Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck

Abstract

 Die Vorrichtung und das Verfahren dienen zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck. Ein Destilliersäulen-System weist eine Hochdrucksäule (106) und eine Niederdrucksäule (107) auf. Die Niederdrucksäule (107) ist oberhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet. Ein Nebenkondensator (102), der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist, ist unterhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule (107) angeordnet und dient zur Verdampfung einer flüssigen Sauerstofffraktion aus der Niederdrucksäule (107). Der Nebenkondensator (102) ist unterhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck mit einem Destilliersäulen-System, das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, wobei die Niederdrucksäule oberhalb der Hochdrucksäule angeordnet ist, mit einem Nebenkondensator, der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist und unterhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule angeordnet ist, mit einer Einsatzluft-Leitung, die mit der Hochdrucksäule verbunden ist, mit mindestens einer Übergangsleitung zur Einleitung einer Fraktion aus der Hochdrucksäule in die Niederdrucksäule, mit einer Flüssigkeitsleitung zum Entnehmen einer flüssigen Sauerstofffraktion aus der Niederdrucksäule, wobei die Flüssigkeitsleitung in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators führt, und mit einer Produktleitung für gasförmigen Sauerstoff unter erhöhtem Druck, die mit dem Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers verbunden ist.

[0002] Das Destilliersäulen-System, beispielsweise eine Linde-Doppelsäulen-Anlage, dient zur Tieftemperatur-Zerlegung der Einsatzluft in Sauerstoff und Stickstoff. Die Grundlagen der Tieftemperatur-Zerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der Aufbau von Doppelsäulen-Anlagen im Speziellen sind in der Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No.2, 1967, Seite 35) beschrieben. Hochdrucksäule und Niederdrucksäule stehen im Regelfall über einen Hauptkondensator in Wärmeaustausch-Beziehung, in dem Kopfgas der Hochdrucksäule gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule verflüssigt wird.

[0003] Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus DE 2323941 A, EP 384483 B1 und EP 1074805 A1 bekannt. Der Nebenkondensator dient zur Verdampfung. Er ist üblicherweise neben der Hochdrucksäule angeordnet.

[0004] Destilliersäulen-System und Nebenkondensator, meist auch ein Hauptwärmetauscher zur Abkühlung der Einsatzluft und gegebenenfalls ein Unterkühlungs-Gegenströmer müssen gegen den Eintrag von Wärme isoliert werden. Hierzu dient im Allgemeinen eine oder mehrere mit Pulver (Perlite) gefüllte Hüllen, so genannte Coldboxen.

[0005] Als "Nebenkondensator" (side condenser) wird hier ein Kondensator-Verdampfer bezeichnet, der außerhalb der Niederdrucksäule angeordnet ist und dessen Verdampfungsseite während des Betriebs der Anlage ein unter einem höheren Druck als die Niederdrucksäule steht. Dort verdampfter Sauerstoff wird dann unter einem entsprechend erhöhten Druck als gasförmiges Produkt gewonnen. Die Druckerhöhung wird durch das geodätische Gefälle bewirkt (und gegebenenfalls zusätzlich durch eine Pumpe). Der Nebenkondensator ist vorzugsweise als Flüssigkeitsbadverdampfer (Umlaufverdampfer) ausgeführt: Ein Plattenwärmetauscherblock enthält Verdampfungs- und Verflüssigungspassagen. Er ist in einem Behälter angeordnet, der während des Betriebs teilweise mit zu verdampfender Flüssigkeit gefüllt ist. Die Flüssigkeit wird mittels des Thermosiphon-Effekts durch die Verdampfungspassagen des Plattenwärmetauscherblocks umgeworfen. Der Verdampfungsraum wird durch diese Verdampfungspassagen und durch den Außenraum zwischen Block und Behälterwand gebildet, der Verflüssigungsraum durch die Verflüssigungspassagen.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art besonders kostengünstig und insbesondere besonders kompakt zu gestalten.

[0007] Zu diesem Zweck war es bisher üblich, alle Apparateteile, sogar die Kolonnen, nebeneinander anzuordnen (siehe zum Beispiel DE 19904526).

[0008] Bei der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Nebenkondensator unterhalb der Hochdrucksäule angeordnet ist. "Untereinander" bedeutet hier, dass sich die Querschnitte der beiden Apparateteile in der Projektion auf eine horizontale Ebene überschneiden, wobei sich "horizontal" auf die Orientierung dieser Teile in betriebsfähigem Zustand bezieht. Die Querschnitte von Nebenkondensator und Hochdrucksäule überdecken sich in diesem Sinne beispielsweise teilweise oder vollständig. Vorzugsweise sind Nebenkondensator, Hochdrucksäule und Niederdrucksäule in einer Linie untereinander angeordnet. Eine gemeinsame Coldbox, die alle drei Apparateteile umschließt kann dadurch besonders kompakt und damit kostengünstig ausgeführt werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den größeren vertikalen Abstand zwischen Niederdrucksäule und Nebenkondensator. Entsprechend stärker ist die Druckerhöhung, die sich allein durch das Gefälle zwischen Niederdrucksäule und Nebenkondensator ergibt, also ohne Energiezufuhr von außen. Das gasförmige Sauerstoffprodukt kann also unter einem besonders hohen Druck gewonnen werden, beispielsweise 1,5 bis 3,5 bar, vorzugsweise 2 bis 2,8 bar. Dabei beträgt der Betriebsdruck der Säulen des Destilliersäulen-Systems (jeweils am Kopf) beispielsweise 5 bis 9 bar, vorzugsweise 6,0 bis 7,5 bar in der Hochdrucksäule und beispielsweise 1,3 bis 2,0 bar, vorzugsweise 1,5 bis 1,8 bar in der Niederdrucksäule.

[0009] Vorzugsweise sind Niederdrucksäule, Hochdrucksäule und Nebenkondensator in einer Linie untereinander angeordnet.

[0010] Vorzugsweise wird die Einsatzluft-Leitung durch den Verflüssigungsraum des Nebenkondensators geführt. Die Einsatzluft dient damit als Heizmittel für die Verdampfung der flüssigen Sauerstofffraktion und kondensiert dabei teilweise oder vollständig.

[0011] Dabei ist es günstig, wenn die Einsatzluft-Leitung und der Nebenkondensator so ausgebildet sind, dass während des Betriebs der Vorrichtung die Einsatzluft in dem Nebenkondensator nur partiell kondensiert wird, beispielsweise zu 30 mol-% oder weniger, vorzugsweise zu 25 bis 30 mol-%. Damit kann einerseits die gesamte Einsatzluft (ggf. abzüglich einer Turbinenluftmenge) durch den Nebenkondensator geführt werden, und weitere Einsatzluft-Leitungen sind unnötig. Andererseits wird bei der nur teilweisen Kondensation eine höhere Verdampfungstemperatur bei gleichem Druck erreicht; umgekehrt reicht bei gleichem Sauerstoff-Produktdruck ein niedrigerer Luftdruck aus. Der Druck im Verflüssigungsraum des Nebenkondensators beträgt vorzugsweise 6 bis 8 bar. Die partiell kondensierte Einsatzluft aus dem Nebenkondensator kann in einen Abscheider (Phasentrenner) eingeleitet werden, der beispielsweise unmittelbar neben dem Nebenkondensator innerhalb der Coldbox angeordnet ist.

[0012] Jede Luftzerlegungs-Anlage weist einen Hauptwärmetauscher zur Abkühlung von Einsatzluft gegen Produktströme auf. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es günstig, wenn dieser Hauptwärmetauscher unterhalb der Hochdrucksäule angeordnet ist, insbesondere zwischen Hochdrucksäule und Nebenkondensator. Dadurch kann auch der Hauptwärmetauscher von der gemeinsamen, kompakten Coldbox umschlossen werden. Eine separate Isolierung und eine voluminöse Gestaltung der Box können vermieden werden. Die zusätzliche Höhe des Hauptwärmetauschers bringt eine zusätzliche Druckerhöhung im Sauerstoffprodukt mit sich.

[0013] Häufig werden die Einsatzflüssigkeit(en) für die Niederdrucksäule gegen das oder die Gasprodukte der Niederdrucksäule durch indirekten Wärmeaustausch in einem Unterkühlungs-Gegenströmer unterkühlt. Im Rahmen der Erfindung ist es günstig, wenn dieser weitere Wärmetauscher ebenfalls zwischen der Hochdrucksäule und dem Nebenkondensator angeordnet ist. Er kann damit ebenfalls von der gemeinsamen, kompakten Coldbox umschlossen werden. Eine separate Isolierung und eine voluminöse Gestaltung der Box können vermieden werden. Die zusätzliche Höhe des Hauptwärmetauschers bringt eine zusätzliche Druckerhöhung im Sauerstoffprodukt mit sich.

[0014] Vorzugsweise sind die Apparateteile in folgender Reihenfolge jeweils unmittelbar übereinander angeordnet: Nebenkondensator (ggf. mit Abscheider) - Unterkühlungs-Gegenströmer - Hauptwärmetauscher - Hochdrucksäule -Niederdrucksäule.

[0015] Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck gemäß den Patentansprüchen 7 bis 12

[0016] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1

eine beispielhafte räumliche Anordnung der verschiedenen Apparateteile,

Figuren 2 und 3

zwei Ausführungsformen der Erfindung mit Details zur Abfolge der Verfahrensschritte, mit Kälteerzeugung durch Turbine (Figur 2) beziehungsweise mit Kältezufuhr von außen (Figur 3).

[0017] Einander entsprechende Bauteile beziehungsweise Verfahrensschritte tragen in allen Zeichnungen dieselben Bezugszeichen.

[0018] In Figur 1 ist der räumliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Details wie Rohrleitungen, Ventile, Mess- und Stelleinrichtungen werden nicht gezeigt.

[0019] Innerhalb einer quader- oder zylinderförmigen Coldbox 101 sind übereinander sämtliche Apparateteile untergebracht, die einer Wärmeisolierung bedürfen. Als Unterstes stehen ein Nebenkondensator 102 und der zugehörige Abscheider 103 auf dem Boden. Darüber sind nacheinander der Unterkühlungs-Gegenströmer 104, der Hauptwärmetauscher 105, die Hochdrucksäule 106 und die Niederdrucksäule 107 angeordnet. Der Zwischenraum 108 zwischen den Apparaten und der Coldbox-Wand ist mit isolierendem Pulver (Perlite) gefüllt.

[0020] Unterkühlungs-Gegenströmer 104 und Hauptwärmetauscher 105 können auch als gemeinsamer, integrierten Wärmeaustauscher-Block ausgebildet sein (in Figur 1 nicht dargestellt).

[0021] In den Figuren 2 und 3 ist die räumliche Anordnung der Apparateteile nicht vollständig dargestellt. Es gilt hierfür die in Figur 1 dargestellte Konstruktion.

[0022] Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 wird verdichtete und gereinigte Luft 1 unter einem Druck von beispielsweise 8,2 bar herangeführt und tritt am warmen Ende in einen Hauptwärmetauscher 105 ein. Der Hauptteil der Luft wird über Leitung 2 am kalten Ende des Hauptwärmetauschers 105 entnommen und dem Verflüssigungsraum eines Nebenkondensators 102 zugeführt. Dort kondensiert die Luft partiell. Über Leitung 3 tritt ein Zwei-Phasen-Gemisch aus dem Nebenkondensator 102 aus, das etwa 26 mol-% Flüssigkeit enthält. Es wird in einen Abscheider 103 eingeleitet. Der gasförmig verbliebene Luftanteil 4 wird auf etwa 6 bar abgedrosselt (5) und in die Hochdrucksäule 106 eines Destilliersäulen-Systems eingespeist, das außerdem eine Niederdrucksäule 107 aufweist. (Die Leitungen 1, 2, 3 und 4 stellen in dem Ausführungsbeispiel die "Einsatzluft-Leitung" dar.) Die Flüssigkeit 6 wird nach Durchgang durch ein andere Drosselventil 7 unter etwa 1,5 bar in die Niederdrucksäule 107 eingeführt.

[0023] Gasförmiger Kopfstickstoff 8 der Hochdrucksäule 106 wird mindestens zu einem Teil 9 in einem Hauptkondensator gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule 107 kondensiert. Der dabei gebildete flüssige Stickstoff 11 wird zu einem ersten Teil 12 als Rücklauf in die Hochdrucksäule 106 zurückgeleitet. Ein zweiter Teil 14 wird in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 104 unterkühlt und über Leitung 15 und Ventil 16 auf den Kopf der Niederdrucksäule 107 aufgegeben. (Der Unterkühlungs-Gegenströmer 104 und der Hauptwärmetauscher 105 sind bei dem Ausführungsbeispiel als integrierter Wärmeaustauscher-Block ausgebildet.) Der Flüssigstickstoff 15 dient hauptsächlich als Rücklauf in der Niederdrucksäule 107; er kann aber auch zu einem Teil 17 als druckloses Flüssigprodukt (LIN) entnommen werden. Ein weiterer Teil 13 des flüssigen Stickstoffs 11 aus dem Hauptkondensator 10 kann als Druck-Flüssigprodukt (PLIN) abgezogen werden.

[0024] Die Sumpfflüssigkeit 18 der Hochdrucksäule 106 wird über den Unterkühlungs-Gegenströmer 104, Leitung 19 und Ventil 20 in die Niederdrucksäule übergeführt ("Übergangsleitung").

[0025] Als gasförmige Produkte der Niederdrucksäule 107 werden reiner und unreiner Stickstoff über die Produktleitung 21/22 beziehungsweise über die Restgasleitung 23/24/25 durch den Unterkühlungs-Gegenströmer 104 und den Hauptwärmetauscher 105 geführt und schließlich als Produkt (GAN) abgezogen beziehungsweise in die Atmosphäre abgeblasen beziehungsweise als Regeneriergas in einer Molekularsieb-Anlage zur Reinigung der Luft (nicht dargestellt) eingesetzt. Auch direkt aus der Hochdrucksäule kann ein Produkt gewonnen werden. Hierzu wird ein Teil 26 des Kopfstickstoffs 8 im Hauptwärmetauscher 105 angewärmt und als gasförmiges Druckstickstoff-Produkt 27 (PGAN) gewonnen.

[0026] Vom Sumpf der Niederdrucksäule 107 wird eine flüssige Sauerstofffraktion 28 abgezogen, erfährt eine hydrostatische Druckerhöhung und wird in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators 102 eingeleitet und dort wird teilweise verdampft. Der dabei gebildete gasförmige Sauerstoff 29 wird zum Hauptwärmetauscher geführt und schließlich über Leitung 30 als Druckgasprodukt (GOX) zu einem Verbraucher geführt. Der flüssig verbliebene Sauerstoff wird als Spülflüssigkeit 31 aus dem Verdampfungsraum des Nebenkondensators 102 abgezogen und entweder verworfen oder (wie in Figur 2 dargestellt) als Flüssigprodukt (LOX) gewonnen; alternativ oder zusätzlich ist eine Eindüsung in Leitung 30 möglich.

[0027] Die für den Augleich der Isolationsverluste und für die Produktverflüssigung benötigte Kälte wird bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 durch arbeitsleistende Entspannung eines Prozessstroms erzeugt. Hierzu wird ein Teilstrom 32 der Einsatzluft 1 bei einer Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher 105 abgezogen, einer Entspannungsmaschine (beispielsweise Turbine) 33 zugeführt, dort auf etwa den Betriebsdruck der Niederdrucksäule 107 entspannt und über die Leitungen 34 und 35 in die Niederdrucksäule 107 eingeleitet. Insbesondere bei relativ großer Flüssigproduktion kann ein Teil 36 Turbinenluft 34 dem Restgas 23 zugemischt und gemeinsam mit diesem aus dem Verfahren entfernt werden.

[0028] Figur 3 unterscheidet sich von Figur 2 durch die abweichende Form der Kältezufuhr. Hier wird auf eine Turbine verzichtet. Der Kältebedarf wird stattdessen durch Flüssigzufuhr von außen (liquid assist) gedeckt. Hierzu wird flüssiger Sauerstoff 337 aus einem Flüssigtank in den unteren Bereich der Niederdrucksäule 107 eingeleitet. Alternativ oder ergänzend ist die Zufuhr von tiefkalter Flüssigkeit aus einem Stickstoff-Flüssigtank. Der flüssige Stickstoff kann über Leitung 338 in den oberen Bereich der Niederdrucksäule 107 eingeführt werden und/oder über Leitung 339 in den oberen Bereich der Hochdrucksäule 106. Ebenso kann verflüssigte Luft oder jedes andere flüssige Gemisch aus Luftkomponenten zur Deckung des Kältebedarfs eingesetzt werden.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck

- mit einem Destilliersäulen-System, das eine Hochdrucksäule (106) und eine Niederdrucksäule (107) aufweist, wobei die Niederdrucksäule (107) oberhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist,

- mit einem Nebenkondensator (102), der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist und unterhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule (107) angeordnet ist,

- mit einer Einsatzluft-Leitung (1, 2, 3, 4), die mit der Hochdrucksäule (106) verbunden ist,

- mit mindestens einer Übergangsleitung (18-19; 11-14-15) zur Einleitung einer Fraktion aus der Hochdrucksäule (106) in die Niederdrucksäule (107),

- mit einer Flüssigkeitsleitung (28) zum Entnehmen einer flüssigen Sauerstofffraktion aus der Niederdrucksäule (107), wobei die Flüssigkeitsleitung (28) in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators (102) führt, und

- mit einer Produktleitung (29, 30) für gasförmigen Sauerstoff unter erhöhtem Druck, die mit dem Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers (102) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkondensator (102) unterhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Niederdrucksäule (107), Hochdrucksäule (106) und Nebenkondensator (102) in einer Linie untereinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft-Leitung (1, 2, 3, 4) durch den Verflüssigungsraum des Nebenkondensators (102) führt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft-Leitung (1, 2, 3, 4) und der Nebenkondensator (102) so ausgebildet sind, dass während des Betriebs der Vorrichtung die Einsatzluft in dem Nebenkondensator (102) nur partiell kondensiert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft-Leitung (1, 2, 3, 4) durch einen Hauptwärmetauscher (105) zur Abkühlung der Einsatzluft gegen Produktströme führt und der Hauptwärmetauscher (105) unterhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist, insbesondere zwischen Hochdrucksäule (106) und Nebenkondensator (102).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Gasprodukt-Leitung (21-22, 23-24-25) zum Abführen eines gasförmigen Produkts aus der Niederdrucksäule (107), wobei die Gasprodukt-Leitung (21-22, 23-24-25) mit einem Unterkühlungs-Gegenströmer (104) verbunden ist, durch den außerdem die Übergangsleitung (18-19; 11-14-15) führt, und wobei der Unterkühlungs-Gegenströmer (104) zwischen der Hochdrucksäule (106) und dem Nebenkondensator (102) angeordnet ist.

7. Verfahren zur Erzeugung gasförmigen Sauerstoffs unter erhöhtem Druck in einem Destilliersäulen-System, das eine Hochdrucksäule (106) und eine Niederdrucksäule (107) aufweist, wobei die Niederdrucksäule (107) oberhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist, wobei bei dem Verfahren

- ein Einsatzluftstrom (1, 2, 3, 4) in die Hochdrucksäule (106) eingeleitet wird,

- mindestens eine Fraktion (18-19; 11-14-15) aus der Hochdrucksäule (106) in die Niederdrucksäule (107) geführt wird,

- eine flüssige Sauerstofffraktion der Niederdrucksäule (107) in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators (102) eingeführt wird, der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist und unterhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule (107) angeordnet ist, und

- gasförmiger Sauerstoff (29, 30) aus dem Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers (102) abgezogen wird,

dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkondensator (102) unterhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Niederdrucksäule (107), Hochdrucksäule (106) und Nebenkondensator (102) in einer Linie untereinander angeordnet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Einsatzluft (1, 2, 4) durch den Verflüssigungsraum des Nebenkondensators (102) geführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft in dem Nebenkondensator (102) nur partiell kondensiert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzluft (1) in einem Hauptwärmetauscher (105) gegen Produktströme (21, 23, 26) abgekühlt wird und der Hauptwärmetauscher (105) unterhalb der Hochdrucksäule (106) angeordnet ist, insbesondere zwischen Hochdrucksäule (106) und Nebenkondensator (102).

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein gasförmiger Produktstrom (21, 23) aus der Niederdrucksäule (107) abgezogen und in einem Unterkühlungs-Gegenströmer (104) gegen die Fraktion (18-19; 11-14-15) aus der Hochdrucksäule (106) angewärmt wird, wobei der Unterkühlungs-Gegenströmer (104) zwischen der Hochdrucksäule (106) und dem Nebenkondensator (102) angeordnet ist.

Zeichnung