EP1845324A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Druckprodukts durch Tieftemperatur-Luftzerlegung - Google Patents

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EP1845324A1
EP1845324A1 EP07005943A EP07005943A EP1845324A1 EP 1845324 A1 EP1845324 A1 EP 1845324A1 EP 07005943 A EP07005943 A EP 07005943A EP 07005943 A EP07005943 A EP 07005943A EP 1845324 A1 EP1845324 A1 EP 1845324A1
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EP
European Patent Office
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pressure
piv
distillation column
gas pressure
accumulator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07005943A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Horst Corduan
Ulrich Ewert
Gerhard Pompl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a printed product by cryogenic air separation by means of internal compression according to the preamble of patent claim 1.
  • a “distillation column system” comprises at least one separation column as well as the condensers and evaporators associated with the separation columns of the system.
  • the distillation column system for nitrogen-oxygen separation of the invention may be formed as a single column system for nitrogen-oxygen separation, as a two-column system (for example as a classic Linde double column system), or as a three or more column system. It may have, in addition to the columns for nitrogen-oxygen separation, other devices for obtaining other air components, in particular noble gases, for example an argon recovery.
  • At least one of the products is withdrawn liquid from one of the columns of the distillation column system or from a condenser connected to one of these columns, brought to an elevated pressure in the liquid state, evaporated in indirect heat exchange, for example with feed air or nitrogen, or at supercritical pressure) pseudo-evaporated and finally recovered as gaseous pressure product and fed to a take-off system, which consists for example of a gas pressure accumulator.
  • the pressure increase in the liquid can be carried out by any known means. Regularly pumps are used. But it is also possible to exploit a hydrostatic potential and / or the pressure build-up evaporation on a tank.
  • Such internal compression methods are known, for example DE 830805 .
  • DE 1124529 .
  • EP 1139046 A1 EP 1146301 A1 .
  • DE 10213212 A1 DE 10213211 A1 .
  • DE 10238282 A1 DE 10302389 A1 .
  • EP 1585926 A1 or DE 102005029274 A1 ,
  • gas pressure accumulator is meant here any system which serves to buffer gaseous print product and, in particular, has a buffer capacity sufficient to compensate for periodic decreases in swings or sufficient to compensate for temporary deficiencies or excesses in production that may occur during load changes.
  • periodic acceptance fluctuations is the oxygen supply of a steelworks, where the operation of the converter at regular intervals for a short time high amounts of oxygen are needed.
  • Another example is an air separation plant whose production is continuously adjusted to current consumption, but the load (production rate) of the air separation plant can not be changed at the same speed as the consumption and therefore temporary deficits or surpluses occur during load adjustment.
  • the buffer capacity of the gas pressure accumulator should be sufficient to offset the deficits or surpluses in production caused by a typical change in consumption (within minutes or seconds) so that the production of an air separation plant can follow the change in consumption without the minimum or maximum allowances Pressure limits of the product are violated.
  • the load cycle time of a typical air separation plant for load change over the full load range of 70% to 100% is 30 minutes to 2 hours.
  • gas pressure accumulator is meant, in particular, a system having a buffering capacity which is at least equal to the amount of (pseudo) vaporized liquid product stream to the pressure product which the distillation column system produced in normal operation over a given period of time, for example at least equal the amount produced within one minute, in particular at least equal to the amount produced within five minutes or at least equal to the amount produced within 10 minutes.
  • the buffer capacity of a gas pressure accumulator is determined by its volume and the possible fluctuation range of its pressure, ie the difference between the maximum and the minimum operating pressure.
  • the minimum operating pressure is determined by the pressure requirements of the consumer, the maximum by the design of the gas pressure accumulator and applicable safety regulations.
  • a “gas pressure accumulator” can be formed, for example, by one or more dedicated gas pressure storage containers or by a pipelinesystem with a large pipe length, which serves for example to supply multiple consumers with compressed gas.
  • Such a “gas pressure accumulator” is operated in a certain pressure range, which is determined by a minimum allowable pressure and a maximum allowable pressure. Between these two values there is typically a difference of at least 2 bar, in particular at least 5 bar, preferably at least 10 bar.
  • the necessary capacity of the print buffer depends essentially on the course of the acceptance fluctuations, which are usually subject to a certain system.
  • the pressure product obtained in the distillation column system must have a pressure which is higher than the pressure in the gas pressure accumulator. So far, this requirement is satisfied by the fact that the evaporation of the internal compression product is carried out at a pressure which, even at the maximum pressure of the gas pressure accumulator introduction of the Ensures printed product in the gas pressure accumulator.
  • the pressure during evaporation and also the operating pressures in the distillation column system are kept constant. At currently lower pressure in the gas pressure accumulator, the gaseous pressure product is throttled, whereby energy is lost.
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned, which works energetically particularly favorable.
  • This object is achieved in that the increased pressure (ie, the pressure of the inner compression product) is varied and the variation of the increased pressure (PIV) in dependence on the pressure (PA) of the gas pressure accumulator is performed.
  • the evaporation may take place at a reduced pressure when the pressure in the gas pressure accumulator is below its maximum value. This means that less energy must be used to vaporize the product stream.
  • a gaseous heat carrier stream is regularly compressed to a high pressure (PW) and used under this high pressure for (pseudo) vaporization of the liquid product stream by indirect heat exchange.
  • PW high pressure
  • MW quantity of the heat carrier flow
  • PA pressure
  • the latter variation may depend on the pressure of the internal compaction product (PIV); the said dependence on the pressure (PA) of the gas pressure accumulator is then an indirect one.
  • the heat carrier stream can be formed, for example, by a partial stream of the feed air or by a stream of nitrogen from the distillation column system. Frequently, a partial flow of the feed air is recompressed, used as a heat transfer stream and then in the distillation column system for nitrogen-oxygen separation initiated.
  • amount is meant here the molar amount per unit time, which is measured, for example, in Nm 3 / h.
  • this also energy can be saved that the refrigeration at reduced pressure (PA) is reduced in the gas pressure accumulator by the amount of refrigerant generated in the refrigeration system of the method is varied depending on the pressure (PA) of the gas pressure accumulator.
  • the refrigeration system may include one or more expansion machines for work-related expansion of one or more process streams, one or more external energy powered refrigeration systems, and or cold supply through one or more cryogenic liquid streams.
  • the invention controls the amount of one or more process streams passed through an expansion turbine. At reduced pressure in the gas pressure accumulator this is reduced. The corresponding reduced demand for pressure energy leads to a further energy saving.
  • one or more operating parameters of the distillation column system are varied as a function of the pressure (PA) of the gas pressure accumulator.
  • Such a load change system may include a feedforward controller, for example an ALC (Automatic Load Change), or a multivariable controller, for example a Model Predictive Control (MPC).
  • ALC Automatic Load Change
  • MPC Model Predictive Control
  • the controlled adaptation of these operating parameters ensures the consistency between the selected internal compression pressure and the operating point of the distillation and furthermore prevents an unacceptable load on the heat exchangers.
  • a significant advantage of using a load change system is the ability to limit the gradient of the internal compression pressure, that is, the internal compression pressure does not follow the demand pressure arbitrarily fast, but in a controlled way. In the case of a rapid change in the take-off pressure in a transition phase, this can also lead to increased throttling or to a blow-off of the product flow in the method according to the invention. In contrast to conventional processes, however, such processes take place only for a short time.
  • the load change system is constantly active in this embodiment of the invention and adjusts the setpoint for the internal compression pressure to the current take-off pressure.
  • the pressure setpoint of the load change system is the sum of the actual decompression pressure and a preselected difference to avoid unnecessary blowdown as the decompression pressure increases.
  • this type of load control can be combined with a load change system for the product quantities.
  • the pressure profile in the gas pressure accumulator is determined based on available information about the future needs of the connected end users. This can be used in the context of the present invention for determining the pressure setpoint for the load change system in order to avoid blowing off product as much as possible.
  • the increased pressure is just above the instantaneous pressure (PA) of the gas pressure accumulator (19);
  • the difference (PIV - PA) between these two pressures is always less than half, in particular less than one third, in particular less than one fifth of the fluctuation range of the pressure of the gas pressure accumulator (19).
  • the fluctuation width of the pressure of the gas pressure accumulator is meant the difference between the permissible maximum pressure and the permissible minimum pressure of the gas pressure accumulator.
  • the invention also relates to a device for producing a printed product by cryogenic air separation according to claim 7.
  • the control or regulating device of claim 7 may be designed as a closed loop control or open loop control.
  • Air 1 is brought to a first pressure P1 in a main air compressor.
  • the compressed air 3 is cleaned in a cleaning device 4.
  • the purified air 5 is branched into a first partial flow 6 and a second partial flow 7.
  • the first partial air stream 6 is cooled in a main heat exchanger 9 to about dew point and flows via the lines 10 and 11 in the distillation column system for nitrogen-oxygen separation, which in the example has a high pressure column and a low pressure column, which has a common capacitor Evaporator, the so-called main capacitor, in heat exchange relationship.
  • the air 11 is introduced into the high-pressure column in a virtually completely gaseous state.
  • the air is decomposed into at least one oxygen-enriched product stream 13 and at least one nitrogen-enriched fraction (not shown).
  • the product stream 13 has, for example, an oxygen content of 98 to 99.5 mol%. It is taken off liquid, for example from the bottom of the low-pressure column or the evaporation space of the main condenser.
  • the liquid product stream 13 is brought to an elevated pressure PIV, which is higher than the operating pressure of the distillation column, from which it was withdrawn, and for example 15 to 30 bar.
  • the oxygen 15 is conducted under the increased pressure in the liquid or supercritical state to the cold end of the main heat exchanger 9 and evaporated in the main heat exchanger or pseudo-evaporated and warmed to about ambient temperature.
  • the product stream as gaseous pressure product 16, 18 exits the plant and is introduced into a gas pressure accumulator 19, which in the embodiment as a pipeline system is trained.
  • a gas pressure accumulator 19 which in the embodiment as a pipeline system is trained.
  • the gaseous pressure oxygen is finally delivered to a fundamentally arbitrary number n of consumers V1 to Vn.
  • the pipeline system also serves as a product buffer.
  • the pressure of the gas pressure accumulator in the embodiment between a maximum allowable pressure of 30 bar and a minimum allowable pressure of 15 bar may vary.
  • the heat required for (pseudo) evaporation supplies a heat transfer stream 21, which is also called internal compression air and a part of the second partial air stream 7, which is post-compressed in a secondary compressor 20 to a high pressure PW which is higher than the first pressure P1 and for example, 30 to 40 bar.
  • This pressure in the partial flow 21/22 is set via the valve 8 or the guide vanes of the compressor 20.
  • the internal compression air 22 flows through the main heat exchanger 9 to the cold end and is thereby condensed in indirect heat exchange with the (pseudo) evaporating oxygen 15 or - pseudo-condensed at supercritical pressure.
  • the internal compression air is released via a valve 30 and enters the nitrogen-oxygen separation distillation column system at 23 in partially liquefied state.
  • Another part 25 of the second partial air stream 7/21 is led out as a turbine stream at an intermediate temperature from the main heat exchanger. Its amount relative to the internal compression air is adjusted via the turbine blades.
  • the ratio of the flow rates of the first partial flow 6 and second partial flow 7/21 is set via a pressure relief valve 30 in partial flow 22.
  • the turbine air 25 is expanded in an expansion turbine 26 to approximately the operating pressure of the high-pressure column.
  • the expanded turbine air 27 is introduced together with the first partial flow 10 via line 11 into the high pressure column of the distillation column system for nitrogen-oxygen separation 12.
  • the turbine 26 is in the embodiment an essential element of the refrigeration system of the system.
  • the outlet pressure of the pump 14 is adapted to the instantaneous take-off pressure.
  • the pump 14 is set at an outlet pressure which is about 0.5 to 2 bar above the instantaneous take-off pressure. A certain difference is useful as a margin in order not to have to blow off the gaseous pressure product 16 immediately via the line 28 and valve 29 even with an increase in the take-off pressure.
  • the corresponding fine adjustment is made by the valve 18, in which, however, only a slight pressure reduction is made.
  • both the mass flows and the various pressures in the air separation plant are controlled by a central process control system (not shown) which is run by an automatic load change system.
  • the valves 8 and 30 are controlled, which determine the amount and pressure of the internal compression air 22, the valve 24 for determining the amount of turbine air 25, the pump 14 for determining the current amount of oxygen product, and the valve 18 for fine adjustment of the Product pressure to the take-off pressure.
  • the process control system can also close the valve 18 temporarily and blow off the gaseous pressure product via the line 28 and the valve 29 into the atmosphere.
  • FIG. 2 shows qualitatively in the upper part an exemplary time profile of the take-off pressure PA and the internal compression pressure PIV over a period of five hours plotted along the x-axis.
  • the lower part of the diagram of Figure 2 represents the time course of the amount that is discharged from the gas pressure accumulator to the consumer (solid line).
  • the decompression pressure PA may be within the fluctuation range of the gas pressure accumulator pressure between a minimum operating pressure (min) and a maximum operating pressure (max) move.
  • min minimum operating pressure
  • max maximum operating pressure
  • the course of the take-off pressure PA is followed by the inner compression pressure PIV (the “increased pressure") shown in dashed lines in principle with some distance and delay.
  • the difference PIV - PA is less than one third of the fluctuation range of the pressure of the gas pressure accumulator.
  • the internal compression pressure PIV can not be changed arbitrarily fast, so that even in the method according to the invention for short-term blowing off of product can occur (see dashed line below in Figure 2). However, the blow-off quantity can be kept low by the invention.
  • the minimum operating pressure (min) is 20 bar and the maximum operating pressure is 35 bar; the difference PIV - PA is below 2 bar, preferably in the range between 0.5 and 1 bar.
  • the invention is to be applied to any other internal compression process, in particular to those with different refrigeration with one or more turbines blowing air into the high pressure column and / or into the low pressure column or relaxing a nitrogen enriched fraction from one of the columns of the distillation column system 12.
  • the control according to the invention can be further refined by evaluating information about the future consumption quantities of the consumers V1 to Vn and from this a prediction for future values of the take-off pressure is obtained, for example according to the EP 1542102 A1 described method.
  • the load change system can then early on move the state of the air separation plant in a direction that the required in the future, interior compression pressure PIV equivalent. In this way, an even better adaptation of the course of the internal compression pressure to the take-off pressure can be achieved, which contributes significantly to avoid the temporary blowing off of product.

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Abstract

Das Verfahren dient zur Erzeugung eines Druckprodukts durch Tieftemperatur-Luftzerlegung. Einsatzluft (1) wird verdichtet (2), gereinigt (4), abgekühlt (9) und einem Destilliersäulen-System (12) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zugeführt (11,23). Ein flüssiger Produktstrom (13) wird aus dem Destilliersäulen-System (12) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck (PIV) gebracht (14) und unter diesem erhöhten Druck (PIV) verdampft oder pseudoverdampft (9).Der (pseudo-)verdampfte Produktstrom (16) wird als Druckprodukt einem Gasdruckspeicher (19) zugeführt (17), der einen variablen Druck (PA) aufweist. Der erhöhte Druck (PIV) wird variiert. Die Variation des erhöhten Drucks (PIV) wird in Abhängigkeit vom Druck (PA) des Gasdruckspeichers (19) durchgeführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Druckprodukts durch Tieftemperatur-Luftzerlegung mittels Innenverdichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt. Ein "Destilliersäulen-System" umfasst mindestens eine Trennsäule sowie die den Trennsäulen des Systems zugeordneten Kondensatoren und Verdampfer. Das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung der Erfindung kann als Einsäulensystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung ausgebildet sein, als Zweisäulensystem (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehrsäulensystem. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung.
  • Bei einem Innenverdichtungsprozess wird mindestens eines der Produkte flüssig aus einer der Säulen des Destilliersäulen-Systems oder aus einem mit einer dieser Säulen verbundenen Kondensator entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, in indirektem Wärmeaustausch, beispielsweise mit Einsatzluft oder Stickstoff, verdampft beziehungsweise (bei überkritischem Druck) pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen und einem Abnahmesystem zugeführt, das beispielsweise aus einem Gasdruckspeicher besteht. Die Druckerhöhung in der Flüssigkeit kann durch jede bekannte Maßnahme durchgeführt werden. Regelmäßig werden dabei Pumpen eingesetzt. Möglich ist aber auch die Ausnutzung eines hydrostatischen Potentials und/oder die Druckaufbauverdampfung an einem Tank.
  • Unter "Gasdruckspeicher" wird hier jedes System verstanden, das zur Pufferung von gasförmigem Druckprodukt dient und insbesondere eine Pufferkapazität aufweist, die ausreicht, um periodische Abnahmeschwankungen auszugleichen, oder die ausreicht, temporäre Defizite oder Überschüsse in der Produktion auszugleichen, die während Laständerungen auftreten können. Ein Beispiel für periodische Abnahmeschwankungen ist die Sauerstoffversorgung eines Stahlwerks, bei dem durch den Betrieb der Konverter in regelmäßigen Abständen kurzzeitig hohe Sauerstoffmengen benötigt werden. Ein weiteres Beispiel ist eine Luftzerlegungsanlage, deren Produktion kontinuierlich an einen aktuellen Verbrauch angeglichen wird, die Last (Produktionsrate) der Luftzerlegungsanlage jedoch nicht mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Verbrauch geändert werden kann und deshalb während der Lastverstellung temporäre Defizite oder Überschüsse auftreten. Im Allgemeinen sollte die Pufferkapazität des Gasdruckspeichers ausreichen, die durch eine typische Änderung des Verbrauchs (innerhalb von Minuten oder Sekunden) auftretenden Defizite oder Überschüsse in der Produktion so auszugleichen, dass die Produktion einer Luftzerlegungsanlage der Verbrauchsänderung folgen kann, ohne dass die minimal oder maximal erlaubten Druckgrenzen des Produkts verletzt werden. Die Lastverstellzeit einer typischen Luftzerlegungsanlage für eine Laständerung über den vollen Lastbereich von 70% bis 100% liegt bei 30 Minuten bis 2 Stunden.
  • Da ein "Gasdruckspeicher" mit hohen Investitionskosten verbunden ist, wird man ihn im Allgemeinen nicht für alle möglichen Fälle auslegen, sondern nur für die, während des Normalbetriebs typischen Abnahmeschwankungen. Ausnahmesituationen sind gegebenenfalls über Abblasen des Produkts oder einer Zusatzversorgung (z.B. Verdampfer für kryogene Flüssigkeiten) abzudecken.
  • Unter "Gasdruckspeicher" wird insbesondere ein System verstanden, das eine Pufferkapazität aufweist, die mindestens gleich der Menge an zum Druckprodukt zu (pseudo-)verdampfendem flüssigem Produktstrom ist, welche das Destilliersäulen-System im Normalbetrieb innerhalb eines bestimmten Zeitraums erzeugte, zum Beispiel mindestens gleich der innerhalb einer Minute erzeugten Menge, insbesondere mindestens gleich der innerhalb von fünf Minuten erzeugten Menge oder mindestens gleich der innerhalb von 10 Minuten erzeugten Menge. Die Pufferkapazität eines Gasdruckspeichers wird bestimmt durch dessen Volumen und die mögliche Schwankungsbreite seines Drucks, also die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Betriebsdruck. Der minimale Betriebsdruck wird durch die Druckanforderungen der Verbraucher festgelegt, der maximale durch die Konstruktion des Gasdruckspeichers und hierfür geltende Sicherheitsbestimmungen.
    Ein "Gasdruckspeicher" kann beispielsweise durch einen oder mehrere dezidierte Gasdruckspeicher-Behälter gebildet werden oder durch ein Pipelinesystem mit großer Rohrleitungslänge, das beispielsweise zur Versorgung mehrerer Verbraucher mit Druckgas dient. Ein derartiger "Gasdruckspeicher" wird in einem bestimmten Druckbereich betrieben, der durch einen minimalen zulässigen Druck und einen maximalen zulässigen Druck bestimmt ist. Zwischen diesen beiden Werten liegt typischerweise eine Differenz von mindestens 2 bar, insbesondere mindestens 5 bar, vorzugsweise mindestens 10 bar. Je größer die zulässige Schwankungsbreite des Drucks ist, umso mehr Kapazität ist im Druckpuffer des Gasdruckspeichers verfügbar. Die notwendige Kapazität des Druckpuffers hängt im wesentlichen ab vom Verlauf der Abnahmeschwankungen, die in der Regel einer bestimmten Systematik unterliegen. Um in den Gasdruckspeicher einströmen zu können, muss das in dem Destilliersäulen-System gewonnene Druckprodukt einen Druck aufweisen der höher ist als der Druck im Gasdruckspeicher. Bisher wird diese Forderung dadurch erfüllt, dass die Verdampfung des Innenverdichtungsprodukts bei einem Druck durchgeführt wird, der auch bei dem maximalen Druck des Gasdruckspeichers eine Einführung des Druckprodukts in das Gasdruckspeichers sicherstellt. Der Druck beim Verdampfen und auch die Betriebsdrücke im Destilliersäulen-System werden konstant gehalten. Bei aktuell niedrigerem Druck im Gasdruckspeicher wird das gasförmige Druckprodukt abgedrosselt, wodurch Energie verloren geht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das energetisch besonders günstig arbeitet.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der erhöhte Druck (also der Druck des Innenverdichtungsprodukts) variiert wird und die Variation des erhöhten Drucks (PIV) in Abhängigkeit vom Druck (PA) des Gasdruckspeichers durchgeführt wird.
  • Durch die Anpassung des Drucks des Innenverdichtungsprodukts kann die Verdampfung bei erniedrigtem Druck stattfinden, wenn der Druck im Gasdruckspeicher unterhalb seines Maximalwerts liegt. Dies bedeutet, dass weniger Energie zum Verdampfen des Produktstroms eingesetzt werden muss.
  • Bei einem Innenverdichtungsverfahren wird regelmäßig ein gasförmiger Wärmeträgerstrom auf einen hohen Druck (PW) verdichtet und unter diesem hohen Druck zur (Pseudo-)Verdampfung des flüssigen Produktstroms durch indirekten Wärmeaustausch eingesetzt. Im Rahmen der Erfindung ist es günstig, wenn hierbei der hohe Druck (PW) und/oder Menge (MW) des Wärmeträgerstroms variiert wird und die Variation des hohen Drucks (PW) beziehungsweise der Menge (MW) in Abhängigkeit vom Druck (PA) des Gasdruckspeichers durchgeführt wird. Hierdurch wird bei der Verdichtung des Wärmeträgerstroms Energie eingespart, wenn der Druck des Gasdruckspeichers unterhalb seines Maximalwerts liegt. In der Praxis kann sich die zuletzt genannte Variation nach dem Druck des Innenverdichtungsprodukts (PIV) richten; die genannte Abhängigkeit vom Druck (PA) des Gasdruckspeichers ist dann eine indirekte.
  • Der Wärmeträgerstrom kann zum Beispiel durch einen Teilstrom der Einsatzluft oder durch einen Stickstoffstrom aus dem Destilliersäulen-System gebildet werden. Häufig wird ein Teilstrom der Einsatzluft nachverdichtet, als Wärmeträgerstrom eingesetzt und anschließend in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet. Unter "Menge" wird hier die molare Menge pro Zeiteinheit verstanden, die zum Beispiel in Nm3/h gemessen wird.
  • Zusätzlich oder alternativ kann im Rahmen der Erfindung auch dadurch Energie eingespart werden, dass die Kälteerzeugung bei reduziertem Druck (PA) im Gasdruckspeicher vermindert wird, indem die in dem Kälteerzeugungssystem des Verfahrens erzeugte Kältemenge in Abhängigkeit vom Druck (PA) des Gasdruckspeichers variiert wird.
  • Das Kälteerzeugungssystem kann eine oder mehrere Entspannungsmaschinen zur arbeitsleistenden Entspannung eines oder mehrerer Prozess-Ströme, eine oder mehrere mit externer Energie angetriebene Kälteanlagen und oder die Kältezufuhr durch einen oder mehrere tiefkalte Flüssigkeitsströme umfassen. Typischerweise wird bei der Erfindung die Menge eines oder mehrerer über eine Expansionsturbine geleiteter Prozess-Ströme geregelt. Bei verringertem Druck im Gasdruckspeicher wird diese vermindert. Der entsprechend verminderte Bedarf an Druckenergie führt zu einer weiteren Energieeinsparung.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein oder mehrere Betriebsparameter des Destilliersäulen-Systems in Abhängigkeit vom Druck (PA) des Gasdruckspeichers variiert.
  • Es ist bekannt, die Betriebsparameter einer Luftzerlegungsanlage über ein Lastwechselsystem an variable Produktmengen anzupassen. Ein derartiges Lastwechselsystem kann eine Feedforward-Steuerung, zum Beispiel ein ALC (Automatic Load Change), oder eine multivariabler Regeleinrichtung, zum Beispiel ein MPC (Model Predictive Control) umfassen. Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, ein derartiges System zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Anlage bei der Variation des Innenverdichtungsdrucks einzusetzen und damit die Betriebsparameter des Destilliersäulen-Systems zu optimieren. Durch die kontrollierte Anpassung dieser Betriebsparameter wird die Konsistenz zwischen dem gewählten Innenverdichtungsdruck und dem Betriebspunkt der Destillation sichergestellt und weiterhin eine unzulässige Belastung der Wärmetauscher vermieden. Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung eines Lastwechselsystems ist die Möglichkeit, den Gradienten des Innenverdichtungsdrucks zu begrenzen, das heißt der Innenverdichtungsdruck folgt dem Abnahmedruck nicht beliebig schnell, sondern in kontrollierter Weise. Dies kann bei schneller Änderung des Abnahmedrucks in einer Übergangsphase auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer verstärkten Abdrosselung beziehungsweise zu einem Abblasen des Produktstroms führen. Im Gegensatz zu konventionellen Prozessen erfolgen solche Vorgänge jedoch nur kurzzeitig.
  • Das Lastwechselsystem ist in dieser Ausgestaltung der Erfindung ständig aktiv und passt den Sollwert für den Innenverdichtungsdruck an den aktuellen Abnahmedruck an. Der Drucksollwert des Lastwechselsystems wird die Summe aus aktuellem Abnahmedruck und einer vorgewählten Differenz gebildet, um bei einem Anstieg des Abnahmedrucks ein unnötiges Abblasen zu vermeiden. Selbstverständlich kann diese Art von Lastregelung mit einem Lastwechselsystem für die Produktmengen kombiniert werden.
  • Vorteilhaft ist außerdem eine Kombination mit einer prädiktiven Druckregelung des Gasdruckspeichers (zum Beispiel einer Pipeline), wie sie in EP 1542102 A1 beschrieben ist. Hierbei wird der Druckverlauf im Gasdruckspeicher anhand verfügbarer Informationen über den zukünftigen Bedarf der angeschlossenen Endverbraucher ermittelt. Dieser kann im Rahmen der vorliegende Erfindung zur Bestimmung des Drucksollwerts für das Lastwechselsystems verwendet werden, um ein Abblasen von Produkt so weit wie möglich zu vermeiden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt der erhöhten Druck (PIV) nur knapp über dem momentanen Druck (PA) des Gasdruckspeichers (19); insbesondere ist die Differenz (PIV - PA) zwischen diesen beiden Drücken ständig geringer als die Hälfte, insbesondere geringer als ein Drittel, insbesondere geringer als ein Fünftel der Schwankungsbreite des Drucks des Gasdruckspeichers (19). Unter der Schwankungsbreite des Drucks des Gasdruckspeichers ist die Differenz zwischen dem zulässigen Maximaldruck und dem zulässigen Minimaldruck des Gasdruckspeichers gemeint.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Druckprodukts durch Tieftemperatur-Luftzerlegung gemäß dem Patentanspruch 7. Die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung des Anspruchs 7 kann als Closed Loop Control oder Open Loop Control ausgeführt sein.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figur 1
    ein grob vereinfachtes Schema des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel und
    Figur 2
    ein Diagramm für den zeitlichen Verlauf des Abnahme- und des Innenverdichtungsdrucks.
  • Luft 1 wird in einem Hauptluftverdichter auf einen ersten Druck P1 gebracht. Die Druckluft 3 wird in einer Reinigungseinrichtung 4 gereinigt. Die gereinigte Luft 5 wird in einen ersten Teilstrom 6 und einen zweiten Teilstrom 7 verzweigt. Der erste Luftteilstrom 6 wird in einem Hauptwärmetauscher 9 auf etwa Taupunkt abgekühlt und strömt über die Leitungen 10 und 11 in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das in dem Beispiel eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, die über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer, den so genannten Hauptkondensator, in Wärmeaustauschbeziehung stehen. Die Luft 11 wird in praktisch vollständig gasförmigem Zustand in die Hochdrucksäule eingeleitet.
  • In dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 12 wird die Luft in mindestens einen sauerstoffangereicherten Produktstrom 13 und mindestens eine stickstoffangereicherte Fraktion (nicht dargestellt) zerlegt. Der Produktstrom 13 weist beispielsweise einen Sauerstoffgehalt von 98 bis 99.5 mol-% auf. Er wird flüssig entnommen, zum Beispiel aus dem Sumpf der Niederdrucksäule oder dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators. In einer Pumpe 14 wird der flüssige Produktstrom 13 auf einen erhöhten Druck PIV gebracht, der höher als der Betriebsdruck der Destilliersäule ist, aus der er abgezogen wurde, und beispielsweise 15 bis 30 bar beträgt. Der Sauerstoff 15 wird unter dem erhöhten Druck in flüssigem oder überkritischem Zustand zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9 geführt und im Hauptwärmetauscher verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Über ein Austrittsventil 18 tritt der Produktstrom als gasförmiges Druckprodukt 16, 18 aus der Anlage aus und wird in ein Gasdruckspeicher 19 eingeleitet, der in dem Ausführungsbeispiel als Pipelinesystem ausgebildet ist. Über das Pipelinesystem 19 wird der gasförmige Drucksauerstoff schließlich an eine grundsätzlich beliebige Anzahl n von Verbrauchern V1 bis Vn geliefert.
  • Das Pipelinesystem dient auch als Produktpuffer. Je nach momentaner Abnahmemenge kann der Druck des Gasdruckspeichers (an der Stelle der Mündung der Leitung 17) in dem Ausführungsbeispiel zwischen einem maximalen zulässigen Druck von 30 bar und einem minimalen zulässigen Druck von 15 bar schwanken.
  • Die zur (Pseudo-)Verdampfung benötigte Wärme liefert ein Wärmeträgerstrom 21, der auch Innenverdichtungsluft genannt wird und einen Teil des zweiten Luftteilstroms 7 darstellt, der in einem Nachverdichter 20 auf einen hohen Druck PW nachverdichtet wird, der höher als der erste Druck P1 ist und beispielsweise 30 bis 40 bar beträgt. Dieser Druck im Teilstrom 21/22 wird über das Ventil 8 bzw. die Leitschaufeln des Verdichters 20 eingestellt. Unter diesem hohen Druck durchströmt die Innenverdichtungsluft 22 den Hauptwärmetauscher 9 bis zum kalten Ende und wird dabei in indirektem Wärmeaustausch mit dem (pseudo-)verdampfenden Sauerstoff 15 kondensiert oder - bei überkritischem Druck - pseudo-kondensiert. Die Innenverdichtungsluft wird über ein Ventil 30 entspannt und tritt bei 23 in teilweise verflüssigtem Zustand in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung ein.
  • Ein anderer Teil 25 des zweiten Luftteilstroms 7/21 wird als Turbinenstrom bei einer Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher herausgeführt. Seine Menge relativ zur Innenverdichtungsluft wird über die Leitschaufeln der Turbine eingestellt. Das Verhältnis der Mengenströme von erstem Teilstrom 6 und zweitem Teilstrom 7/21 wird über ein Entspannungsventil 30 in Teilstrom 22 eingestellt.
  • Die Turbinenluft 25 wird in einer Expansionsturbine 26 auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule entspannt. Die entspannte Turbinenluft 27 wird gemeinsam mit dem ersten Teilstrom 10 über Leitung 11 in die Hochdrucksäule des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 12 eingeleitet. Die Turbine 26 stellt in dem Ausführungsbeispiel ein wesentliches Element des Kälteerzeugungssystems der Anlage dar.
  • In konventioneller Weise würde die gesamte Luftzerlegungsanlage stationär betrieben und die Pumpe 14 ständig einen Druck von etwas mehr als dem maximalen Abnahmedruck von z. B. 30 bar erzeugen. Die Anpassung an den aktuellen Abnahmedruck würde ausschließlich durch eine entsprechende Drosselung in Ventil 18 erreicht. Selbst bei variierender Produktmenge würde in Pumpe 14 lediglich die Menge an flüssigem Produktstrom 13/15 eingestellt, der Druck bliebe jedoch konstant.
  • Bei der Erfindung wird dagegen der Austrittsdruck der Pumpe 14 an den momentanen Abnahmedruck angepasst. Die Pumpe 14 wird auf einen Austrittsdruck eingestellt, der etwa 0,5 bis 2 bar über dem momentanen Abnahmedruck liegt. Eine gewisse Differenz ist als Spielraum sinnvoll, um auch bei einem Ansteigen des Abnahmedrucks das gasförmige Druckprodukt 16 nicht sofort über die Leitung 28 und Ventil 29 abblasen zu müssen. Die entsprechende Feinanpassung wird durch das Ventil 18, in dem aber nur noch eine geringfügige Druckverminderung vorgenommen wird.
  • Vorzugsweise werden sowohl die Mengenströme als auch die verschiedenen Drücke in der Luftzerlegungsanlage, einschließlich der Parameter des Trennprozesses im Innern des Destilliersäulen-Systems 12 zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung mittels eines zentralen Prozessleitsystems (nicht dargestellt) geregelt, das von einem automatischen Lastwechselsystem geführt wird. Dabei werden unter anderem die Ventile 8 und 30 angesteuert, welche die Menge und Druck der Innenverdichtungsluft 22 bestimmen, das Ventil 24 zur Festlegung der Menge der Turbinenluft 25, die Pumpe 14 zur Festlegung der aktuellen Menge des Sauerstoffprodukts, und das Ventil 18 zur Feinanpassung des Produktdrucks an den Abnahmedruck. Für den Ausnahmefall, dass es nicht gelingt, die Anlage einem steigenden Abnahmedruck schnell genug folgen zu lassen, kann das Prozessleitsystem auch das Ventil 18 zeitweise schließen und das gasförmige Druckprodukt über die Leitung 28 und das Ventil 29 in die Atmosphäre abblasen.
  • Figur 2 zeigt im oberen Teil einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Abnahmedrucks PA und des Innenverdichtungsdrucks PIV über einem entlang der x-Achse aufgetragenen Zeitraum von fünf Stunden qualitativ dar.
  • Der untere Teil des Diagramms von Figur 2 stellt den zeitlichen Verlauf der Menge dar, die vom Gasdruckspeicher an die Verbraucher abgegeben wird (durchgezogene Linie).
  • Im oberen Teil des Diagramms ist mit einer durchgezogenen Linie der Verlauf des Abnahmedrucks PA im Druckspeicher bzw. in der Produktpipeline des Gasdruckspeichers (der "Druck des Gasdruckspeichers") dargestellt. Der Abnahmedruck PA kann sich innerhalb der Schwankungsbreite des Gasdruckspeicherdrucks zwischen einem minimalen Betriebsdruck (min) und einem maximalen Betriebsdruck (max) bewegen. Wenn die Abnahmemenge steigt (durchgezogene Linie unten), sinkt der Abnahmedruck PA (durchgezogene Linie oben) und umgekehrt. Dem Verlauf des Abnahmedrucks PA folgt der oben gestrichelt dargestellte Innenverdichtungsdruck PIV (der "erhöhte Druck") grundsätzlich mit etwas Abstand und Verzögerung. Die Differenz PIV - PA ist geringer als ein Drittel der Schwankungsbreite des Drucks des Gasdruckspeichers.
  • Der Innenverdichtungsdruck PIV kann nicht beliebig schnell verändert werden, sodass es auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu kurzzeitigem Abblasen von Produkt kommen kann (siehe gestrichelte Linie unten in Figur 2). Die Abblasemenge kann durch die Erfindung jedoch gering gehalten werden.
  • In einem konkreten Zahlenbeispiel für die Lieferung von Drucksauerstoff an ein Stahlwerk betragen der minimale Betriebsdruck (min) 20 bar und der maximale Betriebsdruck 35 bar; die Differenz PIV - PA liegt unterhalb von 2 bar, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 1 bar.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung auf jedes andere Innenverdichtungsverfahren anzuwenden, insbesondere auf solche mit einer abweichenden Kälteerzeugung mit einer oder mehreren Turbinen, die Luft in die Hochdrucksäule und/oder in die Niederdrucksäule einblasen oder eine stickstoffangereicherte Fraktion aus einer der Trennsäulen des Destilliersäulen-Systems 12 entspannen.
  • Die erfindungsgemäße Regelung kann weiter verfeinert werden, indem Informationen über den zukünftigen Verbrauchsmengen der Verbraucher V1 bis Vn ausgewertet und daraus eine Vorhersage für zukünftige Werte des Abnahmedrucks gewonnen wird, beispielsweise gemäß der in EP 1542102 A1 beschriebenen Methode. Das Lastwechselsystem kann dann frühzeitig den Zustand der Luftzerlegungsanlage in eine Richtung bewegen, die dem in der Zukunft benötigten Innenverdichtungsdruck PIV entspricht. Auf diese Weise kann eine noch bessere Anpassung des Verlaufs des Innenverdichtungsdrucks an den Abnahmedruck erreicht werden was wesentlich dazu beiträgt, das zeitweise Abblasen von Produkt zu vermeiden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines Druckprodukts durch Tieftemperatur-Luftzerlegung, bei dem
    - Einsatzluft (1) verdichtet (2), gereinigt (4), abgekühlt (9) und einem Destilliersäulen-System (12) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zugeführt (11, 23) wird,
    - ein flüssiger Produktstrom (13) aus dem Destilliersäulen-System (12) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck (PIV) gebracht (14) und unter diesem erhöhten Druck (PIV) verdampft oder pseudo-verdampft (9) wird und
    - der (pseudo-)verdampfte Produktstrom (16) als Druckprodukt einem Gasdruckspeicher (19) zugeführt (17) wird, der einen variablen Druck (PA) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der erhöhte Druck (PIV) variiert wird und
    - die Variation des erhöhten Drucks (PIV) in Abhängigkeit vom Druck (PA) des Gasdruckspeichers (19) durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein gasförmiger Wärmeträgerstrom (7, 21, 22) auf einen hohen Druck (PW) verdichtet (20) wird und der flüssige Produktstrom (13, 15) durch indirekten Wärmeaustausch (9) mit dem unter dem hohen Druck stehenden Wärmeträgerstrom (pseudo-)verdampft wird, wobei der hohe Druck (PW) und oder die Menge (MW) des Wärmeträgerstroms variiert wird und die Variation des hohen Drucks (PW) beziehungsweise der Menge (MW) des Wärmeträgerstroms in Abhängigkeit vom Druck (PA) des Gasdruckspeichers (19) durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kälteerzeugungssystem (26) Kälte für das Verfahren gewonnen wird und die in dem Kälteerzeugungssystem (26) erzeugte Kältemenge in Abhängigkeit vom Druck (PA) des Gasdruckspeichers (19) variiert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebsparameter des Destilliersäulen-Systems in Abhängigkeit vom Druck (PA) des Gasdruckspeichers (19) variiert werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erhöhten Druck (PIV) nur knapp über dem Druck (PA) des Gasdruckspeichers (19) liegt und insbesondere die Differenz (PIV - PA) zwischen diesen beiden Drücken geringer als die Hälfte, insbesondere geringer als ein Drittel, insbesondere geringer als ein Fünftel der Schwankungsbreite des Drucks des Gasdruckspeichers (19) ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftstrom (7, 21, 22) auf einen hohen Druck (PW) verdichtet (20) wird und der flüssige Produktstrom (13, 15) durch indirekten Wärmeaustausch (9) mit dem unter dem hohen Druck stehenden Luftstrom (pseudo-)verdampft wird.
  7. Vorrichtung zur Erzeugung eines Druckprodukts durch Tieftemperatur-Luftzerlegung mit
    - einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (12),
    - Mitteln (1, 3, 5, 6, 7, 10, 11, 21, 22, 23, 25, 27) zum Zuführen verdichteter, gereinigter und abgekühlter Einsatzluft in das Destilliersäulen-System (12) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung,
    - Mitteln (13, 15) zum Entnehmen eines flüssigen Produktstroms aus dem Destilliersäulen-System (12) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung,
    - Mitteln (14), um den Produktstrom in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck (PIV) zu bringen,
    - Mitteln (9) zum Verdampfen oder Pseudo-Verdampfen des Produktstroms unter dem erhöhten Druck (PIV) und
    - Mitteln (16, 17) zum Zuführen des (pseudo-)verdampften Produktstroms als Druckprodukt zu einem Gasdruckspeicher (19),
    gekennzeichnet durch, dass
    - Mitteln zum Variieren des erhöhten Drucks (PIV) und
    - eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung, welche die Variation des erhöhten Drucks (PIV) in Abhängigkeit vom Druck (PA) des Gasdruckspeichers durchführt.
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