[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung
von Luft, wobei bei dem Verfahren Luft verdichtet, gereinigt, abgekühlt und mindestens
teilweise der Druckstufe einer zweistufigen Rektifikation zugeleitet und mindestens
eine Fraktion aus der Druckstufe in der Niederdruckstufe weiter zerlegt wird, wobei
der Niederdruckstufe eine Sauerstofffraktion und eine stickstoffhaltige Fraktion als
Produkte entnommen werden und der untere Bereich der Niederdruckstufe mit dem oberen
Bereich der Druckstufe in wärmetauschender Verbindung stehen.
[0002] Die Grundlagen der Luftzerlegung durch Rektifikation sind in einschlägigen Handbüchern
(z.B. Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4.5 oder Winnacker/Küchler,
Chemische Technologie, Band 2, 3. Auflage, Kapitel 4) sowie in Latimer, Distillation
of Air, Chem. Eng. Progr.,
63, Seiten 35 bis 59 beschrieben. Die zweistufige Rektifikation findet üblicherweise
in einer Doppelsäule statt, deren Niederdruckstufe über der Druckstufe angeordnet
ist. (Grundsätzlich ist es auch möglich Niederdruck- und Druckstufe einer Doppelsäule
getrennt anzuordnen.) Rücklauf für die Druckstufe wird durch Verdampfung von Flüssigkeit
aus der Niederdruckstufe erzeugt, wobei gleichzeitig in der Niederdruckstufe aufsteigender
Dampf entsteht. Dieser indirekte Wärmeaustausch wird in einem Kondensator-Verdampfer
durchgeführt, der in der Niederdrucksäule angeordnet ist, üblicherweise in deren Sumpf.
Diese Anordnung ist grundsätzlich vorteilhaft, da eigene Leitungen zur Verbindung
der Verdampfungspassagen des Kondensator-Verdampfers mit der Niederdrucksäule entfallen.
Allerdings gibt es auch Nachteile. So trägt der Kondensator-Verdampfer nicht unwesentlich
zur Gesamthöhe der Doppelsäule bei und verursacht damit relativ hohe Anlagekosten.
Außerdem läuft beim Abschalten der Anlage die gesamte Rücklaufflüssigkeit der Niederdruckstufe
in den Sumpf ab und verunreinigt diesen mit Stickstoff. In der Folge dauert es beim
Wiederanfahren der Anlage lange Zeit, bis wieder reines Sauerstoffprodukt abgegeben
werden kann.
[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, die wirtschaftlich günstiger sind, insbesondere
durch verringerte Kapitalkosten beziehungsweise durch höhere Flexibilität im Betrieb.
[0004] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im stationären Betrieb im wesentlichen die
gesamte in der Niederdruckstufe herabfließende Rücklaufflüssigkeit aus dem unteren
Bereich der Niederdruckstufe abgezogen und in einen Pufferbehälter geleitet wird,
dem Pufferbehälter Flüssigkeit entnommen und in indirektem Wärmeaustausch mit kondensierendem
Gas aus dem oberen Bereich der Druckstufe teilweise kondensiert wird und daß dabei
der dabei entstandene Dampf mindestens zum Teil dem unteren Bereich der Niederdruckstufe
zugeführt und der flüssig verbliebene Anteil mindestens teilweise in den Pufferbehälter
zurückgeleitet wird.
[0005] Die Bezeichnung "stationärer Betrieb" bedeutet hier den üblichen Betriebszustand
einer Luftzerlegungsanlage nach Abschluß der Anfahrphase, bei dem die Einsatz- und
Produktströme über einen längeren Zeitraum (mindestens 10 Minuten im Falle einer Wechselspeicheranlage
bis zu vielen Tagen oder Wochen bei Anlagen mit gleichbleibendem Produktbedarf) im
wesentlichen konstant bleiben.
[0006] In diesem stationären Betrieb wird gemäß der Erfindung im wesentlichen die gesamte
Rücklaufflüssigkeit zu einem Pufferbehälter, beispielsweise einem Flüssigtank, geleitet.
Dies bedeutet, daß kleinere Teile der Rücklaufflüssigkeit auf einem anderen Weg geführt
werden können, zum Beispiel als Flüssigprodukt oder über eine Entnahme durch einen
Sicherheitsablaß. In den Pufferbehälter wird jedenfalls derjenige Teil der Rücklaufflüssigkeit
geführt, der zur Erzeugung von in der Kolonne aufsteigendem Dampf benötigt wird.
[0007] Der Pufferbehälter ist vorzugsweise als isolierter Flüssigtank ausgebildet. Ihm wird
wiederum Flüssigkeit entnommen, die in indirektem Wärmetausch mit stickstoffreichem
Dampf aus der Drucksäule verdampft wird. Mindestens ein Teil, vorzugsweise der größte
Teil, des dabei entstandenen Gases wird in die Niederdrucksäule eingeleitet und bildet
dort den im Gegenstrom zur Rücklaufflüssigkeit aufsteigenden Dampf; ein anderer Teil
kann bei Bedarf als gasförmiges Sauerstoffprodukt abgezogen werden. Dieses wird in
der Regel gegen zu zerlegende Luft auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Der bei
dem indirekten Wärmeaustausch nicht verdampfte Anteil der aus dem Tank abgezogenen
Flüssigkeit wird - beispielsweise gemeinsam mit der Rücklaufflüssigkeit aus der Säule
- in den Pufferbehälter zurückgespeist.
[0008] Die Flüssigkeit kann kostengünstig durch eine Pumpe gefördert werden. Diese kann
sich beispielsweise stromabwärts des Puffertanks befinden; alternativ oder zusätzlich
kann eine Pumpe in der Leitung von der Niederdruckstufe zum Pufferbehälter angeordnet
sein, wobei der Behälter selbst entweder oberhalb des Wärmetauschers zur Verdampfung
der Flüssigkeit aus dem Tank angeordnet ist oder unter Überdruck steht.
[0009] Durch die Außenverdampfung der Rücklaufflüssigkeit in Verbindung mit der Speicherung
in einem Tank entfällt die Notwendigkeit, einen Sumpfflüssigkeitsstand in der Niederdrucksäule
aufrechtzuerhalten. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird entweder nur ein sehr geringer
Flüssigkeitsstand aufrechterhalten (beispielsweise 10 bis maximal 50 mm Wassersäule
im Vergleich zu einem Sumpfflüssigkeitsstand von etwa 300 bis 2000 mm WS bei bisher
bekannten Verfahren), oder es wird vollkommen auf eine Flüssigkeitsspeicherung im
Sumpf der Niederdruckstufe verzichtet.
[0010] Durch die Auslagerung des Kondensator-Verdampfers, unterstützt durch den weitgehenden
Verzicht auf die Speicherung von Sumpfflüssigkeit innerhalb der Säule, wird eine entsprechend
geringe Bauhöhe der Rektifziersäule erzielt. Dies ist insbesondere bei Großanlagen
von Vorteil, bei denen die Doppelsäule eine Höhe von bis zu 40 Metern erreichen kann.
Daneben werden auch hinsichtlich der Betriebssicherheit Vorteile erzielt, da die Niederdruckstufen-Sumpfflüssigkeit,
in der sich tendenziell Kohlenwasserstoffe anreichern können, nicht in der Säule,
sondern außerhalb in einem Behälter mit sehr großem Puffervolumen gespeichert wird.
[0011] Der integrierte Pufferbehälter bietet außerdem die Möglichkeit, auch bei nicht vollständig
konstantem Betrieb der Säulen (etwa im Falle einer Störung oder aufgrund einer Veränderung
des Luftdurchsatzes) ein Sauerstoffprodukt von im wesentlichen gleichbleibender Reinheit
durch Verdampfung des Tankinhalts zu gewinnen. Durch diese Pufferung von Schwankungen
von Qualität und Menge des Sauerstoffprodukts aus der Niederdrucksäule kann das Verfahren
sehr flexibel eingesetzt werden.
[0012] Die Integration des Pufferbehälters vereinfacht außerdem die Steuerung des Verfahrens.
Regelgröße ist dabei der Flüssigkeitsstand im Tank. Diese ist einfach abzulesen und
in höchstem Maße unkritisch: Es muß lediglich sichergestellt werden, daß der Tank
nicht vollständig leer oder gefüllt ist; dazwischen kann sein Inhalt grundsätzlich
beliebig schwanken. (In der Praxis wird jedoch ein mittlerer Flüssigkeitsstand aufrechterhalten,
um die Pufferwirkung tatsächlich nutzen zu können.) Es genügt dabei, von Zeit zu Zeit
den Flüssigkeitsstand im Tank abzulesen und dann die externe Kältezufuhr und/oder
die interne Kälteerzeugung bei sinkendem beziehungsweise steigendem Flüssigkeitsstand
zu erhöhen beziehungsweise zu verringern. Dies kann grundsätzlich automatisch geschehen.
Da die Anpassung der Kälteleistung im üblichen Betrieb nur in relativ großen Zeitabständen
(je nach Tankgröße etwa alle zehn Stunden bis fünf Tage) notwendig ist, kann die Regelung
auch im Handbetrieb vorgenommen werden. Wird beispielsweise Kälte im Verfahren durch
arbeitsleistende Entspannung von Luft oder Stickstoff in einer Turbine gewonnen, so
kann zur Regulierung der Kälteleistung der Durchsatz durch diese Turbine - beispielsweise
von Hand - entsprechend angepaßt werden.
[0013] Dabei ist es besonders günstig, wenn der indirekte Wärmeaustausch zur teilweisen
Verdampfung der dem Pufferbehälter entnommenen Flüssigkeit als Fallfilmverdampfung
durchgeführt wird. Einzelheiten zum Betrieb eines Wärmetauschers als Fallfilmverdampfer
sind in Billet, Verdampfung und ihre technischen Anwendungen, 1981, Kapitel 3.5.5
beschrieben. In dem Fallfilmverdampfer werden etwa 25 bis 75 Gew.-% vorzugsweise 40
bis 60 Gew.-% der vom Pufferbehälter herangeführten Flüssigkeit verdampft. Der Rest
wird in der Regel in den Tank zurückgeleitet.
[0014] Bei bestimmten Anwendungen, beispielsweise in der Stahlindustrie, schwankt der Bedarf
an Produkten eines Luftzerlegers, insbesondere von Sauerstoff, stark. Falls keine
andere Verwendungsmöglichkeit für die Produkte gegeben ist, müssen diese Luftzerlegungsanlagen
zeitweise abgeschaltet werden. Oft werden Luftzerleger auch aufgrund tageszeitlich
veränderlicher Energiekosten diskontinuierlich betrieben. Wird nach derartigen Betriebsunterbrechungen
(oder auch nach störungsbedingter Unterbrechung des Betriebs) die Anlage wieder angefahren,
so dauert es - selbst bei noch kalter Apparatur - lange Zeit (bis zu zwei Stunden),
bis die Rektifikation wieder ihren stationären Zustand erreicht hat und Produkte mit
der vorgesehenen Reinheit liefert.
[0015] Hier bringt das Verfahren der Erfindung einen wesentlichen Fortschritt, wenn zu Beginn
einer Betriebsunterbrechung die Rücklaufflüssigkeit aus der Niederdruckstufe in den
unteren Bereich der Druckstufe geleitet wird.
[0016] Die Speicherung von Rücklaufflüssigkeit ist an sich bekannt aus der DE-A-3732363.
Bei dem dort geschilderten Verfahren sind jedoch eigene Einrichtungen zum Auffangen
der Rücklaufflüssigkeit notwendig. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
fast keine zusätzlichen Apparaturen erforderlich: Zur Ableitung der Rücklaufflüssigkeit
kann die - ohnehin regelmäßig vorhandene - Leitung für den Sicherheitsablaß verwendet
werden; lediglich eine Verbindung zur Druckstufe ist notwendig, beispielsweise über
die Eintrittsleitung für Zerlegungsluft.
[0017] Beim Abfahren der Anlage wird nach dem Abstellen des Luftverdichters die Verbindung
zur Einführung der Rücklaufflüssigkeit in den Pufferbehälter unterbrochen und die
Leitung zur Drucksäule geöffnet. (Falls die Leitung zum Tank oberhalb der Leitung
zur Drucksäule angeordnet ist, entfällt die Notwendigkeit des Absperrens der Leitung
zum Tank.) Die in der Niederdrucksäule noch vorhandene Rücklaufflüssigkeit fließt
dann aufgrund ihrer Schwerkraft in den Sumpf der Drucksäule ab. Somit wird eine Verunreinigung
des im Tank gespeicherten Sumpfprodukts durch die stickstoffhaltige Rücklaufflüssigkeit
vermieden.
[0018] Beim Wiederanfahren wird innerhalb von kürzester Zeit wieder reines Sauerstoffprodukt
geliefert. Wenige Minuten nach dem Start des Luftverdichters haben die Molsiebanlage
zur Luftreinigung und die Drucksäule wieder ihren Betriebsdruck erreicht. Sofort fließt
unter Druck stehendes Gas vom Kopf der Druckstufe durch den Wärmetauscher, und die
Verdampfung von Sauerstoff aus dem Tank springt an. Die dabei verdampfte Fraktion
- Sauerstoff aus dem Tank - kann unmittelbar als Produkt mit üblicher Reinheit abgegeben
werden. Die Zeit bis zum Erreichen des stationären Betriebszustands der Rektifikation
(etwa eine bis fünf Minuten) kann durch Verdampfen von im Puffertank gespeicherter
Flüssigkeit überbrückt werden, ohne daß Einbußen an Produktreinheit oder -menge entstünden.
[0019] Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung
von Luft gemäß den Ansprüchen 4 bis 6.
[0020] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Details
wie Turbinen zur kälteleistenden Entspannung von Prozeßströmen oder die Direktenspeisung
von Luft in die Niederdrucksäule sind in dem stark vereinfachten Schema nicht dargestellt.
[0021] Über Leitung 1 wird verdichtete und gereinigte Luft in die Druckstufe 3, einer Doppelsäule
2 eingespeist. (Ein Teil der zu zerlegenden Luft kann auch direkt in die Niederdruckstufe
4 eingeleitet werden, beispielsweise nach arbeitsleistender Entspannung.) Kopfgas
der Druckstufe wird über Leitung 5 zu einem Kondensator-Verdampfer 6 geführt und dort
vollständig kondensiert. Dabei gebildete Flüssigkeit fließt über Leitung 7 zurück
zum Kopf der Drucksäule 3. Sie wirkt zum einen Teil als Rücklauf in der Drucksäule
3, zum anderen Teil wird sie auf die Niederdrucksäule 4 aufgegeben (8). (Die Leitung
8 zur Niederdrucksäule kann anstelle der Verbindung mit der Drucksäule 3 auch direkt
an die Kondensatleitung 7 vom Kondensator-Verdampfer 6 angeschlossen sein.) Außerdem
wird Sumpfflüssigkeit 9 aus der Drucksäule an einer Zwischenstelle in die Niederdrucksäule
4 eingedrosselt, von deren Kopf ein stickstoffreiches Produkt 10 abgezogen wird. Die
Rücklaufflüssigkeit der Niederdrucksäule 4 wird am unteren Ende der Kolonne über eine
Leitung 11 abgenommen. Sie besteht im stationären Betrieb aus Sauerstoff mit Restverunreinigungen
von 100 ppm bis 20 %, vorzugsweise 0,3 bis 10 %. Die Leitung 11 ist relativ nahe am
Boden des Behälters angebracht, der die Niederdrucksäule 4 bildet, so daß im Kolonnensumpf
sehr wenig oder praktisch gar keine Flüssigkeit ansteht.
[0022] Der flüssige Sauerstoff fließt weiter (12) zu einem als Pufferbehälter eingesetzten
Sauerstofftank 13. Bei Bedarf kann über eine Produktleitung 14 ein Teil als Flüssigprodukt
entnommen werden. Im Beispiel der Zeichnung wird der Tank 13 durch eine Pumpe 15 auf
Druck gehalten, so daß Flüssigkeit aus dem Tank über Leitung 16 zu dem als Fallfilmverdampfer
arbeitenden Kondensator-Verdampfer 6 gedrückt wird. (Im Falle einer drucklosen Speicherung
müßte die Pumpe in der Leitung 16 angeordnet sein.)
[0023] Über Leitung 17 tritt ein Zwei-Phasengemisch aus den Verdampferpassagen des Kondensator-Verdampfers
6 aus, dessen dampfförmiger Anteil zum einen Teil in die Niederdrucksäule 4 zurückströmt
(18), während ein anderer Teil als gasförmiges Sauerstoffprodukt 19 abgezogen wird.
Der flüssig verbliebene Anteil wird über Leitung 12 wieder in den Pufferbehälter 13
zurückgeleitet.
[0024] Eine weitere Flüssigkeitsleitung 20 ist mit dem unteren Bereich der Niederdruckstufe
4 verbunden, vorzugsweise unterhalb des Austritts der Leitung 11. Sie ist während
des Normalbetriebs der Anlage geschlossen. (Allenfalls werden über diesen Anstich
sicherheitshalber gelegentlich kleine Mengen Flüssigkeit über einen nicht dargestellten
Sicherheitsablaß abgezogen und verworfen.) Bei einer Betriebsunterbrechung wird nach
Zurückfahren des Luftverdichters Ventil 21 in Leitung 11 geschlossen, so daß die Verbindung
zum Tank 13 unterbrochen ist. Gleichzeitig wird die Absperrarmatur 22 geöffnet, so
daß die im Sumpf der Niederdrucksäule ankommende Rücklaufflüssigkeit in die Drucksäule
abfließt und in deren Sumpf gespeichert wird. (Je nach Anordnung der Verbindungsstellen
der Leitungen 11 und 20 mit der Niederdruckstufe 4 ist es möglich, daß die Rücklaufflüssigkeit
selbsttätig über die Leitung 20 abfließt. In diesem Fall kann das Ventil 21 in Leitung
11 entfallen.)
[0025] Beim Wiederanfahren der Anlage wird in extrem kurzer Zeit erneut reines Sauerstoffprodukt
über Leitung 19 abgegeben: Sobald nämlich der Druck in der Druckstufe 3 aufgebaut
ist, fließt Kopfgas 5 zum Kondensator-Verdampfer 6 und setzt dort die Verdampfung
in Gang. Da die Verdampfungsseite mit reinem Sauerstoff 16 aus dem Pufferbehälter
13 gespeist wird, steht unmittelbar danach in Leitung 19 das gasförmige Produkt wieder
zur Verfügung. Die Anlaufzeit, die vergeht, bis sich die stationären Produktkonzentrationen
in der Niederdrucksäule wieder eingestellt haben, wird also durch Verdampfung eines
Teils des Tankinhalts überbrückt. Da in der Niederdruckstufe sofort nach dem Anspringen
der Verdampfung im Kondensator-Verdampfer 6 Sauerstoffgas mit entsprechender Reinheit
zur Verfügung steht, hat auch die aus der Niederdrucksäule abfließende Rücklaufflüssigkeit
(11) sofort nach dem Anfahren die übliche Zusammensetzung und kann über Leitung 12
in den Tank 13 fließen.
[0026] Die Verbindungen 18 und 11 zwischen der Niderdruckstufe 4 auf der einen Seite und
der Leitung 17/12 zwischen Verdampfungspassagen des Kondensator-Verdampfers 6 und
Pufferbehälter 13 auf der anderen Seite können auch durch ein einziges Rohr mit großem
Querschnitt realisiert sein, in der Flüssigkeit und Dampf gegeneinander strömen.
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem Luft verdichtet, gereinigt,
abgekühlt und mindestens teilweise der Druckstufe (3) einer zweistufigen Rektifikation
(2) zugeleitet wird und bei dem mindestens eine Fraktion (8,9) aus der Druckstufe
(3) in der Niederdruckstufe (4) weiter zerlegt wird, wobei der Niederdruckstufe (4)
eine Sauerstofffraktion (11) und eine stickstoffhaltige Fraktion (10) als Produkte
entnommen werden und der untere Bereich der Niederdruckstufe (4) mit dem oberen Bereich
der Druckstufe in wärmetauschender Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß im stationären Betrieb im wesentlichen die gesamte in der Niederdruckstufe (4)
herabfließende Rücklaufflüssigkeit aus dem unteren Bereich der Niederdruckstufe abgezogen
(11) und in einen Pufferbehälter (13) geleitet (12) wird, dem Pufferbehälter (13)
Flüssigkeit entnommen (16) und in indirektem Wärmeaustausch (6) mit kondensierendem
Gas (5) aus dem oberen Bereich der Druckstufe (3) teilweise verdampft wird und daß
der dabei entstandene Dampf (17,18) mindestens zum Teil dem unteren Bereich der Niederdruckstufe
(4) zugeführt und der bei dem indirekten Wärmeaustausch (6) flüssig verbliebene Anteil
mindestens teilweise dem Pufferbehälter (13) zurückgeleitet (17,12) wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der indirekte Wärmeaustausch (6) zur teilweisen Verdampfung der dem Pufferbehälter
(13) entnommenen Flüssigkeit (16) als Fallfilmverdampfung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn einer Betriebsunterbrechung die Rücklaufflüssigkeit aus der Niederdruckstufe
(4) in den unteren Bereich der Druckstufe (3) geleitet (20) wird.
4. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Luftverdichter, einer Reinigungseinrichtung,
einem Wärmetauscher und einer zweistufigen Rektifiziereinrichtung (2), die eine Drucksäule
(3) und eine Niederdrucksäule (4) aufweist, und mit einem Kondensator-Verdampfer (6),
der über eine Dampfzuleitung (5) und eine Kondensatrückleitung (7) mit dem oberen
Bereich der Drucksäule (3) verbunden ist und der Verdampfungspassagen zur Verdampfung
von Flüssigkeit aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (4) aufweist, gekennzeichnet durch eine Rücklaufflüssigkeitsleitung (11,12), die mit dem unteren Bereich der Niederdruckstufe
und mit einem Pufferbehälter (13) verbunden ist, durch eine Flüssigkeitsleitung (16),
die vom Pufferbehälter (13) zum Eingang der Verdampfungspassagen des Kondensator-Verdampfers
(6) führt, durch eine Dampfleitung (17,18), die den Ausgang der Verdampfungspassagen
mit dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (4) verbindet und durch eine Rückführungsleitung
(17,12) für Flüssigkeit zwischen Ausgang der Verdampfungspassagen und Pufferbehälter
(13).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator-Verdampfer (6) als Fallfilmverdampfer ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Flüssigkeitsleitung (20), die aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (4)
in die Drucksäule (3) führt und in der eine Absperrarmatur (22) angeordnet ist.