[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage
und eine Vorrichtung mit einer Luftzerlegungsanlage zur Bereitstellung eines Sauerstoffproduktes
mit vorgegebener Sauerstoffkonzentration.
[0002] In vielen modernen Industrieanlagen werden Industriegase, wie insbesondere Sauerstoff
benötigt. Z. B. werden Hochöfen meist mit Sauerstoff-angereichter Luft betrieben,
um eine effizientere Oxidation- und Reduktionsreaktion zu gewährleisten. Dazu wurden
in der Vergangenheit Luftzerlegungsanlagen in der Nähe der Hochofenanlagen gebaut,
um für den Hochofenprozess geeignete Sauerstoff-angereicherte Luft bereitzustellen.
[0003] In der Regel genügt bei Verbrennungsprozessen mit Sauerstoff-angereichter Luft ein
Sauerstoffgehalt von 30% bis 40% aus. Daher hat man in der Vergangenheit nur einfache
Luftzerleger, die in der Regel nach dem Einsäulenverfahren Luft rektifizieren und
ein Sauerstoffprodukt mit einem Sauerstoffgehalt um die 40% liefern, eingesetzt. Die
US 3,143,412 oder
US 4,732,597 offenbaren beispielsweise Verfahren und Anlagen, um mittelreine Sauerstoffprodukte
für Hochofenanwendungen bereitzustellen.
[0004] Moderne Luftzerlegungsanlagen stellen meist, wenn insbesondere auch Luftbestandteile,
wie Argon rektifiziert werden, hochreine Sauerstoffprodukte von einem Molgehalt von
über 99% Sauerstoff bereit. Für die meisten industriellen Anwendungen wird jedoch
kein entsprechend hochreiner Sauerstoff, beispielsweise in Verbrennungsprozessen,
verwendet. Die Bereitstellung von einem derart überreinen Sauerstoffprodukt durch
die Luftzerlegungsanlage kann daher ineffizient sein.
[0005] Da oftmals empfindliche Oxidationsvorgänge mit dem von einer Luftzerlegungsanlage
gelieferten Sauerstoffprodukt betrieben werden, ist es auch gewünscht, die übrigen
Bestandteile des anschließend verwendeten Sauerstoffproduktes gezielt kontrollieren
zu können, was bei dem Beispiel der Hochofenbefeuerung nicht nötig ist.
[0006] Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren oder eine Vorrichtung
oder Anlage zum aufwandsgünstigen Bereitstellen eines Liefersauerstoffproduktes mit
einem vorgegebenen Sauerstoffgehalt zu schaffen.
[0007] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung
gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
[0008] Demgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage vorgesehen, wobei
die Luftzerlegungsanlage ein hochreines Sauerstoffprodukt mit einem vorgegebenen Sauerstoffgehalt
und zumindest ein weiteres Luftzerlegungsprodukt bereitstellt. Bei dem Verfahren erfolgt
ein Vorbehandeln und Zuführen von Umgebungsluft in einen Luftzerlegungsprozess der
Luftzerlegungsanlage als druckbeaufschlagte Prozessluft. Ferner wird das hochreine
Sauerstoffprodukt mit der Prozessluft zu einem Liefersauerstoffprodukt mit einem vorgegebenen
Sauerstoffgehalt gemischt.
[0009] Übliche Luftzerlegungsanlagen, die auch als ASU (= Air Separation Units) bezeichnet
werden, liefern hochreine Sauerstoffprodukte mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 99,8
%. Allerdings versteht man auch noch unter einem Sauerstoffprodukt mit einem Sauerstoffgehalt
von über 90% ein hochreines Sauerstoffprodukt.
[0010] Als weiteres Luftzerlegungsprodukt kommt insbesondere gasförmiger oder auch flüssiger
Stickstoff in Frage. Der einer Luftzerlegungsanlage entnommene hochreine Stickstoff
hat in der Regel lediglich 1ppm (parts per million) Sauerstoffgehalt.
[0011] Das Vorbehandeln und Zuführen von Umgebungsluft als druckbeaufschlagte Prozessluft
umfasst häufig das Filtern von Umgebungsluft, Verdichten dieser gefilterten Umgebungsluft
und insbesondere die Reinigung und Abkühlung z. B. durch Verdunstungskühler und Molekularsiebabsorber,
um die Prozessluft zu erzeugen. Die Prozessluft ist im Wesentlichen frei von Staubpartikeln,
ferner sind Schwefeloxyde und Ammoniak herausgewaschen und etwaige in der Umgebungsluft
vorliegende Kohlenwasserstoffe und CO
2 werden zum Beispiel durch Molekularsiebabsorbern aus der Luft entfernt. Der in der
Luftzerlegungsanlage durchgeführte Luftzerlegungsprozess orientiert sich üblicherweise
am Linde-Verfahren, kann durch einen Zweisäulenapparat vollzogen werden und erfolgt
vorzugsweise nach dem Prinzip der Innenverdichtung.
[0012] Es ist ein Vorteil, das hochreine Sauerstoffprodukt mit der Prozessluft zu dem Liefersauerstoffprodukt
zu mischen, da die Prozessluft einerseits bereits gereinigt für die Luftzerlegungsanlage
vorliegt und andererseits auch für den Luftzerlegungsprozess auf einen überhöhten
Druck von z. B. etwa 4 bis 5 bar gebracht ist. Für Prozessluft sind auch die Bezeichnungen
Steuerluft oder Instrumentenluft geläufig. Die Prozessluft wird in der Regel dem Hauptwärmetauscher
der Luftzerlegungsanlage zugeführt und kann dort für Mischzwecke abgegriffen oder
mit einer Leitung abgezweigt werden.
[0013] Bei einer alternativen Variante eines Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage,
welche ein hochreines Sauerstoffprodukt mit einem vorgegebenen Sauerstoffgehalt und
zumindest ein weiteres Luftzerlegungsprodukt bereitstellt, sind die Schritte vorgesehen:
Vorbehandeln und Zuführen von Umgebungsluft in einen Luftzerlegungsprozess der Luftzerlegungsanlage
als druckbeaufschlagte Prozessluft, und Mischen des hochreinen Sauerstoffprodukts
mit dem weiteren Luftzerlegungsprodukt zu einem Liefersauerstoffprodukt mit einem
vorgegebenen Sauerstoffgehalt.
[0014] Das weitere Luftzerlegungsprodukt, wie beispielsweise ein Stickstoffprodukt, kann
dem Rektifikationskreislauf der Luftzerlegungsanlage einfach entnommen werden. Da
insbesondere Stickstoff in besonders reinem Grad vorhanden ist (mit nur 1 ppm Sauerstoffgehalt)
wird eine besonders präzise Einstellung des Sauerstoffgehaltes für das Liefersauerstoffprodukt
möglich. Beim Mischen oder Verschneiden des hochreinen Sauerstoffproduktes aus dem
Luftzerlegungsprozess mit dem Stickstoffprodukt ist daher ein besonders wohldefiniertes
Liefersauerstoffprodukt für den Kunden erzielbar.
[0015] Es ist auch denkbar, dass als weiteres Luftzerlegungsprodukt ein Edelgasprodukt,
wie Argon, verwendet wird. Sofern Oxidations- oder Verbrennungsprozesse mit dem Liefersauerstoffprodukt
der vorgegebenen Sauerstoffkonzentration betrieben werden, kann durch Vermischen des
hochreinen oder überreinen Sauerstoffproduktes aus dem Luftzerlegungsprozess mit Argon
das Entstehen von schädlichen Stickoxiden praktisch ausgeschlossen werden.
[0016] Es ist auch möglich, das Vermischen mit Prozessluft und einem der weiteren Luftzerlegungsprodukte
vorzunehmen. Allerdings kann auch ausschließlich ein Stickstoffprodukt als weiteres
Luftzerlegungsprodukt mit dem hochreinen Sauerstoffprodukt gemischt werden, um für
den jeweiligen weiteren Kundenprozess notwendige Sauerstoffkonzentration einzustellen.
[0017] Eine Vorrichtung zur Bereitstellung von einem Liefersauerstoffprodukt mit einem vorgegebenen
Sauerstoffgehalt umfasst eine Luftzerlegungsanlage, welche ein hochreines Sauerstoffprodukt
mit einem vorgegebenen Sauerstoffgehalt und zumindest ein weiteres Luftzerlegungsprodukt
bereitstellt. Es ist eine Luftreinigungs- und Trocknungseinrichtung zur Bereitstellung
von vorbehandelter Prozessluft und eine Mischeinrichtung zum Mischen des hochreinen
Sauerstoffproduktes mit der Prozessluft und/oder dem weiteren Luftzerlegungsprodukt
zu einem Liefersauerstoffprodukt mit einem vorgegebenen Sauerstoffgehalt vorgesehen.
Eine entsprechende Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung eines der
vorstehend beschriebenen Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage.
[0018] Die Vorrichtung kann z. B. eine Leitstelleneinrichtung zum Steuern der Luftzerlegungsanlage
und der Mischeinrichtung aufweisen, wobei die Leitstelleneinrichtung derart eingerichtet
ist, dass ein Verfahren, wie vorstehend erläutert, durchgeführt wird.
[0019] Anders als bei bekannten Verfahren und Anlagen zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage
zur Bereitstellung eines Liefersauerstoffproduktes, liefert der hier betrachtete Luftzerlegungsprozess
des Luftzerlegers ein hochreines Sauerstoffprodukt, also mit mindestens 99% Sauerstoffgehalt.
Bei konventionellen Vorgehensweise, wie es beispielsweise in der
JP 2002-286361 beschrieben ist, werden einfache, meist Einsäulen-Rektifikationsanlagen verwendet.
Es ist dann auch notwendig, um ein Liefersauerstoffprodukt mit geeignetem Sauerstoffgehalt
zu gewinnen, weitere, beispielsweise in Gasflaschen vorliegenden Sauerstoff mittelreinen
Prozessprodukt beizumischen. Bisher werden auch keine Lieferprodukte mit einem Sauerstoffgehalt
zwischen 90% und 99% betrachtet.
[0020] In einer bevorzugten Variante des Verfahrens zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage
oder einer Vorrichtung zur Bereitstellung von einem Liefersauerstoffprodukt hat das
Liefersauerstoffprodukt einen Sauerstoffgehalt von 98,5%. Das Sauerstoffprodukt mit
98,5% eignet sich insbesondere zur Verwendung in glastechnischen Anlagen.
[0021] In einer weiteren bevorzugten Variante des Verfahrens zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage
oder einer Vorrichtung zur Bereitstellung von einem Liefersauerstoffprodukt beträgt
der Sauerstoffgehalt des Liefersauerstoffproduktes zwischen 99% und 99,5%. Dabei hat
das hochreine Sauerstoffprodukt vorzugsweise einen Sauerstoffgehalt von 99,8%.
[0022] Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte
Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen
Merkmale, Verfahrensschritte oder Aspekte. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte
als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
[0023] In einer Variante der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, welches
die Durchführung eines entsprechenden Verfahrens zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage
auf einer programmgesteuerten Rechner- oder Steuereinrichtung veranlasst. Als programmgesteuerte
Rechner- oder Steuereinrichtung kommt zum Beispiel ein PC oder ein Rechner einer Leitwarte
zur Steuerung und Regelung von Anlagen, insbesondere Luftzerlegungsanlagen, in Frage,
auf dem entsprechende Software installiert ist. Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise
in der Art eines Datenträgers wie zum Beispiel USB-Stick, Floppy-Disk, CD-ROM, DVD
implementiert werden oder auch auf einer Servereinrichtung als herunterladbare Programmdatei
implementiert sein.
[0024] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme
auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
[0025] Es zeigt dabei:
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer ersten Vorrichtung zur Durchführung eines
Verfahrens gemäß einer ersten Variante zum Bereitstellen von einem Sauerstoffprodukt
mit vorgegebenem Sauerstoffgehalt;
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Vorrichtung zur Durchführung eines
Verfahrens gemäß einer zweiten Variante zum Bereitstellen von einem Sauerstoffprodukt
mit vorgegebenem Sauerstoffgehalt;
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer dritten Vorrichtung zur Durchführung eines
Verfahrens gemäß einer dritten Variante zum Bereitstellen von einem Sauerstoffprodukt
mit vorgegebenem Sauerstoffgehalt;
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Luftzerlegungsanlage mit einer Variante
einer Mischeinrichtung zur Bereitstellung von einem Sauerstoffprodukt mit vorgegebenem
Sauerstoffgehalt;
Fig. 5: eine Teildarstellung einer Luftzerlegungsanlage mit einer zweiten Variante
einer Mischeinrichtung zur Bereitstellung von einem Sauerstoffprodukt mit vorgegebenem
Sauerstoffgehalt; und
Fig. 6: ein beispielhaftes Verfahrensfließbild einer Luftzerlegungsanlage, die sich
zur Durchführung eines Verfahrens zum Bereitstellen von einem Sauerstoffprodukt mit
vorgegebenem Sauerstoffgehalt eignet.
[0026] In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen
versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
[0027] In der Fig. 1 ist eine Variante einer Vorrichtung zum Bereitstellen eines Sauerstoffproduktes
mit vorgegebenem Sauerstoffgehalt schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst
eine Luftzerlegungsanlage 2, welche Umgebungsluft rektifiziert bzw. einer Gegenstromdestillation
unterzieht. In der Regel umfasst eine Luftzerlegungsanlage 2 eine Luftreinigungs-
und Trocknungseinrichtung 3, der über eine Umgebungsluftleitung 6 Umgebungsluft zugeführt
wird. Die Luftreinigungs- und Trocknungseinrichtung 3 filtert Staubpartikel und andere
für den Luftzerlegungsprozess störende Bestandteile wie Stick- oder Schwefeloxide
und Kohlenwasserstoffe aus der Umgebungsluft heraus und kühlt diese auch ab. Die derart
vorbehandelte Umgebungsluft wird als Prozessluft einer Prozessluftleitung 7 zugeführt,
welche in einem Luftzerlegungsprozess, der in der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet
ist, und durch eine Code-Box implementiert werden kann.
[0028] Ein Luftzerlegungsverfahren bzw. -Prozess liefert dann bei geeigneter Implementierung
ein hochreines Sauerstoffprodukt an einer Sauerstoffleitung 9, ein hochreines Stickstoffprodukt
an einer Stickstoffleitung 10 und bei geeigneter Ausgestaltung der Code-Box ferner
Argon an einer Argonleitung 11. An der Luftreinigungs- und Trocknungseinrichtung 3
wird weitere Prozessluft abgegriffen und an einer Prozessluftleitung 8 bereitgestellt.
[0029] Für viele Anwendungen ist der höchstreine Sauerstoff, welcher an der Sauerstoffleitung
9 abgegriffen wird, nicht notwendig oder unerwünscht. Beispielsweise liefern handelsübliche
Luftzerlegungsanlagen, die auch einen Argonkreislauf haben, ein Sauerstoffprodukt
mit 99,8% Sauerstoffgehalt. Beispielsweise bei glasindustriellen Anwendungen wird
lediglich eine Reinheit von 98,5% Sauerstoffgehalt benötigt. Daher ist eine Mischeinrichtung
5 vorgesehen, der über die Sauerstoffleitung 9 das hochreine Sauerstoffprodukt von
99,8 % Sauerstoff und der über die Prozessluftleitung 8 vorbehandelte, also gereinigte
und getrocknete Prozessluft, die auch für die eigentliche Luftzerlegung geeignet ist,
zugeführt. Mit der Mischeinrichtung 5 wird nun durch "Verdünnen" des hochreinen Sauerstoffproduktes
aus der Leitung 9 mit der Prozessluft aus der Leitung 8 ein Liefersauerstoffprodukt
erzeugt, das die gewünschte Sauerstoffkonzentration von beispielsweise 98,5% Sauerstoff
hat. Dieses Liefersauerstoffprodukt wird an einer Ausgabeleitung 12 dem eigentlichen
Abnehmer bereitgestellt.
[0030] Um das Mischen der Prozessluft mit dem hochreinen Sauerstoffprodukt zu kontrollieren,
ist ein Leitstellenrechner 100 vorgesehen, der über geeignete Steuersignale CT1, CT2
die Bestandteile der Luftzerlegungsanlage 2 und der Mischeinrichtung 5 derart steuert,
dass die gewünschten Mengen und Flüsse des hochreinen Sauerstoffproduktes und der
Prozessluft miteinander vermischt werden und als Liefersauerstoffprodukt an der Ausgabeleitung
12 vorliegen.
[0031] In der Fig. 2 ist eine zweite Variante einer Vorrichtung zum Bereitstellen von einem
Sauerstoffprodukt mit vorgegebenem Sauerstoffgehalt schematisch dargestellt. Die Vorrichtung
101 weist wiederum eine Luftzerlegungsanlage 2 auf, die geeignet ist, Umgebungsluft
an einer Rohluftleitung 6 anzunehmen und mittels eines Luftzerlegungsprozesses, beispielsweise
einem Linde-Prozess mit Innenverdichtung, einer Sauerstoffleitung 9 ein hochreines
Sauerstoffprodukt zu liefern, an einer Stickstoffleitung 10 ein hochreines Stickstoffprodukt
zu liefern und an einer Argonleitung 11 ein Argonprodukt zu liefern.
[0032] Von der Stickstoffleitung wird ein Teil des Stickstoffs der Leitung 13 abgezweigt
und einer Mischeinrichtung 5 zugeführt. Der Mischeinrichtung 5 ist ferner das hochreine
Sauerstoffprodukt durch die Leitung 9 zugeführt. Ferner ist das Stickstoffprodukt
an der Leitung 14 abrufbar. Die Mischeinrichtung 5 vermischt das hochreine Sauerstoffprodukt
der Leitung 9 mit dem hochreinen Stickstoffprodukt der Leitung 13, um ein gewünschtes
Liefersauerstoffprodukt mit der Sauerstoffkonzentration bzw. einem gewünschten Sauerstoffgehalt
von beispielsweise 98,5% an der Ausgabeleitung 12 bereitzustellen. Bei der in Fig.
2 dargestellten Variante wird ausschließlich das Stickstoffprodukt der Leitung 13
mit dem Sauerstoffprodukt der Leitung 9 vermischt.
[0033] In der Fig. 3 ist eine dritte Variante einer Vorrichtung zum Bereitstellen von einem
Sauerstoffprodukt mit vorgegebenem Sauerstoffgehalt schematisch dargestellt. Die Vorrichtung
102 weist, wie bereits zu den Fig. 1 und 2 erläutert, eine Luftzerlegungsanlage 2
auf, der über eine Rohluftleitung 6 Umgebungsluft zugeführt wird. Die Luftzerlegungsanlage
2 liefert an einer Sauerstoffleitung 9 ein hochreines Sauerstoffprodukt, mit beispielsweise
einem Sauerstoffgehalt von 99,8%. An einer Stickstoffleitung 10 ist ein Stickstoffprodukt
mit beispielsweise nur 1ppm Sauerstoff abgreifbar, und an einer Argonleitung 11 wird
flüssiges Argon mit nur 1ppm Sauerstoff oder einem 1ppm Stickstoff geliefert.
[0034] Der Mischeinrichtung 5 wird über die abgezweigte Argonleitung 15 ein Argonprodukt,
d. h. ein Edelgas, zugeführt und über die Sauerstoffleitung 9 das hochreine Sauerstoffprodukt.
In der Mischeinrichtung 5 wird beispielsweise mittels einem geeigneten Leitstellenrechner
gesteuert, der in den Figuren 2 oder 3 nicht dargestellt ist, das hochreine Sauerstoffprodukt
mit dem Argonprodukt verdünnt und an der Ausgabeleitung 12 als ein Liefersauerstoffprodukt
für den Abnehmer bereitgestellt. Das Liefersauerstoffprodukt hat dann beispielsweise
eine Zusammensetzung von 98,5% Sauerstoff und 1,5% Argon.
[0035] Es ist ferner möglich, die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Misch- oder Verdünnungs-
oder Verschnittverfahren zu kombinieren. D. h. je nach gewünschtem Sauerstoffgehalt
für das Liefersauerstoffprodukt und dessen Verwendung können das hochreine Sauerstoffprodukt
mit den weiteren Zerlegungsprodukten in beliebiger Zusammensetzung vermischt werden.
Insbesondere kann die Reinheit des Liefersauerstoffproduktes an die Anforderungen
des Kunden angepasst werden, die beispielsweise bei Raffinerien, Hochöfen, Glasindustrie
oder Erdgasbrennern unterschiedlich ist.
[0036] In der Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Luftzerlegungsanlage mit einer
ersten Variante einer Mischeinrichtung zur Bereitstellung von einem Sauerstoffprodukt
mit vorgegebenem Sauerstoffgehalt dargestellt. Die Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung 103
mit typischen Elementen einer Luftzerlegungsanlage, welche insbesondere zur kryogenschen
Argonerzeugung geeignet ist. Die Anlage oder Vorrichtung 103 umfasst im Wesentlichen
eine Kühl- und Wascheinrichtung 20 für angesaugte Umgebungsluft, Molekularsiebabsorber
22 zum Reinigen der abgekühlten und vorgefilterten Luft, einen Hauptwärmetauscher
28, die Cold-Box 29, die eine zweiteilige Kolonne oder Rektifikationssäule 31 aufweist
und optional einen Argonkreislauf 30 zur Argonrektifikation mit entsprechenden Säulen
32, 33, 34. Die eigentliche Luftzerlegungsanlage liefer an einer Sauerstoffleitung
9 das hochreine Sauerstoffprodukt mit einer Konzentration von 99,8% gasförmigem Sauerstoff
(GOX) und an einer Stickstoffleitung 10 hochreinen gasförmiger Stickstoff (GAN) mit
einem Anteil von nur 1ppm Sauerstoff. An der Cold-Box 29, 30 ist ferner an einer Flüssigsauerstoffleitung
37 hochreiner flüssiger Sauerstoff (LOX) ebenfalls mit einer Reinheit von 99,8% abgreifbar,
an einer Flüssigstickstoffleitung 36 hochreiner flüssiger Stickstoff (LIN) mit einer
Verunreinigung von nur 1ppm Sauerstoff und an einer Flüssigargonleitung 35 flüssiges
Argonprodukt (LAR) mit einer Verunreinigung von 1ppm Sauerstoff und/oder 1ppm Stickstoff
abgreifbar.
[0037] Es wird Umgebungsluft von einer Rohluftleitung 6 angesaugt und von einem Luftfilter
16 vorgereinigt. Dabei werden Partikel und Staubbestandteile aus der Luft entfernt.
Anschließend wird über eine Luftleitung 17 die entsprechend vorgefilterte Luft einem
Verdichter 18 zugeführt, und die verdichtete Luft wird über die Leitung 19 der Reinigungs-
und Waschanlage 20 zuführt. Die Reinigungsanlage kann beispielsweise Verdunstungskühler,
die mit Wasser betrieben werden, umfassen. Die derart vorgekühlte Luft wird über die
Luftleitung 21 einem Molekularsiebabsorber 22 zugeführt, um eine Feinsttrocknung zu
erzielen und Kohlendioxid- und Kohlenwasserstoffspuren in der Luft zu entfernen. Ausgangsseitig
der Molekularsiebabsorber 22 liegt dann die Prozessluft in der Leitung 23 vor. Die
Prozessluft wird über die Leitung 25 gefördert, in einem weiteren Kompressor 26 verdichtet
und über die Leitung 27 dem Hauptwärmetauscher 28 zugeführt.
[0038] In dem anschließenden Luftzerlegungsprozess nach dem Linde-Verfahren, z. B. mit Innenverdichtung,
erfolgt die Rektifikation der Luft in reinen Stickstoff, der am Kopf der jeweiligen
Kolonne vorliegt, und es entsteht Sauerstoffangereichertes Fluid am Fuß der Kolonne.
Der Rückfluss für die Rektifikation erfolgt durch Kondensation des gasförmigen Stickstoffs
in der Kolonne am siedenden Sauerstoff im Kondesorübergang zwischen der unteren Druckkolonne
und der oberen Niederdruckkolonne. Ein Teil des flüssigen Stickstoffs wird als Rückfluss
in die Druckkolonne verwendet, und der Rest wird unterkühlt und zum Kopf der Niederdruckkolonne
geführt.
[0039] Bei der anschließenden Argonrektifikation wird aus der Niederdrucksäule der Hauptkolonne
31 ein Gasstrom mit bereits etwa 4%-iger Argonkonzentration zur weiteren Rektifikation
in der Rohargon- und den weiteren Argonsäulen 32, 33, 34 abgeleitet. Entsprechende
den Argonsäulen können beispielsweise, wie in der
EP 0377117 A1 ausgeführt ist, aufgebaut werden.
[0040] Häufig werden die Luftzerlegungsanlagen, wie sie in der Fig. 4 dargestellt sind,
in der Nähe weiterer industrieller Anlagen aufgebaut, die insbesondere ein spezielles
Sauerstoffprodukt benötigen. Für bestimmte Gasbrenner in der Glasindustrie werden
beispielsweise Liefersauerstoffprodukte mit 98,5% benötigt. Insofern liefert die standardmäßig
ausgeführte Luftzerlegungsanlage an der Sauerstoffproduktleitung 9 ein überreines
Sauerstoffprodukt. Das hochreine Sauerstoffprodukt liegt beispielsweise bei einem
Druck von 1,15 bar vor. Um an einer Ausgangsleitung 49 ein Ausgangs- oder Liefersauerstoffprodukt
mit gewünschter Sauerstoffkonzentration bei beispielsweise einem Ausgabedruck von
7,0 bar zu liefern, ist eine Mischeinrichtung vorgesehen.
[0041] Dazu wird Prozessluft hinter dem Molekularsiebadsorber 22 über die Abzweigprozessluftleitung
38 abgegriffen. Die Prozessluft, die auch als Steuer- oder Instrumentenluft bezeichnet
wird, liegt dabei bei einem Druck von etwa 4,5 - 5,2 bar vor und wird dem Steuerventil
39 zugeführt. Die Sauerstoffleitung 9 spaltet in zwei Teilleitungen 41, 42 auf. Der
Leitung 42 wird einem Verdichter oder einer Turbine 46 zugeführt, der das Sauerstoffprodukt
auf einen Ausgabedruck von 7,0 bar bringt. Ferner ist die Sauerstoffleitung 41 in
eine Mischkammer 43 geführt, die auch über die Leitung 40 mit dem Regelventil 39 verbunden
ist. Die Mischkammer 43 liefert über die Leitung 44 das hochreine mit Steuer- oder
Prozessluft verschnittene Sauerstoffprodukt dem Verdichter 45 der Leitung 47, die
das verschnittene Sauerstoffprodukt bereitstellt. Die Leitungen 47, 48 führen zu der
gemeinsamen Ausgabeleitung 49. Es ist somit möglich, durch Steuern oder Regeln des
Regelventils 39, beispielsweise über die hier nicht dargestellte Leitstellensteuerung,
das überreine Sauerstoffprodukt der Leitung 9 mit bereits druckbeaufschlagter Prozessluft
zu verschneiden, um die gewünschte Ausgabekonzentration des Liefersauerstoffproduktes
mit Sauerstoff zu erzielen.
[0042] Insgesamt ist für den Kunden oder Abnehmer des Liefersauerstoffproduktes mit der
gewünschten Konzentration, wie z. B. 98,5%, die Anlage gegenüber herkömmlichen Konfigurationen
effizienter, da durch das Verschneiden mit Prozessluft mehr Lieferprodukt an der Ausgabeleitung
49 bereitstehen. Zudem ist bereits die gewünschte Konzentration an Sauerstoff für
die weitere Verwendung, beispielsweise für Gasbrenner, vorhanden. Dadurch, dass die
Prozessluft bereits mit 4,5 bar für den Zerlegungsprozess vorliegt, ist eine Mischung
in der Mischkammer besonders einfach. Ferner können zusätzliche Regelventile, beispielsweise
in der Sauerstoffleitung 41, vorgesehen werden.
In der Fig. 5 ist ein Ausschnitt einer Luftzerlegungsanlage mit einer zweiten Variante
einer Mischeinrichtung zur Bereitstellung von einem Sauerstoffprodukt mit vorgegebenem
Sauerstoffgehalt dargestellt. In dem Ausschnitt der Vorrichtung 104 ist der Hauptwärmetauscher
28 und die Cold-Box 29 dargestellt. Dem Hauptwärmetauscher 28 wird durch die Steuerluftleitung
23, 27 die zu prozessierende Luft zugeführt und anschließend in der Cold-Box 29 mit
der Rektifikationssäule 31 einem Luftzerlegungsverfahren unterzogen. Im Wesentlichen
werden dieselben Prozessschritte wie hinsichtlich der Fig. 4 erläutert durchgeführt.
[0043] An einer Sauerstoffleitung 9 ist ein überreines Sauerstoffprodukt abgreifbar und
an einer Stickstoffleitung 10 hochreines Stickstoffprodukt. Bei der in der Fig. 5
dargestellten Variante einer Vorrichtung 104 zur Bereitstellung von Sauerstoffprodukt
mit vorgegebener Konzentration wird keine Mischung mit Steuer- oder Prozessluft vorgenommen,
um eine niedrigere Konzentration als das hochreine Sauerstoffprodukt aufweist zu erzielen,
sondern das hochreine Stickstoffprodukt wird mit dem überreinen Sauerstoffprodukt
zu dem Liefersauerstoffprodukt verschnitten. Dazu wird zunächst die Sauerstoffleitung
9 in Teilzweige 51, 52, 53 aufgespaltet. Die Sauerstoffleitungen 52, 53 werden jeweils
Verdichtern 56, 57 zugeführt, welche über weitere Sauerstoffleitungen 58, 59 zu einer
gemeinsamen Ausgabeleitung 61 führen. Hochreiner Stickstoff, der auch häufig in die
Atmosphäre abgelassen wird, wird einer Verdichtung durch den Verdichter 50 unterzogen
und einem Regelventil 39 zugeführt. Der Sauerstoffzweig 51 sowie das verdichtete Stickstoffprodukt
werden einer Mischkammer 54 zugeführt, wobei je nach gewünschter Sauerstoffkonzentration
in dem Liefersauerstoffprodukt der jeweilige Gasstrom eingestellt wird. Das in der
Mischkammer 54 mit dem Stickstoff verschnittene Sauerstoffprodukt wird einem Verdichter
55 zugeführt, der über eine Ausgabeleitung 60 mit der gemeinsamen Ausgabeleitung 61
verbunden ist. An der Ausgabeleitung 61 liegt nun das mit Stickstoff verschnittene
hochreine Sauerstoffprodukt in einer Konzentration vor, wie es für die weitere Verarbeitung
gewünscht ist.
[0044] Der hochreine Sauerstoff an der Leitung 9 wie auch der hochreine Stickstoff an der
Stickstoffleitung 10 liegen üblicherweise mit einem Druck von 1,15 bar vor. Daher
erfolgt eine Verdichtung des Stickstoffproduktes durch den Verdichter 40 auf etwa
6 bar. Die Nachverdichter 55, 56, 57 bringen dann das der gemeinsamen Ausgabeleitung
61 zuzuführende Liefersauerstoffprodukt auf einen Ausgabedruck von 7 bar. Als Verdichter
bieten sich beispielsweise vier- oder mehrstufige Turboverdichter an.
[0045] Die Fig. 6 zeigt ein beispielhaftes Verfahrensfließbild einer Luftzerlegungsanlage,
die neben Sauerstoff weitere Zerlegungsprodukte liefert. Dabei sind in der Fig. 6
Abgriffsstellen 62 für die weiteren Zerlegungsprodukte dargestellt, die zum Mischen
des hochreinen Sauerstoffproduktes geeignet sind. Beispielsweise können die Abgriffspunkte
62 entweder einzeln oder auch gemeinsam mit einer Mischeinrichtung gekoppelt werden,
um ein Liefersauerstoffprodukt aus dem hochreinen Sauerstoffprodukt an der Leitung
19 mit weiteren Zerlegungsprodukten und/oder Prozessluft zu verschneiden. Die Abgriffspunkte
62 können beispielsweise an der Leitung 8 vorgesehen werden, die Prozessluft, also
verdichtete und gereinigte Luft, führt. Es kann ferner ein gasförmiges hochreines
Stickstoffprodukt an der Stickstoffleitung 10 zum Mischen mit dem hochreinen Sauerstoffprodukt
verwendet werden. Schließlich ist auch die Verschneidung oder Vermischung des hochreinen
Sauerstoffproduktes an der Leitung 9 mit dem an der Leitung 35 vorliegenden Argonprodukt
denkbar.
[0046] Im Folgenden wird die Luftzerlegungsanlage bzw. das Verfahrensfließbild 105 kursorisch
beschrieben. Es wird ein Luftzerlegungsprozess mit Innenverdichtung durchgeführt,
wobei ferner eine Argonrektifikation erfolgt. Es wird zunächst rohe Umgebungsluft
an der Luftleitung 6 angesaugt und im Filter 16 gefiltert und in einem Turbokompressor
bei beispielsweise etwa 6 bar verdichtet. Der Filter 16 entfernt Staubpartikeln vor
dem Eintritt in den Verdichter 18. Bei einer weiteren Stufe wird über einen Direktkontaktkühler
20A und Rieselverdunstungskühler 20B die angesaugte Luft gereinigt. In dem Direktkontaktkühler
20A wird die angesaugte und verdichtete Luft ausgewaschen, sodass Verunreinigungen
entfernt werden. Das verwendete Wasser in den Leitungen 86, 88 wird in dem Rieselverdunstungskühler
20B gegen getrocknetes Stickstoffrestgas aus dem Rektifikationsprozess gekühlt. In
den Molekularsiebabsorbern 22A, 22B, die alternierend verwendet werden, um eine Regeneration
der Molekularsiebe zu erlauben, werden Feuchtigkeit, Kohlendioxid oder Kohlenwasserstoffe
aus der Luft in der Leitung 21 entfernt. Schließlich steht Prozessluft in den Leitungen
23, 89 bereit.
[0047] Die Luft wird im Wärmetauscher 84 im Gegenstrom zu dem aus der Rektifikation gewonnenen
Restsauerstoffgas in der Leitung 83 nahe der Verflüssigungstemperatur gebracht. Der
Kreislaufverdichter 24 verdichtet die Prozessluft, welche im Hauptwärmetauscher 28
im Gegenstrom mit dem Sauerstoff aus der Niederdrucksäule 31A und dem Stickstoff aus
dem Kondensator 73 mittels der Innenverdichtungspumpen 75, 77 gekühlt wird. Im Haupt-
bzw. Hochdruckwärmetauscher 28 verdampft der Sauerstoff und Stickstoff, der dann als
jeweiliges Produkt an den Sauerstoff bzw. Stickstoffleitungen 9, 10 abgreifbar ist.
[0048] Die nachverdichtete praktisch flüssige Luft durchläuft einen Flüssigkeitsabscheider
65 und wird in den unteren Teil der Kolonne 31B durch die Leitung 71 zugeführt. Aus
der oberen Niederdrucksäule 31A wird der flüssige Sauerstoff über die Leitung 74 und
aus der Drucksäule 31B wird der flüssige Stickstoff über die Leitung 76 den Innenverdichtungspumpen
75, 77 zugeführt und in den Hochdruckwärmetauscher 28 gebracht. In der Drucksäule
31B wird die Luft vorzerlegt, sodass sich ein sauerstoffreicher Sumpf bildet und eine
praktisch reinen Stickstoff enthaltende Kopffraktion entsteht. Durch die Verdampferkondensator-Kombination
73 wird der verdampfende reine Sauerstoff verflüssigt. Ein Teil des Stickstoffs wird
in die Drucksäule 31B als Rückfluss geführt. In der oberen Niederdrucksäule 31A erfolgt
eine weitere Zerlegung der Vorfraktionen in reinen Sauerstoff als Sumpfprodukt, welcher
an der Leitung 74 abgegriffen wird und reinen Stickstoff als Kopfprodukt der an der
Leitung 82 abgreifbar ist.
[0049] In weiteren Rektifikationsschritten kann zudem Reinargon gewonnen werden, wobei aus
der Niederdrucksäule 31A entnommenes Sauerstoff-Argon-Gemisch in der Rohargonsäule
32 vorfraktioniert wird. Dabei wird der verbliebene Stickstoff in der Reinargonsäule
33 vollständig entfernt, sodass praktisch reines Argon als Produkt an der Leitung
35 abfällt.
[0050] Ohne auf die Einzelheiten des Rektifikationsprozesses einzugehen, seien die Produktleitungen
kurz aufgeführt. An der Rohluftleitung 6 wird Rohluft zur Rektifikation in der Anlage
eingesaugt. In der Leitung 91 ist unreiner Stickstoff abgreifbar, der z. B. in die
Atmosphäre geblasen wird. An der Sauerstoffleitung 9 ist hochreines Sauerstoffprodukt
mit meist etwa 99,8% Sauerstoffgehalt abgreifbar. An der Leitung 10 ist hochreiner
Stickstoff gasförmig greifbar. An der Leitung 74 ist flüssiger Sauerstoff in hochreiner
Form abgreifbar. An der Leitung 81 ist hochreiner Stickstoff in flüssigem Zustand
abgreifbar. An der Leitung 123 wird Stickstoff in hochreiner und gasförmiger Form
beispielsweise der Atmosphäre zugeführt. An der Leitung 35 ist flüssiges Argonprodukt
abgreifbar.
[0051] Die mit dem Kasten 62 bezeichneten Stellen eignen sich zur Ankopplung an eine Mischeinrichtung,
wie sie in den vorhergehenden Figuren beispielhaft erläutert wurde. Damit ist es möglich,
das hochreine Sauerstoffprodukt auf eine geeignete Sauerstoffkonzentration für den
Abnehmer als Liefersauerstoffprodukt zu verschneiden.
[0052] Die vorgestellten Verfahren und Anlagen eignen sich insbesondere zur Bereitstellung
von Sauerstoffprodukten für Raffinerien oder Erdgasbrenner, die mit bestimmten Sauerstoffgemischen
zu befeuern sind.
[0053] Die Durchführung des Verfahrens bzw. der angesprochenen Verfahrensschritte lässt
sich jeweils durch die in den Verfahrensfließbildern und schematischen Darstellungen
der Luftzerlegungsanlagen gezeigten Einrichtungen implementieren. Dabei ist dem Fachmann
klar, welche Verfahrenssteile welcher Einrichtung zugeordnet sind. Demgemäß sind die
Einrichtungen derart ausgestaltet das jeweilige Verfahrensschritte oder - Teile umgesetzt
und durchgeführt werden. Die koordinieren erfolgt dabei zum Beispiel durch einen entsprechenden
Leitstellenrechner.
Bezugszeichenliste:
[0054]
- 1
- Vorrichtung zur Bereitstellung von Sauerstoffprodukt
- 2
- Luftzerlegungsanlage
- 3
- Reinigungs- und Trocknungseinrichtung
- 4
- Luftzerlegungsprozess
- 5
- Mischeinrichtung
- 6
- Rohluftleitung
- 7, 8
- Prozessluftleitung
- 9
- Sauerstoffleitung
- 10
- Stickstoffleitung
- 11
- Argonleitung
- 12
- Ausgabeleitung
- 13, 14
- Stickstoffleitung
- 15
- Argonleitung
- 16
- Rohluftfilter
- 17
- Luftleitung
- 18
- Verdichter
- 19
- Luftleitung
- 20, 20A, 20B
- Luftfilter und -Kühler
- 21
- Luftleitung
- 22, 22A, 22B
- Molekularsiebfilter
- 23
- Prozessluftleitung
- 24
- Verdichter
- 25
- Prozessluftleitung
- 26
- Verdichter
- 27
- Prozessluftleitung
- 28
- Hauptwärmetauscher
- 29
- Coldbox
- 30
- Argonrektifikationskreislauf
- 31
- Rektifikationssäule
- 31A
- Niederdrucksäule
- 31B
- Drucksäule
- 32, 33, 34
- Argonrektifikationssäule
- 35
- Flüssigargonleitung
- 36
- Flüssigstickstoffleitung
- 37
- Flüssigsauerstoffleitung
- 38
- Prozessluftleitung
- 39
- Regelventil
- 40
- Prozessluftleitung
- 41, 42
- Sauerstoffleitung
- 43
- Mischeinrichtung
- 44
- Sauerstoffleitung
- 45, 46
- Verdichter
- 47, 48
- Sauerstoffleitung
- 49
- Ausgabeleitung
- 50
- Verdichter
- 51, 52, 53
- Sauerstoffleitung
- 54
- Mischeinrichtung
- 55, 56, 57
- Verdichter
- 58, 59, 60
- Sauerstoffleitung
- 61
- Ausgabeleitung
- 62
- Mischschnittstelle
- 63
- Prozessluftleitung
- 64
- Regelventil
- 65
- Flüssigleitsabscheider
- 66, 67
- Prozessluftleitung
- 68
- Expansionsturbine
- 69, 70, 71
- Prozessluftleitung
- 72
- Stickstoffleitung
- 73
- Kondensator
- 74
- Sauerstoffleitung
- 75
- Innenverdichtungspumpe
- 76
- Stickstoffleitung
- 77
- Innenverdichtungspumpe
- 78
- Unterkühler
- 79
- Stickstoffleitung
- 80
- Regelventil
- 81
- Flüssigstickstoffleitung
- 82, 83
- Stickstoffleitung
- 84
- Wärmetauscher
- 85
- Stickstoffleitung
- 86
- Wasserleitung
- 87
- Pumpe
- 88
- Wasserleitung
- 89
- Prozessluftleitung
- 90, 91
- Stickstoffleitung
- 92
- Sauerstoffsumpfleitung
- 93
- Wärmetauscher
- 94
- Sauerstoffsumpfleitung
- 95, 96
- Regelventil
- 97
- Sauerstoffsumpfleitung
- 98, 99
- Rohargonleitung
- 100
- Leitstellenrechner
- 101, 102, 103
- Vorrichtung zur Bereitstellung von Sauerstoffprodukt
- 104
- Vorrichtungsteilbereich zur Bereitstellung von Sauerstoffprodukt
- 105
- Luftzerlegungsanlage
- 106
- Regelventil
- 107
- Rohargonleitung
- 108
- Abscheider
- 109
- Kondensator
- 110
- Rohargonleitung
- 111
- Sauerstoffsumpfleitung
- 112
- Regelventil
- 113, 114
- Sauerstoffleitung
- 115
- Verdichter
- 116
- Sauerstoffleitung
- 117, 118
- Sauerstoffsumpfleitung
- 119
- Regelventil
- 120
- Sauerstoffsumpfleitung
- 121
- Stickstoffleitung
- 122
- Kondensator
- 123, 124
- Stickstoffleitung
- 125
- Sauerstoffsumpfleitung
- 126
- Regelventil
- 127, 128
- Sauerstoffsumpfleitung
- 129
- Regelventil
- 130, 131
- Sauerstoffsumpfleitung
- 132, 133
- Flüssigargonleitung
- 134
- Regelventil
- 135
- Flüssigargonleitung
- CT1, CT2
- Steuersignale
1. Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage (2), welche ein hochreines Sauerstoffprodukt
mit einem vorgegebenen Sauerstoffgehalt und zumindest ein weiteres Luftzerlegungsprodukt
bereitstellt, mit den Schritten:
Vorbehandeln und Zuführen von Umgebungsluft in einen Luftzerlegungsprozess der Luftzerlegungsanlage
(2) als druckbeaufschlagte Prozessluft; und
Mischen des hochreinen Sauerstoffprodukts mit der Prozessluft und/oder dem weiteren
Luftzerlegungsprodukt zu einem Liefersauerstoffprodukt mit einem vorgegebenen Sauerstoffgehalt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das hochreine Sauerstoffprodukt mindestens einen
Sauerstoffgehalt von 99% hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Liefersauerstoffprodukt einen Sauerstoffgehalt
zwischen 90% und 99% hat.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, wobei ausschließlich ein Stickstoffprodukt
als weiteres Luftzerlegungsprodukt mit dem hochreinen Sauerstoffprodukt gemischt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, wobei die Luftzerlegungsanlage (2) zur Doppelsäulenrektifikation
ausgestaltet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, wobei die Luftzerlegungsanlage (2) geeignet
ist, ein Edelgasprodukt als weiteres Luftzerlegungsprodukt, insbesondere ein Argonprodukt,
bereitzustellen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, ferner umfassend: Nachverdichten des Liefersauerstoffprodukts
auf einen vorgegebenen Lieferproduktdruck.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Prozessluft und/oder das weitere Luftzerlegungsprodukt
zum Mischen mit dem hochreinen Sauerstoffprodukt vor dem Nachverdichten einem Verdichter
(50) und einem Regelventil (39) zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, wobei das Vorbehandeln Reinigen, Trocknen,
Vorkühlen und Verdichten der Umgebungsluft zum Erzeugen der Prozessluft umfasst.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, wobei die Prozessluft einem Hauptwärmetauscher
(28) der Luftzerlegungsanlage (103) zugeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 10, wobei das hochreine Sauerstoffprodukt und
das weitere Zerlegungsprodukt im Wesentlichen bei einem Umgebungsdruck zwischen 1,0
und 1,6 bar vorliegen.
12. Vorrichtung (1) zur Bereitstellung von einen Liefersauerstoffprodukt mit einem vorgegebenen
Sauerstoffgehalt mit einer Luftzerlegungsanlage (3), welche ein hochreines Sauerstoffprodukt
mit einem vorgegebenen Sauerstoffgehalt und zumindest ein weiteres Luftzerlegungsprodukt
bereitstellt, einer Luftreinigungs- und Trocknungseinrichtung (3) zur Bereitstellung
von vorbehandelter Prozessluft und einer Mischeinrichtung (5) zum Mischen des hochreinen
Sauerstoffprodukts mit der Prozessluft und/oder dem weiteren Luftzerlegungsprodukt
zu einem Liefersauerstoffprodukt mit einem vorgegebenen Sauerstoffgehalt.
13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, wobei eine Leitstelleneinrichtung (100) zum Steuern
der Luftzerlegungsanlage (2) und der Mischeinrichtung (5) vorgesehen ist, und die
Leitstelleneinrichtung (100) derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren nach einem
der Ansprüche 1 - 11 durchgeführt wird.
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Luftzerlegungsanlage (2) zur Innenverdichtung
eingerichtet ist.
15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 - 14, wobei die Mischeinrichtung (5) mindestens
ein Steuerventil (39) und einen Verdichter (45, 46, 55, 56, 57) umfasst.