA method and is explained in more detail below.
  • liquid is removed from the nitrogen column, relaxed, evaporated in a top condenser of the nitrogen column against condensing top gas, which is then partially returned to the nitrogen column as reflux and can partially be removed from the system, then recompressed and returned to the nitrogen column.
  • further liquid from the nitrogen column can also be depressurized, evaporated in the top condenser of the nitrogen column against the condensing top gas of the nitrogen column, depressurized further and removed from the system.
  • an additional column for generating (pure or high-purity) oxygen is provided. This can be fed directly from the nitrogen column or with fluid that has been taken from the nitrogen column and processed further in at least one further distillation column.
  • devices for example distillation columns, for obtaining further air components, in particular the noble gases helium, neon, krypton, xenon and / or argon, can be provided in the above-mentioned distillation column systems.
  • a gaseous, pressurized air product is conventionally formed by removing a cryogenic, liquid air product from the distillation column system used, subjecting it to a pressure increase to a product pressure, and heating it to the gaseous or supercritical state at the product pressure.
  • gaseous, pressurized oxygen of any purity, gaseous, pressurized nitrogen and / or gaseous, pressurized argon can be generated by means of conventional internal compression.
  • the internal compression offers a number of advantages compared to an alternative possible external compression and is explained e.g. by Häring (see above) in Section 2.2.5.2, "Internal Compression".
  • methods and systems for the low-temperature decomposition of air, in which internal compression is used are shown in US 2007/0209389 A1 and in WO 2015/127648 A1.
  • an air product can also be pressurized by means of a partial flow of compressed feed air in a tank arrangement.
  • WO 2014/173496 A2 discloses a method for obtaining oxygen in the sense explained below in an air separation plant, in which a liquid fraction is obtained from feed air and is at least partially used to provide the oxygen.
  • the liquid fraction is temporarily stored in a tank arrangement with at least two tanks, the liquid fraction in at least one of the tanks is supplied and / or withdrawn from at least one of the tanks for providing the air product and is not supplied and withdrawn to any of the tanks at the same time.
  • the composition of the liquid fraction in the tank is determined.
  • EP 3 193 114 A1 discloses a further method with pressure build-up evaporation.
  • the invention proposes a method for providing an oxygen product and a corresponding system according to the respective preambles of the independent claims. Refinements are the subject of the dependent claims and the description below.
  • oxygen should be understood here to mean any liquid or gaseous fluid that contains more than 80% oxygen.
  • oxygen is therefore not limited to pure or high-purity oxygen, but pure or high-purity oxygen can also be provided.
  • highly pure is to be understood as meaning oxygen with a purity of at least 99.9 mol percent. The oxygen is carried out as an oxygen product from a corresponding system, with a "product" no longer being fed back into the system and participating in system-internal cycles.
  • a tank system with a plurality of tanks is used in which a first tank or a first group of the plurality of tanks, but not a second tank or a second group of the plurality of tanks, is filled in a first period of time.
  • the second tank or the second group of tanks, but not the first tank is filled in a second period of time. The same applies to emptying, which can take place at the same time as filling another tank or another group of tanks.
  • the second tank or the second group of tanks but not the first tank or the first group of tanks, and in the first period, the first tank or the first group of tanks but not the second Tank, or the second group of tanks, to be emptied.
  • a “first tank” or a “second tank” is used in each case below, this can, in simplified form, also stand for the first or second group of tanks.
  • Corresponding groups of tanks include tanks operated in parallel, so that in each case at least a first or a second tank (from the first or second group) is operated accordingly.
  • the present invention achieves these advantages by using the blow-off gas, which has hitherto been blown off to the atmosphere, from a pressure build-up system, which can be used in different ways.
  • a pressure build-up system which can be used in different ways.
  • reliquefaction and material use of the oxygen molecules contained in the blow-off gas can take place.
  • the present invention proposes a method for providing an oxygen product using an air separation plant with a distillation column system, in which a cryogenic liquid is removed from the distillation column system, a first portion of the cryogenic liquid being subjected to pressure build-up evaporation by evaporation of a second portion of the cryogenic liquid and the Oxygen product is provided using at least a portion of the first portion of the cryogenic liquid.
  • the pressure build-up evaporation takes place in corresponding tanks from which the first portion of the cryogenic liquid is periodically withdrawn.
  • the second portion of the cryogenic liquid is also at least partially discharged from the tank before the tank is refilled, and the tank is thus released to the starting pressure, which causes the aforementioned blow -Off gas is provided.
  • the cryogenic liquid can be formed at 1 to 4 bara, for example approx. 3 bara, in particular in a pure oxygen column of a SPECTRA process, as also indicated again below, and transferred via a gradient into tanks which are in the Pressure build-up evaporation can be used.
  • the pressure build-up evaporation provides a pressure of, for example, approx. 8 to 16 bara or higher. After filling up, the second portion of the cryogenic liquid is usually not used any further.
  • the present invention now proposes that at least part of the vaporized second portion of the cryogenic liquid is used for providing the oxygen product. In this way, the advantages already mentioned can be achieved.
  • the correspondingly evaporated cryogenic liquid is at least not completely lost in the process.
  • the use can in particular comprise a material use and / or a thermal use and / or a pressure use.
  • Material use is in particular when the oxygen molecules contained in the second portion are converted into the ultimately liquid oxygen product, in particular by liquefaction and, if necessary, feeding into a column used to form the oxygen product or directly to the oxygen product.
  • a thermal use can exist in particular when the second portion is used as a cooling or heating medium, for example in a sump evaporator (sump reboiler) of a rectification column or for cooling another material flow, for example nitrogen.
  • thermal use can also exist when the second component is relaxed and in this way "cold" is produced or heat is dissipated.
  • expansion devices such as turbines, which can for example be coupled with brakes of any type.
  • pressure can in particular include the expansion of a corresponding material flow in an expansion turbine which is coupled either to a generator or to a booster for compressing a further flow.
  • a particularly preferred embodiment of the invention comprises directing the corresponding gas back into the air separation plant and liquefying it in a sump reboiler of a distillation column in which the cryogenic liquid is formed. Then the liquid obtained in this way becomes the cryogenic liquid in the Distillation column (or the cryogenic liquid removed from the distillation column) and fed back into the pressure build-up evaporation. In this way, the net amount of liquid oxygen to be produced can be reduced or, in total, more liquid oxygen can be produced. Further details are explained below for a corresponding embodiment.
  • a SPECTRA process is characterized in that the distillation column system comprises a first distillation column, liquid being removed from the first distillation column, expanded and evaporated against condensing overhead gas of the first distillation column, which is at least partially returned to the first distillation column , wherein the vaporized liquid is at least partially recompressed and fed back into the first distillation column.
  • further liquid can also be removed from the first distillation column, expanded, evaporated against the condensing top gas of the first distillation column, and at least partially discharged from the air separation plant.
  • the distillation column system can, for example, comprise a second distillation column fed from the first distillation column, the second distillation column being operated using a sump reboiler and the cryogenic liquid being removed from the second distillation column.
  • the present invention can also include any variants thereof in which, for example, an additional high-purity oxygen column is used, and / or systems with argon recovery, in which one of the columns used is withdrawn from a side stream and transferred to an argon column or a column system for argon generation.
  • the cryogenic liquid can be taken from any further distillation column which is connected downstream of the first distillation column, i.e.
  • the cryogenic liquid can be withdrawn, in particular, in the form of high-purity oxygen from a further distillation column, which is not the mentioned second distillation column but is connected downstream of it.
  • the vaporized second portion of the cryogenic liquid, or the portion thereof which is fed to further use to provide the oxygen product can in particular be at least partially fed into the second distillation column.
  • liquefaction takes place before the feed, so that the oxygen in the gas can be used completely as a material, as explained below.
  • gaseous feeding into a corresponding distillation column and liquefaction there can also take place.
  • a particularly preferred embodiment of the invention comprises, as already mentioned in principle, that the vaporized second portion of the cryogenic liquid, or the portion thereof which is further used to provide the oxygen product, is at least partially cooled in the sump reboiler of the second distillation column.
  • the minimum pressure of the liquid oxygen in the sump reboiler is approx. 300 mbar above the pressure in the sump of the distillation column. Due to further line and valve pressure losses on the way from the tanks in the pressure build-up evaporation to the sump reboiler, the minimum pressure of the gas is limited to a value of approx. 500 or at least 400 mbar above the column sump. This means that the second part, when relaxing from, for example, 11 bara to a corresponding pressure value can be made usable. The gas at a lower pressure level must therefore continue to be blown off into the atmosphere.
  • the vaporized second portion of the cryogenic liquid, or the portion thereof which is fed to further use to provide the oxygen product can be at least partially cooled in a further heat exchanger of the air separation plant.
  • the further heat exchanger can in particular be a heat exchanger which is supercooled liquid nitrogen, which is formed from top gas of the first distillation column, in order to provide a liquid nitrogen product. In this way, liquefied oxygen can be fed into the cryogenic liquid.
  • a sump reboiler is used in a second distillation column of the type described, the minimum pressure here can be reduced to a value of approx. 200 mbar above the pressure in the sump of the distillation column plus the heat exchanger pressure loss. This corresponds to the line and valve pressure losses.
  • the energy saving for the case study mentioned above is 101 kW (1.4%).
  • the present invention can be implemented with minimal intervention in the overall system of the air separation plant.
  • the second portion for transferring heat to it is also at least partially passed through a heat exchanger and is heated in the process. This can also be done in a separate heat exchanger or in the main heat exchanger.
  • the second portion can be heated separately (ie without being mixed with further fluid) or together with further fluid, for example residual gas from the air separation plant or another fluid, which in particular can be present at a lower pressure level than the second portion.
  • the present invention is particularly suitable for processes for the production of cryogenic liquid and an oxygen product with an oxygen content of more than 99 mol percent, in particular more than 99.5 or 99.9 mol percent.
  • a tank system with one or more alternately filled and emptied tanks is advantageously used, with the filled tank being pressurized by evaporation of the second portion of the cryogenic liquid and the second portion the cryogenic liquid is discharged from the respective empty tank.
  • This operation results in a surge-like or pulsating accumulation of the second portion of the cryogenic liquid, that is to say of the liquefying gas.
  • This can therefore advantageously be temporarily stored at least temporarily, in particular in a buffer tank.
  • the present invention also extends to an air separation plant, with respect to which reference is expressly made to the corresponding independent patent claim.
  • a corresponding air separation plant which is preferably set up to carry out a method, as was previously explained in different configurations, benefits in the same way from the advantages already mentioned above.
  • Figure 1 illustrates an air separation plant according to an embodiment of the present invention in a simplified representation.
  • FIG. 2 illustrates an air separation plant according to an embodiment of the present invention in a simplified partial representation.
  • FIG. 3 illustrates an air separation plant according to an embodiment of the present invention in a simplified partial representation.
  • FIG. 4 illustrates an air separation plant according to an embodiment of the present invention in a simplified partial representation.
  • FIG. 5 illustrates a pressure build-up evaporation for an air separation plant according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 an air separation plant according to an embodiment of the present invention is shown in the form of a schematic process flow diagram and denoted as a whole by 100.
  • the air separation plant 100 is supplied with air in the form of a feed air stream a via a filter 1 from the atmosphere A, compressed in a main air compressor 2, cooled with water W in an aftercooler and a direct contact cooler (not specifically designated), dried in an adsorber station 4 and freed from carbon dioxide, fed to a main heat exchanger 5 on the warm side, guided in the main heat exchanger 5 almost to the cold end, and fed into a first distillation column 11 of a distillation column system 10.
  • the feed takes place partly without further cooling in the form of a stream a1, partly after cooling in a sump reboiler 121 in the sump of a second distillation column 12 of the distillation column system 10.
  • the air separation plant 100 is designed to carry out a SPECTRA process, including two liquid streams b and c at different positions, ie via a side take-off and from the sump, taken from the first distillation column 11, each subcooled in the main heat exchanger 5, expanded and in a heat exchanger 111 evaporated against condensing head gas of the first distillation column 11.
  • Liquid nitrogen can be fed in from a store I, for example.
  • the stream b is then at least partially in one with a Expansion machine 7 and a compressor 6 coupled to a brake, which is not separately designated, recompressed, cooled again in the main heat exchanger 5, and fed back into the first distillation column 11.
  • the material flow c is at least partially heated in the main heat exchanger 5, expanded in the expansion machine 7 and discharged from the air separation plant 100.
  • the top gas is removed from the first column 11 in the form of a stream c, which is then divided into a substream c1, which is passed into the heat exchanger 111 and liquefied there, and a substream c2, which is discharged from the air separation plant 100 as product N1, N2, divided up.
  • a substream c1 which is passed into the heat exchanger 111 and liquefied there, and a substream c2, which is discharged from the air separation plant 100 as product N1, N2, divided up.
  • some of the stream c1 is returned to the first column 11 as reflux.
  • a further portion can be cooled against a portion of itself in a heat exchanger 8 and discharged as liquid nitrogen product C.
  • a portion can be discharged from the air separation plant 100 as a purge stream P.
  • the second distillation column 12 is fed with a liquid side stream d from the first distillation column 11, which is supercooled in the bottom reboiler 121 and then fed to the top of the second distillation column 12.
  • An oxygen product is formed by cryogenic, oxygen-rich liquid which is taken from the bottom of the second distillation column 12 in the form of a stream e.
  • the material flow e is fed as liquid oxygen to a pressure build-up evaporation 20 (see for the details below and link E in FIG. 1).
  • Impure nitrogen is withdrawn from the top of the second distillation column in the form of a stream f and, after combining, among other things, heated with the relaxed stream c in the main heat exchanger 5 and released into atmosphere A and / or used as a regeneration gas in adsorber station 4.
  • a further treatment of the liquid oxygen of the material flow e takes place in the greatly simplified illustrated pressure build-up evaporation 20.
  • Liquid oxygen which has been pressurized in the pressure build-up evaporation 20, is diverted in the form of a material flow g to an extraction point G. It is also possible to subject this liquid oxygen, as illustrated by K, to evaporation in the main heat exchanger 5 and from the To divert air separation unit 100. Gas accumulating during the pressure build-up evaporation is either released to the atmosphere, as illustrated here by V, but in an embodiment of the invention shown here, it is partly passed through the sump reboiler 121 and fed into the material flow e. In this way, material use takes place. Heat integration in the main heat exchanger 5 can also take place, as illustrated by K.
  • FIGS. 2, 3 and 4 each illustrate part of an air separation plant according to an embodiment of the invention, which, in addition to the components shown, can have, for example, those of the air separation plant 100 according to FIG.
  • the integration can be seen from the illustrated material flows, including the material flows a2, d, e and f.
  • a buffer memory 21 is provided in each case. This is able to buffer the periodically occurring gas quantities from the pressure build-up evaporation 20, as explained in relation to FIG. 5, in order to continuously feed them into use.
  • the material flow h is used essentially as in the air separation plant 100 according to FIG. 1, this is not the case in the embodiment according to FIG. 3.
  • the stream h is fed directly into the second distillation column 12.
  • thermal use is also possible in the heat exchanger 8, which in FIG. 4 is denoted by 8 'for the sake of better differentiation and is equipped with corresponding additional passages.
  • the material flow h which is also designated by h 'downstream of the heat exchanger 8' for the sake of better distinguishability, can then in particular be fed to the material flow e.
  • FIGS. 1 to 4 can also be combined. For example, operation with or without a buffer store 21 and with or without thermal utilization in a heat exchanger 8 'can take place in all cases.
  • the types of use illustrated in FIGS. 1 to 4 can each also include only the use of substreams of the material flow h, with further substreams being able to be used for other purposes.
  • An essential component of the pressure build-up evaporation 20 is a double tank system, which is designated here as a whole by 70, and which has two tanks 71 and 72.
  • a pump 55 By means of a pump 55, the cryogenic liquid of the fluid flow e, here denoted by 41, can be increased in pressure.
  • the pump 55 is not absolutely necessary if the pressure build-up through evaporation alone is sufficient.
  • the pump 55 is regularly omitted and the cryogenic liquid of the stream 41 is fed into the tanks 71 and 72 at the distillation pressure in the second distillation column 12.
  • the tank system 70 is equipped with a pressure build-up evaporation device 75.
  • a liquid portion of the cryogenic liquid of the stream 41 taken from the tanks 71 or 72 is evaporated.
  • the vaporized gas which is present under an increased pressure, is fed to a head space of the tanks 71 and 72, respectively.
  • the pump 55 can be saved and only pressure build-up evaporation can be used.
  • part of the product is converted into the gas phase. If the cryogenic liquid is removed from the respective tank 71, 72, the gas phase remains. This is vented to the atmosphere in conventional processes, as illustrated here and before with V. Instead, the embodiment of the invention illustrated here provides for a part in the form of the material flow h to be used as explained above.
  • cryogenic liquid is always removed from that of the tanks 71, 72 to which no cryogenic liquid of the fluid flow 41 is currently being fed. This liquid can generally be discharged directly after the removal.
  • this is transferred unheated to a further tank 73.
  • a further tank 73 when the further tank 73 is completely filled, provision can also be made, as illustrated here by means of a line 74, to pass the corresponding fluid directly on and to heat it.
  • the fluid can be heated, for example, in a main heat exchanger 5 of a corresponding air separation plant, for example the air separation plant 100 according to FIG. 1, and / or in an additional evaporator 90.
  • the cryogenic liquid can, however, also be removed from the further tank 73 in the liquid state and stored in liquid form in a storage tank 76 until it is used. Further withdrawals upstream and / or downstream of the further tank 73 are also possible in principle.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Sauerstoffprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (10), bei dem dem Destillationssäulensystem (10) eine tief kalte Flüssigkeit entnommen wird, wobei ein erster Anteil der tiefkalten Flüssigkeit durch Verdampfen eines zweiten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit einer Druckaufbauverdampfung unterworfen und das Sauerstoffprodukt unter Verwendung zumindest eines Teils des ersten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit bereitgestellt wird. Es ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des verdampften zweiten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit nach der Druckerhöhung einer weiteren Nutzung zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zugeführt wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anlage zur Bereitstellung eines Sauerstoffprodukts
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Sauerstoffprodukts und eine entsprechende Anlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
Die Herstellung von Sauerstoff in flüssigem oder gasförmigem Zustand erfolgt üblicherweise durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in entsprechenden Luftzerlegungsanlagen mit an sich bekannten Destillationssäulensystemen. Diese können beispielsweise als Ein- oder Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann dabei insbesondere ein Destillationssäulensystem zum Einsatz kommen, das eine primär zur Bereitstellung von Stickstoff eingerichtete Destillationssäule aufweist, die hier als "Stickstoffsäule" bezeichnet wird. Ein entsprechendes Verfahren wird auch als SPECTRA-Verfahren bezeichnet und nachfolgend näher erläutert.
Der Stickstoffsäule wird in dieser Ausgestaltung Flüssigkeit entnommen, entspannt, in einem Kopfkondensator der Stickstoffsäule gegen kondensierendes Kopfgas, welches danach teilweise auf die Stickstoffsäule als Rücklauf zurückgeführt wird und teilweise aus der Anlage ausgeführt werden kann, verdampft, anschließend rückverdichtet und in die Stickstoffsäule zurückgeführt. Weitere Flüssigkeit aus der Stickstoffsäule kann in dieser Ausgestaltung ebenfalls entspannt, in dem Kopfkondensator der Stickstoffsäule gegen das kondensierende Kopfgas der Stickstoffsäule verdampft, weiter entspannt und aus der Anlage ausgeführt werden. Neben der Stickstoffsäule ist in einer entsprechenden Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine zusätzliche Säule zum Erzeugen von (Rein- oder Hochrein-)Sauerstoff vorgesehen. Diese kann direkt aus der Stickstoffsäule oder mit Fluid, das der Stickstoffsäule entnommen und in wenigstens einer weiteren Destillationssäule weiter bearbeitet wurde, gespeist werden. Ferner können in den genannten Destillationssäulensystemen Vorrichtungen, beispielsweise Destillationssäulen, zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Helium, Neon, Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Sauerstoff, aber auch andere Luftprodukte, können einer sogenannten Innenverdichtung unterworfen werden. Bei der Innenverdichtung wird herkömmlicherweise ein gasförmiges, druckbeaufschlagtes Luftprodukt dadurch gebildet, dass dem verwendeten Destillationssäulensystem ein tiefkaltes, flüssiges Luftprodukt entnommen, einer Druckerhöhung auf einen Produktdruck unterworfen, und auf dem Produktdruck durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt wird. Beispielsweise können mittels herkömmlicher Innenverdichtung gasförmiger, druckbeaufschlagter Sauerstoff beliebiger Reinheiten, gasförmiger, druckbeaufschlagter Stickstoff und/oder gasförmiges, druckbeaufschlagtes Argon erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer alternativ möglichen externen Verdichtung und ist z.B. bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.2, "Internal Compression", erläutert. Zudem sind Verfahren und Anlagen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei der eine Innenverdichtung zum Einsatz kommt, in der US 2007/0209389 A1 und in der WO 2015/127648 A1 gezeigt.
Zur Erhöhung des Drucks von Luftprodukten in Luftzerlegungsanlagen ist die sogenannte Druckaufbauverdampfung bekannt und z.B. in der DE 676616 C und der EP 0464630 A1 beschrieben. Wie beispielsweise in der US 6295840 B1 offenbart, kann ein Luftprodukt auch mittels eines Teilstroms verdichteter Einsatzluft in einer Tankanordnung auf Druck gebracht werden.
In der WO 2014/173496 A2 ist ein Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff im unten erläuterten Sinne in einer Luftzerlegungsanlage bekannt, in der aus Einsatzluft eine Flüssigfraktion gewonnen und zumindest teilweise zur Bereitstellung des Sauerstoffs verwendet wird. Die Flüssigfraktion wird in einer Tankanordnung mit wenigstens zwei Tanks zwischengespeichert, wobei die Flüssigfraktion zumindest einem der Tanks zugeführt und/oder zumindest einem der Tanks zur Bereitstellung des Luftprodukts entnommen wird und dabei keinem der Tanks gleichzeitig zugeführt und entnommen wird. Jeweils vor dem Entnehmen der Flüssigfraktion aus einem der Tanks wird die Zusammensetzung der Flüssigfraktion in dem Tank ermittelt. Die EP 3 193 114 A1 offenbart ein weiteres Verfahren mit Druckaufbauverdampfung.
Es besteht der Bedarf nach verbesserten Verfahren zur Bereitstellung von Sauerstoff, insbesondere unter Verwendung der erläuterten Luftzerlegungsanlagen, welche insbesondere eine bessere Ausbeute als im Stand der Technik gewährleisten.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines Sauerstoffprodukts und eine entsprechende Anlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden zunächst weitere Grundlagen erläutert und im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendete Begriffe definiert.
Grundsätzlich soll hier unter "Sauerstoff" jedes flüssige oder gasförmige Fluid verstanden werden, das mehr als 80% Sauerstoff aufweist. Der Begriff "Sauerstoff" ist also dem hier zugrunde liegenden Verständnis entsprechend nicht auf reinen oder hochreinen Sauerstoff beschränkt, es kann aber auch reiner oder hochreiner Sauerstoff bereitgestellt werden. Unter dem Begriff "hochrein" soll dabei nachfolgend Sauerstoff mit wenigstens 99.9 Molprozent Reinheit verstanden werden. Der Sauerstoff wird als Sauerstoffprodukt aus einer entsprechenden Anlage ausgeführt, wobei ein "Produkt" nicht mehr in die Anlage zurückgeführt wird und an anlageninternen Kreisläufen teilnimmt.
Ist hier von einem "SPECTRA-Verfahren" die Rede, steht dieser Begriff, wie bereits einleitend erwähnt, für ein Verfahren mit einem Schwerpunkt auf der Stickstoffproduktion, in dem einer luftgespeisten Destillationssäule Flüssigkeit entnommen, entspannt, in einem Kopfkondensator der Destillationssäule gegen kondensierendes Kopfgas der Destillationssäule, welches teilweise auf die Destillationssäule als Rücklauf zurückgeführt wird, verdampft, anschließend rückverdichtet und in die Destillationssäule zurückgeführt wird.
Merkmale und Vorteile der Erfindung
In den eingangs erwähnten Verfahren des Standes der Technik erfolgt eine Druckaufbauverdampfung in sogenannten Run Tanks. Hierbei wird in der Regel ein Tank befüllt, währenddessen beim anderen Tank der Druckaufbau, eine Bestimmung der Reinheit und anschließend ein Entleeren ("Abtanken") durchgeführt wird. Mit anderen Worten wird ein Tanksystem mit mehreren Tanks eingesetzt, in dem in einem ersten Zeitraum ein erster Tank oder eine erste Gruppe der mehreren Tanks, nicht aber ein zweiter Tank oder eine zweite Gruppe der mehreren Tanks, befüllt wird. Entsprechend wird in einem zweiten Zeitraum der zweite Tank oder die zweite Gruppe der Tanks, aber nicht der erste Tank befüllt. Für die Entleerung, die zeitgleich zum Befüllen eines jeweils anderen Tanks oder einer jeweils anderen Gruppe von Tanks erfolgen kann, gilt entsprechendes. So kann in dem ersten oder einem dritten Zeitraum der zweite Tank oder die zweite Gruppe von Tanks, aber nicht der erste Tank oder die erste Gruppe von Tanks, und in dem ersten Zeitraum der erste Tank oder die erste Gruppe von Tanks, aber nicht der zweite Tank oder die zweite Gruppe von Tanks, entleert werden. Ist nachfolgend jeweils von einem "ersten Tank" bzw. einem "zweiten Tank" die Rede, kann dies vereinfacht auch für die erste bzw. zweite Gruppe von Tanks stehen. Entsprechende Gruppen von Tanks umfassen im Parallelbetrieb betriebene Tanks, so dass jeweils zumindest ein erster bzw. ein zweiter Tank (aus der ersten bzw. zweiten Gruppe) entsprechend betrieben wird..
Nach erfolgtem Abtanken bzw. Entleeren der unter Druck stehenden Flüssigkeit aus einem entsprechenden Tank (der in der Druckaufbauverdampfung erzeugte Druck liegt insbesondere bei ca. 8 bis 16 bara) ist in dem Tank noch ein Restgas vorhanden. Dieses Restgas (Blow-Off-Gas) wird herkömmlicherweise in die Atmosphäre abgeblasen und geht dadurch verloren. Ein zentraler Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Nutzung dieses Restgases vorzunehmen. Auf diese Weise ergeben sich, wie nachfolgend erläutert, beträchtliche Effizienzvorteile. Entsprechende Druckaufbausysteme können insbesondere bei solchen Anlagen eingesetzt werden, in denen Produkte vorteilhafterweise nicht einer Förderung oder Druckbeaufschlagung mittels Pumpen oder Verdichtern unterworfen werden, beispielsweise hochreine Luftprodukte, die auf diese Weise kontaminiert werden könnten. Beispielsweise können solche Druckaufbausysteme bei SPECTRA-Anlagen mit Sauerstoffproduktion eingesetzt werden. In diesen ist die Produktion von flüssigem Sauerstoff vergleichsweise energieintensiv. Beim Abblasen des Blow-Off-Gases wird jedoch je nach Einspeisemenge und Laufzeit ca. 5 bis 15% der produzierten Menge an Flüssigsauerstoff verworfen. Eine Verwendung dieser Menge hat daher eine beträchtliche Energieeinsparung zur Folge, da die netto zu produzierende Menge an Flüssigsauerstoff reduziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung erzielt diese Vorteile durch eine Nutzung des Blow-Off- Gases, welches bislang an die Atmosphäre abgeblasen wird, aus einem Druckaufbausystem, wobei die Nutzung auf unterschiedliche Arten erfolgen kann. Insbesondere können eine Rückverflüssigung und eine stoffliche Nutzung der in dem Blow-Off-Gas enthaltenen Sauerstoffmoleküle erfolgen.
Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines Sauerstoffprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem vor, bei dem dem Destillationssäulensystem eine tiefkalte Flüssigkeit entnommen wird, wobei ein erster Anteil der tiefkalten Flüssigkeit durch Verdampfen eines zweiten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit einer Druckaufbauverdampfung unterworfen und das Sauerstoffprodukt unter Verwendung zumindest eines Teils des ersten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit bereitgestellt wird. Die Druckaufbauverdampfung erfolgt, wie zuvor erläutert, in entsprechenden Tanks, denen der erste Anteil der tiefkalten Flüssigkeit periodisch entnommen wird. Nach der Entnahme des ersten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit aus dem jeweiligen Tank wird der zweite Anteil der tiefkalten Flüssigkeit vor der Wiederbefüllung des T anks ebenfalls aus dem Tank, mindestens teilweise, ausgeleitet und der Tank auf diese Weise auf den Ausgandsruck entspannt, wodurch das erwähnte Blow-Off-Gas bereitgestellt wird.
Die tiefkalte Flüssigkeit kann bei 1 bis 4 bara, beispielsweise ca. 3 bara, insbesondere in einer Reinsauerstoffsäule eines SPECTRA-Verfahrens wie auch unten nochmals angegeben, gebildet und über ein Gefälle in Tanks überführt werden, die in der Druckaufbauverdampfung verwendet werden. Die Druckaufbauverdampfung liefert einen Druck von beispielsweise ca. 8 bis 16 bara oder höher. Nach der Abtankung liegt der zweite Anteil der tiefkalten Flüssigkeit herkömmlicherweise keiner weiteren Nutzung vor.
Die vorliegende Erfindung schlägt nun vor, dass zumindest ein Teil des verdampften zweiten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit einer Nutzung zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zugeführt wird. Auf diese Weise können die bereits angesprochenen Vorteile erzielt werden. Die entsprechend verdampfte tiefkalte Flüssigkeit geht dem Verfahren zumindest nicht vollständig verloren.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Nutzung insbesondere eine stoffliche Nutzung und/oder eine thermische Nutzung und/oder eine Drucknutzung umfassen. Eine stoffliche Nutzung liegt insbesondere dann vor, wenn in dem zweiten Anteil enthaltene Sauerstoffmoleküle in das letztlich flüssig ausgeführte Sauerstoffprodukt überführt werden, insbesondere durch eine Verflüssigung und ggf. Zuspeisung in eine zur Bildung des Sauerstoffprodukts verwendet Kolonne oder direkt zu dem Sauerstoffprodukt erfolgen. Eine thermische Nutzung kann insbesondere dann vorliegen, wenn der zweite Anteil als Kühl- oder Heizmedium, beispielsweise in einem Sumpfverdampfer (Sumpfaufkocher) einer Rektifikationskolonne oder zur Kühlung eines anderen Stoffstroms, beispielsweise von Stickstoff, genutzt wird. Eine thermische Nutzung kann aber auch dann vorliegen, wenn der zweite Anteil entspannt und auf diese Weise "Kälte produziert" bzw. Wärme abgeführt wird. Dies kann beispielsweise mittels geeigneter Entspannungseinrichtungen wie Turbinen, die beispielsweise mit Bremsen beliebiger Art gekoppelt sein können, erfolgen. Auf einen abgekühlten und entspannten Strom, der in dieser Weise gebildet wird, kann Wärme eines oder mehrerer beliebiger anderer Ströme übertragen werden. Eine Drucknutzung kann insbesondere die Entspannung eines entsprechenden Stoffstroms in einer Expansionsturbine umfassen, die entweder mit einem Generator oder mit einem Booster zur Verdichtung eines weiteren Stroms gekoppelt ist.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung umfasst, das entsprechende Gas zurück in die Luftzerlegungsanlage zu leiten und in einem Sumpfaufkocher einer Destillationssäule zu verflüssigen, in der die tiefkalte Flüssigkeit gebildet wird. Anschließend wird die so gewonnene Flüssigkeit der tiefkalten Flüssigkeit in der Destillationssäule (oder der aus der Destillationssäule entnommenen tiefkalten Flüssigkeit) zugeführt und zurück in die Druckaufbauverdampfung gefördert. Auf diese Weise kann die netto zu produzierende Menge an Flüssigsauerstoff reduziert werden bzw. in Summe mehr Flüssigsauerstoff produziert werden. Weitere Details werden zu einer entsprechenden Ausgestaltung unten erläutert.
Wie erwähnt, eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere in Verbindung mit einem SPECTRA-Verfahren und entfaltet dort aufgrund der vergleichsweise aufwendigen Sauerstoffproduktion ihre besonderen Vorteile. Die vorliegende Erfindung kann jedoch grundsätzlich auch mit anderen Verfahren der Luftzerlegung eingesetzt werden. Ein SPECTRA-Verfahren zeichnen sich, wie erwähnt, dadurch aus, dass das Destillationssäulensystem eine erste Destillationssäule umfasst, wobei aus der ersten Destillationssäule Flüssigkeit entnommen, entspannt und gegen kondensierendes Kopfgas der ersten Destillationssäule, das zumindest teilweise auf die erste Destillationssäule zurückgeführt wird, verdampft wird, wobei die verdampfte Flüssigkeit zumindest teilweise rückverdichtet und in die erste Destillationssäule zurückgespeist wird. Bei einem SPECTRA-Verfahren kann insbesondere auch aus der ersten Destillationssäule weitere Flüssigkeit entnommen, entspannt, gegen das kondensierende Kopfgas der ersten Destillationssäule verdampft, und zumindest teilweise aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden.
Bei einer in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Variante eines SPECTRA- Verfahrens kann das Destillationssäulensystem beispielsweise eine aus der ersten Destillationssäule gespeiste zweite Destillationssäule umfassen, wobei die zweite Destillationssäule unter Verwendung eines Sumpfaufkochers betrieben wird und aus der zweiten Destillationssäule die tiefkalte Flüssigkeit entnommen wird. Die vorliegende Erfindung kann aber auch beliebige Varianten hiervon umfassen, bei denen beispielsweise eine zusätzliche Hochreinsauerstoffsäule verwendet wird, und/oder Anlagen mit Argongewinnung, bei denen einer der verwendeten Kolonnen ein Seitenstrom entnommen und in eine Argonsäule oder ein Säulensystem zur Argonerzeugung überführt wird. Allgemein kann die tiefkalte Flüssigkeit aus einer beliebigen weiteren Destillationssäule entnommen werden, die der ersten Destillationsschäule nachgeschaltet ist, also ihrerseits direkt aus der ersten Destillationssäule oder mit Fluid, das der ersten Destillationssäule entnommen und in wenigstens einer anderen Destillationssäule weiter bearbeitet wurde, gespeist wird. Die Entnahme der tiefkalten Flüssigkeit kann dabei insbesondere in Form von Hochreinsauerstoff aus einerweiteren Destillationssäule, welche nicht die erwähnte zweite Destillationssäule sondern dieser nachgeschaltet ist, erfolgen.
Erfolgt hier eine stoffliche Nutzung, kann der verdampfte zweite Anteil der tiefkalten Flüssigkeit, oder der Teil hiervon, der der weiteren Nutzung zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zugeführt wird, insbesondere zumindest teilweise in die zweite Destillationssäule eingespeist werden. Es ist jedoch auch möglich, den verdampften zweiten Anteil der tiefkalten Flüssigkeit, oder den Teil hiervon, der der weiteren Nutzung zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zugeführt wird, zumindest teilweise der aus der zweiten Destillationssäule entnommenen tiefkalten Flüssigkeit vor der Druckaufbauverdampfung zuzuspeisen. Hierbei erfolgt insbesondere eine Verflüssigung vor der Zuspeisung, so dass eine vollständige stoffliche Nutzung des Sauerstoffs in dem Gas vorliegen kann, wie nachfolgend erläutert. Es kann aber grundsätzlich auch eine gasförmige Einspeisung in eine entsprechende Destillationssäule und dortige Verflüssigung erfolgen.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung umfasst, wie bereits grundsätzlich angesprochen, dass der verdampfte zweite Anteil der tiefkalten Flüssigkeit, oder der Teil hiervon, der der weiteren Nutzung zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zugeführt wird, zumindest teilweise im Sumpfaufkocher der zweiten Destillationssäule abgekühlt wird.
Wie erwähnt, entstehen bei dem Druckaufbau ca. 15% Verlust. Nutzbar gemacht werden können bis zu ca. 93% dieser Menge. Dadurch sinkt der Gesamtverlust auf nur noch ca. 1%. Diese Grenze ist mit der Auslegung des Sumpfaufkochers zu erklären in der Regel werden diese Sumpfaufkocher mit einer minimalen Temperaturdifferenz zwischen zu verdampfenden und zu kondensierenden Strömen von > 1 K ausgelegt.
Da das Gas (der zweite Anteil oder ein Teil hiervon) hierbei durch Flüssigsauerstoff (im Sumpf der Destillationssäule) verflüssigt wird, liegt der minimale Druck des Flüssigsauerstoffs im Sumpfaufkocher bei ca. 300 mbar oberhalb des Drucks im Sumpf der Destillationssäule. Durch weitere Leitungs- und Ventildruckverlust auf dem Weg von den Tanks in der Druckaufbauverdampfung zum Sumpfaufkocher ist der minimale Druck des Gases auf einen Wert von ca. 500 oder zumindest 400 mbar oberhalb des Kolonnensumpfs limitiert. Dies bedeutet, dass der zweite Anteil, bei einer Entspannung von beispielsweise 11 bara auf einen entsprechenden Druckwert nutzbar gemacht werden kann. Das Gas auf einem tieferen Druckniveau muss demzufolge weiterhin in die Atmosphäre abgeblasen werden.
In einerweiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der verdampfte zweite Anteil der tiefkalten Flüssigkeit, oder der Teil hiervon, der der weiteren Nutzung zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zugeführt wird, zumindest teilweise in einem weiteren Wärmetauscher der Luftzerlegungsanlage abgekühlt werden.
Bei dem weiteren Wärmetauscher kann es sich insbesondere um einen Wärmetauscher handeln, der Flüssigstickstoff, der aus Kopfgas der ersten Destillationssäule gebildet wird, zur Bereitstellung eines Flüssigstickstoffprodukts unterkühlt wird. Auf diese Weise verflüssigter Sauerstoff kann der tiefkalten Flüssigkeit zugespeist werden. Bei Einsatz eines Sumpfaufkochers in einer zweiten Destillationssäule der erläuterten Art kann der minimale Druck hier auf einen Wert von ca. 200 mbar oberhalb des Drucks im Sumpf der Destillationssäule zuzüglich dem Wärmetauscherdruckverlust abgesenkt werden. Dies entspricht den Leitungs- und Ventildruckverlusten. Die Energieersparnis beträgt für ein das oben genannte Fallbeispiel 101 kW (1,4%).
Grundsätzlich ist aber auch eine Abkühlung im Hauptwärmetauscher, mit vergleichbaren Einsparungseffekten, möglich. Auf diese Weise kann die vorliegende Erfindung mit minimalen Eingriffen in das Gesamtsystem der Luftzerlegungsanlage implementiert werden.
Ist eine thermische Nutzung vorgesehen, wird der zweite Anteil zur Übertragung von Wärme auf diesen ebenfalls zumindest teilweise durch einen Wärmetauscher geführt und dabei aber erwärmt. Auch dies kann in einem separaten Wärmetauscher oder im Hauptwärmetauscher erfolgen. Der zweite Anteil kann dabei separat (d.h. ohne mit weiterem Fluid vermischt zu werden) oder gemeinsam mit weiterem Fluid, beispielsweise Restgas aus der Luftzerlegungsanlage oder einem anderen Fluid, das insbesondere auf einem geringeren Druckniveau als der zweite Anteil vorliegen kann, erwärmt werden. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für Verfahren zur Herstellung von tiefkalter Flüssigkeit und einem Sauerstoffprodukt mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 99 Molprozent, insbesondere mehr als 99,5 oder 99,9 Molprozent.
Nur der Vollständigkeit halber wird hier nochmals festgehalten, dass in einem entsprechenden Verfahren in der Druckaufbauverdampfung vorteilhafterweise ein Tanksystem mit einem oder mehreren abwechselnd befüllten und entleerten Tanks verwendet wird, wobei jeweils der befüllte Tank durch Verdampfen des zweiten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit druckbeaufschlagt und der zweite Anteil der tiefkalten Flüssigkeit aus dem jeweils entleerten Tank ausgeleitet wird. Durch diesen Betrieb ergibt sich ein schwallartiger bzw. pulsierender Anfall des zweiten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit, also des verflüssigenden Gases. Dieses kann daher vorteilhafterweise zumindest zeitweise zwischengespeichert werden, insbesondere in einem Puffertank.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage, bezüglich derer auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch ausdrücklich verwiesen wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage, die vorzugsweise zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, wie es zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde, profitiert von den zuvor bereits erwähnten Vorteilen in gleicher Weise.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in vereinfachter Darstellung.
Figur 2 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in vereinfachter Teildarstellung.
Figur 3 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in vereinfachter Teildarstellung. Figur 4 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in vereinfachter Teildarstellung.
Figur 5 veranschaulicht eine Druckaufbauverdampfung für eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Werden nachfolgend jeweils Verfahrensschritte beschrieben, gelten diese auch für die für diese Verfahrensschritte verwendeten Einrichtungen und umgekehrt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
Der Luftzerlegungsanlage 100 wird aus der Atmosphäre A Luft in Form eines Einsatzluftstroms a über ein Filter 1 zugeführt, in einem Hauptluftverdichter 2 verdichtet, in einem nicht gesondert bezeichneten Nachkühler und einem Direktkontaktkühler mit Wasser W gekühlt, in einer Adsorberstation 4 getrocknet und von Kohlendioxid befreit, einem Hauptwärmetauscher 5 warmseitig zugeführt, in dem Hauptwärmetauscher 5 nahezu bis zum kalten Ende geführt, und in eine erste Destillationssäule 11 eines Destillationssäulensystems 10 eingespeist. Die Einspeisung erfolgt dabei teilweise ohne weitere Abkühlung in Form eines Stoffstroms a1 , teilweise nach Abkühlung in einem Sumpfaufkocher 121 im Sumpf einer zweiten Destillationssäule 12 des Destillationssäulensystems 10.
Die Luftzerlegungsanlage 100 ist zur Durchführung eines SPECTRA-Verfahrens ausgebildet, wozu zwei flüssige Stoffströme b und c an unterschiedlichen Positionen, d.h. über einen Seitenabzug und aus dem Sumpf, aus der ersten Destillationssäule 11 entnommen, jeweils im Hauptwärmetauscher 5 unterkühlt, entspannt und in einem Wärmetauscher 111 gegen kondensierendes Kopfgas der ersten Destillationssäule 11 verdampft. Flüssigstickstoff kann beispielsweise aus einem Speicher I zugespeist werden. Der Stoffstrom b wird danach zumindest zum Teil in einem mit einer Entspannungsmaschine 7 und einer nicht gesondert bezeichneten Bremse gekoppelten Verdichter 6 rückverdichtet, im Hauptwärmetauscher 5 wieder abgekühlt, und in die erste Destillationssäule 11 zurückgespeist. Der Stoffstrom cwird zumindest zum Teil im Hauptwärmetauscher 5 erwärmt, in der Entspannungsmaschine 7 entspannt und aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet.
Das Kopfgas wird der ersten Kolonne 11 in Form eines Stoffstroms c entnommen, welcher dann in einen Teilstrom c1 , der in den Wärmetauscher 111 geleitet und dort verflüssigt wird, und einen Teilstrom c2, der als Produkt N1, N2 aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet wird, aufgeteilt. Nach der Verflüssigung wird der Stoffstrom c1 zum Teil auf die erste Kolonne 11 als Rücklauf zurückgeführt. Ein weiterer Anteil kann nach Unterkühlung in einem Wärmetauscher 8 gegen einen Teil von sich selbst abgekühlt und als Flüssigstickstoffprodukt C ausgeleitet werden. Ein Teil kann als Purgestrom P aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet werden.
Die zweite Destillationssäule 12 wird mit einem flüssigen Seitenstrom d aus der ersten Destillationssäule 11 gespeist, der in dem Sumpfaufkocher 121 unterkühlt und dann am Kopf auf die zweite Destillationssäule 12 aufgegeben wird. Ein Sauerstoffprodukt wird durch tiefkalte, sauerstoffreiche Flüssigkeit gebildet, die in Form eines Stoffstroms e aus dem Sumpf der zweiten Destillationssäule 12 entnommen wird. Nach Zuspeisung eines weiteren Stoffstroms (siehe unten) wird der Stoffstrom e als Flüssigsauerstoff einer Druckaufbauverdampfung 20 zugeführt (siehe zu den Details unten und Verknüpfung E in Figur 1).
Vom Kopf der zweiten Destillationssäule wird Unreinstickstoff in Form eines Stoffstroms f abgezogen und nach Vereinigung unter anderem mit dem entspannten Stoffstrom c im Hauptwärmetauscher 5 erwärmt und an die Atmosphäre A abgegeben und/oder als Regeneriergas in der Adsorberstation 4 genutzt.
Eine weitere Behandlung des Flüssigsauerstoffs des Stoffstroms e erfolgt in der stark vereinfacht veranschaulichten Druckaufbauverdampfung 20. Zu Details sei auch auf Figur 4 verwiesen. Flüssigsauerstoff, der in der Druckaufbauverdampfung 20 druckbeaufschlagt wurde, wird in Form eines Stoffstroms g zu einer Entnahme G ausgeleitet. Es ist auch möglich, diesen Flüssigsauerstoff, wie mit K veranschaulicht, einer Verdampfung im Hauptwärmetauscher 5 zu unterwerfen und aus der Luftzerlegungsanlage 100 auszuleiten. Bei der Druckaufbauverdampfung anfallendes Gas wird entweder an die Atmosphäre abgegeben, wie hier mit V veranschaulicht, in einer hier dargestellten Ausgestaltung der Erfindung aber teilweise durch den Sumpfaufkocher 121 geführt und dem Stoffstrom e zugespeist. Auf diese Weise erfolgt eine stoffliche Nutzung. Auch eine Wärmeintegration im Hauptwärmetauscher 5 kann erfolgen, wie mit K veranschaulicht.
In den Figuren 2, 3 und 4 ist jeweils Teil einer Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht, die zusätzlich zu den dargestellten Komponenten beispielsweise jene der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 aufweisen kann. Die Einbindung ist über die veranschaulichten Stoffströme, unter anderem die Stoffströme a2, d, e und f ersichtlich. Es ist jeweils ein Pufferspeicher 21 vorgesehen. Dieser vermag die periodisch anfallenden Gasmengen aus der Druckaufbauverdampfung 20, wie zu Figur 5 erläutert, abzupuffern, um diese kontinuierlich der Nutzung zuzuführen.
Während in der Ausgestaltung gemäß Figur 2 die Nutzung des Stoffstroms h im Wesentlichen wie in der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 erfolgt, ist dies in der Ausgestaltung gemäß Figur 3 nicht der Fall. Hier wird der Stoffstrom h direkt die zweite Destillationssäule 12 eingespeist. Alternativ ist auch die thermische Nutzung in dem Wärmetauscher 8, der in Figur 4 der besseren Unterscheidbarkeit halber mit 8' bezeichnet und mit entsprechenden zusätzlichen Passagen ausgestattet ist, möglich. Der ebenfalls nur der besseren Unterscheidbarkeit halber stromab des Wärmetauschers 8' mit h' bezeichnete Stoffstrom h kann dann insbesondere dem Stoffstrom e zugespeist werden.
Es versteht sich, dass die in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Merkmale auch kombiniert werden können. So kann beispielsweise in allen Fällen ein Betrieb mit oder ohne Pufferspeicher 21 und mit oder ohne thermische Nutzung in einem Wärmetauscher 8' erfolgen. Die in den Figuren 1 bis 4 veranschaulichten Arten der Nutzung können jeweils auch nur die Verwendung von Teilströmen des Stoffstroms h umfassen, wobei weitere Teilströme anderweitig genutzt werden können.
Figur 5 veranschaulicht eine Druckaufbauverdampfung 20 für eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung. Die Druckaufbauverdampfung ist auch hier mit 20 bezeichnet. Die Druckaufbauverdampfung 20 kann insbesondere der in der EP 3 193 114 A1 beschriebenen Druckaufbauverdampfung entsprechen, aber auch hiervon abweichen. Generell ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Nutzung von Gas, das in einer Druckaufbauverdampfung gebildet wird, vorgesehen. Dieses Gas fällt insbesondere nach dem Abtanken, d.h. nach dem Entleeren eines in der Druckaufbauverdampfung druckbeaufschlagten Tanks bei der anschließenden Entspannung zur Wiederbefüllung an. Daher eignet sich die vorliegende Erfindung für alle Fälle der Druckaufbauverdampfung, bei denen eine entsprechende Entleerung von Tanks erfolgt.
Wesentlicher Bestandteil der Druckaufbauverdampfung 20 ist ein Doppeltanksystem, das hier insgesamt mit 70 bezeichnet ist, und das zwei Tanks 71 und 72 aufweist. Mittels einer Pumpe 55 kann die tiefkalte Flüssigkeit des Fluidstroms e, hier mit 41 bezeichnet, druckerhöht werden. Die Pumpe 55 ist jedoch nicht zwingend erforderlich, falls der Druckaufbau durch Verdampfung alleine ausreicht. Bei der Druckaufbauverdampfung 20 wird die Pumpe 55 regelmäßig weggelassen und die tiefkalte Flüssigkeit des Stroms 41 wird auf dem Destillationsdruck in der zweiten Destillationssäule 12 in die Tanks 71 bzw. 72 eingespeist.
Das Tanksystem 70 ist mit einer Druckaufbauverdampfungseinrichtung 75 ausgestattet. In der Druckaufbauverdampfungseinrichtung 75 wird ein flüssig den Tanks 71 bzw. 72 entnommener Anteil der tiefkalten Flüssigkeit des Stroms 41 verdampft. Das verdampfte und unter einem erhöhten Druck vorliegende Gas wird einem Kopfraum der Tanks 71 bzw. 72 zugeführt. Auf diese Weise lässt sich die Pumpe 55 einsparen und es kann ausschließlich eine Druckaufbauverdampfung zum Einsatz kommen. Es wird jedoch offensichtlich, dass hierbei ein Teil des Produkts in die Gasphase überführt wird. Wird die tiefkalte Flüssigkeit dem jeweiligen Tank 71, 72 entnommen, verbleibt die Gasphase. Diese wird in herkömmlichen Verfahren, wie hier und zuvor mit V veranschaulicht, an die Atmosphäre abgeblasen. Stattdessen sieht die hier veranschaulichte Ausgestaltung der Erfindung vor, einen Teil in Form des Stoffstroms h wie zuvor erläutert zu verwenden.
Der druckerhöhte Fluidstrom 41 wird entweder dem Tank 71 oder dem Tank 72 zugeführt und dann druckbeaufschlagt. Dabei werden die Tanks 71 und 72 alternativ zueinander mit der tiefkalten Flüssigkeit des Fluidstroms 41 beschickt, d.h. während eines ersten Zeitraums wird die tiefkalte Flüssigkeit des Fluidstroms 41 dem ersten Tank 71 und nicht dem zweiten Tank 72 und während eines zweiten Zeitraums dem zweiten Tank 72 und nicht dem ersten Tank 71 zugeführt. Zur Ansteuerung entsprechend eingesetzter Ventile 71a und 72a kann beispielsweise eine Tanksteuerung 80 vorgesehen sein.
Ferner wird stets jenem der Tanks 71, 72, dem momentan keine tiefkalte Flüssigkeit des Fluidstroms 41 zugeführt wird, tiefkalte Flüssigkeit entnommen Diese kann generell direkt nach der Entnahme ausgeleitet werden. In der dargestellten
Ausgestaltung wird diese jedoch unerwärmt in einen weiteren Tank 73 überführt. Beispielsweise kann bei vollständiger Befüllung des weiteren Tanks 73 auch vorgesehen sein, wie hier mittels einer Leitung 74 veranschaulicht, entsprechendes Fluid direkt weiter zu leiten und einer Erwärmung zuzuführen. Die Erwärmung des Fluids kann, wie ebenfalls erwähnt, beispielsweise in einem Hauptwärmetauscher 5 einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage, beispielsweise der Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1, und/oder in einem zusätzlichen Verdampfer 90 erfolgen.
Die tiefkalte Flüssigkeit kann jedoch auch in flüssigem Zustand aus dem weiteren Tank 73 entnommen und in einem Lagertank 76 bis zur Verwendung flüssig gespeichert werden. Auch weitere Entnahmen stromauf und/oder stromab des weiteren Tanks 73 sind grundsätzlich möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bereitstellung eines Sauerstoffprodukts unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (10), bei dem dem Destillationssäulensystem (10) eine tiefkalte Flüssigkeit entnommen wird, wobei ein erster Anteil der tiefkalten Flüssigkeit durch Verdampfen eines zweiten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit einer Druckaufbauverdampfung (20) unterworfen und das Sauerstoffprodukt unter Verwendung zumindest eines Teils des ersten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des verdampften zweiten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit einer Nutzung zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die weitere Nutzung eine stoffliche Nutzung und/oder eine thermische Nutzung und/oder eine Drucknutzung umfasst.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Destillationssäulensystem (10) eine erste Destillationssäule (11) umfasst, wobei aus der ersten Destillationssäule (11) Flüssigkeit entnommen, entspannt und gegen kondensierendes Kopfgas der ersten Destillationssäule (11), das zumindest teilweise auf die erste Destillationssäule (11) zurückgeführt wird, verdampft wird, wobei die verdampfte Flüssigkeit zumindest teilweise rückverdichtet und in die erste Destillationssäule (11) zurückgespeist wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem aus der ersten Destillationssäule (11) weitere Flüssigkeit entnommen, entspannt, gegen das kondensierende Kopfgas der ersten Destillationssäule (11) verdampft, und zumindest teilweise aus der Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das Destillationssäulensystem (10) eine aus der ersten Destillationssäule (11) gespeiste zweite oder eine beliebige weitere, der ersten Destillationssäule (11) nachgeschaltete Destillationssäule (12) umfasst, wobei die zweite oder weitere Destillationssäule (12) unter Verwendung eines Sumpfaufkochers (121) betrieben wird und aus der zweiten oder weiteren Destillationssäule (12) die tiefkalte Flüssigkeit entnommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der verdampfte zweite Anteil der tiefkalten Flüssigkeit, oder der Teil hiervon, der der weiteren Nutzung zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zugeführt wird, zumindest teilweise in die zweite Destillationssäule (12) eingespeist wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der verdampfte zweite Anteil der tiefkalten Flüssigkeit, oder der Teil hiervon, der der weiteren Nutzung zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zugeführt wird, zumindest teilweise der aus der zweiten Destillationssäule (12) entnommenen tiefkalten Flüssigkeit vor der Druckaufbauverdampfung zugespeist wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der verdampfte zweite Anteil der tiefkalten Flüssigkeit, oder der Teil hiervon, der der weiteren Nutzung zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zugeführt wird, zumindest teilweise im Sumpfaufkocher (121) der zweiten oder weiteren Destillationssäule (12) abgekühlt wird, der die tiefkalte Flüssigkeit entnommen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem der verdampfte zweite Anteil der tiefkalten Flüssigkeit, oder der Teil hiervon, der der weiteren Nutzung zur Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zugeführt wird, zumindest teilweise in einem weiteren Wärmetauscher (8') und/oder im Hauptwärmetauscher (5) der Luftzerlegungsanlage (100) abgekühlt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die tiefkalte Flüssigkeit und das Sauerstoffprodukt einen Sauerstoffgehalt von mehr als 99 Molprozent aufweisen.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in der Druckaufbauverdampfung (20) ein Tanksystem mit einem oder mehreren abwechselnd befüllten und entleerten Tanks (71, 72) verwendet wird, wobei jeweils der befüllte Tank (71, 72) durch Verdampfen des zweiten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit druckbeaufschlagt und der zweite Anteil der tiefkalten Flüssigkeit aus dem jeweils entleerten Tank (71, 72) ausgeleitet wird.
12. Luftzerlegungsanlage (100), die zur Bereitstellung eines Sauerstoffprodukts eingerichtet ist, mit einem Destillationssäulensystem (10) und Mitteln, die dafür eingerichtet sind, dem Destillationssäulensystem (10) eine tiefkalte Flüssigkeit zu entnehmen, wobei Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, einen ersten Anteil der tiefkalten Flüssigkeit durch Verdampfen eines zweiten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit einer Druckaufbauverdampfung zu unterwerfen und das Sauerstoffprodukt unter Verwendung zumindest eines Teils des ersten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit bereitzustellen, gekennzeichnet durch Mittel, die dafür eingerichtet sind, zumindest einen Teil des verdampften zweiten Anteils der tiefkalten Flüssigkeit nach der Druckerhöhung einer weiteren Nutzung zur
Bereitstellung des Sauerstoffprodukts zuzuführen.
13. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 12, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist.
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