Verfahren zum Betreiben einer Luftzerleaunasanlaae mit einem

Destillationssäulensvstem. einem Wärmetauscher und einem Adsorber sowie

Luftzerleaunasanlaae

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage mit einem zur Tieftemperaturrektifikation eingerichteten Destillationssäulensystem, einem Wärmetauscher und einem Adsorber sowie eine entsprechende Luftzerlegungsanlage gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben. Weitere Details zu entsprechenden Verfahren und Anlagen im konkreten Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden weiter unten noch erläutert.

In einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, unter anderem auch zur Herstellung von Luftprodukten in Luftzerlegungsanlagen, werden Wärmetauscher (technisch korrekter: Wärmeübertrager) mit tiefkalten Fluiden, d.h. Fluiden mit Temperaturen von deutlich unter 0°C, insbesondere deutlich unter -100°C, betrieben. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung überwiegend unter Bezugnahme auf die Hauptwärmetauscher von Luftzerlegungsanlagen beschrieben, denen bereits in einem Adsorber getrocknete und von Kohlendioxid befreite Luft zur Abkühlung zugeführt wird. Die Erfindung betrifft hingegen nicht Anlagen, die Wärmetauscher aufweisen, welche zum Ausfrieren von Wasser und Kohlendioxid aus Luft verwendet werden, und die daher zyklisch betrieben werden, um von Zeit zu Zeit ausgefrorenes Wasser und Kohlendioxid aus dem Wärmetauscher zu entfernen. Derartige Anlagen erfordern spezifisch an den Reinigungszweck angepasste Betriebsmodi, die sich nicht auf Wärmetauscher, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, übertragen lassen. Zum Aufbau und Betrieb von Hauptwärmetauschern von Luftzerlegungsanlagen sei auf Häring (s.o.), Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" verwiesen. Details zu Wärmetauschern allgemein sind beispielsweise der Veröffentlichung "The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association", 2. Auflage, 2000, insbesondere Abschnitt 1 .2.1 , "Components of an Exchanger" zu entnehmen. Ist in der nachfolgenden Beschreibung von einem "Wärmetauscher" die Rede, sei hierunter immer auch der Hauptwärmetauscher einer Luftzerlegungsanlage verstanden.

Ohne zusätzliche Maßnahmen vollziehen Wärmetauscher von Luftzerlegungsanlagen einen Temperaturausgleich und erwärmen sich beim Stillstand der Anlage und damit der Außerbetriebnahme des Wärmetauschers, bzw. das sich in einem entsprechenden Wärmetauscher im stationären Betrieb ausbildende Temperaturprofil kann in einem solchen Fall nicht gehalten werden.

Insbesondere kommt es bei einer Außerbetriebnahme eines Wärmetauschers bevor dieser sich insgesamt erwärmt aufgrund der guten Wärmeleitung (Wärmelängsleitung) in dessen metallischem Material zu einem Angleich der Temperaturen am zuvor warmen Ende und am zuvor kalten Ende. Mit anderen Worten wird das zuvor warme Ende des Wärmetauschers über die Zeit kälter und das zuvor kalte Ende des Wärmetauschers wärmer, bis die genannten Temperaturen bei oder nahe bei einer mittleren Temperatur liegen. Dies ist auch in der beigefügten Figur 1 nochmals veranschaulicht. Die Temperaturen, die hier zum Zeitpunkt der Außerbetriebnahme bei ca. -175°C bzw. +20°C lagen, gleichen sich dabei über mehrere Stunden aneinander an und erreichen nahezu die mittlere Temperatur.

Dieses Verhalten wird insbesondere dann beobachtet, wenn beim Abschalten einer Luftzerlegungsanlage der Hauptwärmetauscher, der kälteisoliert untergebracht ist, zusammen mit der Rektifikationseinheit eingeblockt wird, d.h. wenn von außen kein Gas mehr zugeführt wird. In einem solchen Fall wird typischerweise lediglich Gas, das durch thermische Isolationsverluste entsteht, kalt abgeblasen.

Bei einer ggf. anschließend erfolgenden Einspeisung von warmer Luft am abgekühlten warmen Ende des Wärmetauschers bei seiner Wiederinbetriebnahme erhöht sich dort schlagartig die Temperatur. Entsprechend verringert sich die Temperatur am erwärmten kalten Ende bei der Wiederinbetriebnahme, falls dort ein kaltes Luftprodukt aus dem Destillationssäulensystem der Luftzerlegungsanlage eingespeist wird, schlagartig. Dies führt zu den bereits erwähnten Materialspannungen und damit ggf. auf längere Sicht zu Schäden.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher insbesondere die Aufgabe, Maßnahmen anzugeben, die eine Wiederinbetriebnahme eines Wärmetauschers einer Luftzerlegungsanlage auch nach längerer Außerbetriebnahme ermöglichen, ohne dass die erwähnten nachteiligen Effekte auftreten.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage mit einem zur Tieftemperaturrektifikation eingerichteten Destillationssäulensystem, einem Wärmetauscher und einem Adsorber und eine entsprechende Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor.

Zunächst werden nachfolgend einige zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendete Begriffe erläutert und definiert.

Ein "Wärmetauscher" ist im hier verwendeten Sprachgebrauch ein Apparat, der zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei z.B. im Gegenstrom zueinander geführten Fluidströmen ausgebildet ist. Ein Wärmetauscher zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Ein Wärmetauscher weist "Passagen" auf, die zur Fluidführung eingerichtet und von anderen Passagen fluidisch durch Trennbleche getrennt bzw. nur über die jeweiligen Header ein- und ausgangsseitig verbunden sind. Die Trennung der Passagen nach außen erfolgt über Seitenleisten (engl. Side Bars). Die genannten Passagen werden nachfolgend als "Wärmetauscherpassagen" bezeichnet. Nachfolgend werden die Begriffe "Wärmetauscher" und "Wärmeübertrager" synonym verwendet. Entsprechendes gilt auch für die Begriffe "Wärmetausch" und "Wärmeaustausch". Der "Hauptwärmetauscher" einer Luftzerlegungsanlage zeichnet sich dadurch aus, dass durch ihn zumindest der überwiegende Anteil der zu zerlegenden Luft und der gebildeten Luftprodukte geführt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die gemäß der deutschen Fassung der ISO 15547-2:2005 als Rippen-Platten-Wärmeaustauscher (engl. Plate-Fin Heat Exchangers) bezeichnete Apparate. Ist nachfolgend von einem "Wärmetauscher" die Rede, sei daher hierunter insbesondere ein Rippen-Platten-Wärmeaustauscher verstanden. Ein Rippen-Platten-Wärmeaustauscher weist eine Vielzahl übereinanderliegender flacher Kammern bzw. langgestreckter Kanäle auf, die jeweils durch gewellte oder anderweitig strukturierte und miteinander verbundene, beispielsweise verlötete Platten, i.d.R. aus Aluminium, voneinander getrennt sind. Die Platten werden mittels der Seitenleisten stabilisiert und über diese miteinander verbunden. Die Strukturierung der Wärmetauscherplatten dient insbesondere dazu, die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern, aber auch dazu, die Stabilität des Wärmetauschers zu erhöhen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf gelötete Rippen-Platten-Wärmeaustauscher aus Aluminium. Grundsätzlich können entsprechende Wärmetauscher aber auch aus anderen Materialien, beispielsweise aus Edelstahl, oder aus verschiedenen unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.

Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die herkömmlicherweise beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den Destillationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Destillationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Destillationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Üblicherweise werden Begriffe wie "Rektifikation" und "Destillation" sowie "Kolonne" und "Säule" bzw. hieraus zusammengesetzte Begriffe synonym verwendet. Die vorliegende Erfindung eignet sich für Luftzerlegungsanlagen mit beliebigen Destillationssäulensystemen, die auf tiefkalten Temperaturen, d.h. bei zumindest teilweise weniger als -100°C, betrieben werden. Zu Details sei auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.

Die einer Luftzerlegungsanlage zugeführte Luft wird zunächst im sogenannten Hauptluftverdichter auf ein Druckniveau verdichtet, das sich nach der spezifischen Betriebsweise der Luftzerlegungsanlage richtet und typischerweise bei dem höchsten Betriebsdruck in dem Destillationssäulensystem oder deutlich darüber liegen kann. Die Luft erwärmt sich bei dieser Verdichtung und wird daher anschließend zunächst in einem Direktkontaktkühler gekühlt. Diese Kühlung reduziert den Feuchtigkeitsgehalt der wassergesättigten Luft und verringert auf diese Weise den Aufwand für die anschließende Trocknung.

Die Luft enthält nun neben Wasser insbesondere noch Kohlendioxid. Wasser und Kohlendioxid müssen entfernt werden, da sich bei der anschließenden Abkühlung im Hauptwärmetauscher durch Desublimation bzw. Ausfrieren Feststoffe bilden können, die den Wärmetauscher sukzessive zusetzen bzw. verlegen. In der Luft enthaltene Kohlenwasserstoffe können ebenfalls problematisch sein, da sie weniger flüchtig sind als Stickstoff und Sauerstoff und sich daher im flüssigen Sauerstoff ansammeln können, der beispielsweise im Sumpf der Niederdruckkolonne gebildet wird. Zur Entfernung der genannten Komponenten werden zumindest in Luftzerlegungsanlagen neuerer Art Adsorber verwendet.

Ein Adsorber einer Luftzerlegungsanlage weist, wie bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus", beschrieben, typischerweise paarweise angeordnete Adsorptionsbehälter auf, die zwischen Adsorptions- und Regenerationsmodus umgeschaltet werden. Als Adsorptionsmaterial werden typischerweise Zeolithe verwendet, die als Molekularsieb wirken. Ein Adsorptionszyklus dauert typischerweise zwischen 1 ,5 h und 6 h und wird auf dem Druckniveau der verdichteten Luft durchgeführt. Vor der Regeneration erfolgt typischerweise innerhalb von ca. 10 min eine Druckentlastung auf Umgebungsdruck. Die Regeneration erfolgt unter Verwendung eines trockenen Regeneriergasstroms in Gegenstromrichtung. Die Regeneration unterteilt sich dabei in eine Heizphase, in der der Regeneriergasstrom erwärmt wird, und eine anschließende Kühlphase mit kaltem Regeneriergas. Es folgt eine Druckaufbauphase von ca. 20 Minuten.

Mittels eines Adsorbers wird also gasförmige und im Wesentlichen wasser- und kohlendioxidfreie Druckluft bereitgestellt, die im Hauptwärmetauscher abgekühlt werden kann. Wie erwähnt betrifft die vorliegende Erfindung dagegen nicht Anlagen, in denen, wie beispielsweise in der US 3,469,271 A, entsprechende Komponenten durch Ausfrieren aus der eingesetzten Druckluft entfernt werden. Ist hier von einem "Luftprodukt" die Rede, wird hierunter ein Gas oder eine Flüssigkeit oder ein Medium im überkritischen Zustand verstanden, das bzw. die eine oder mehrere in atmosphärischer Luft enthaltene, aber keine weiteren (luftfremde) Komponenten aufweist. Die eine oder die mehreren Komponenten aus der atmosphärischen Luft können in den gleichen oder in anderen absoluten oder relativen Anteilen als in der atmosphärischen Luft in dem Luftprodukt vorliegen.

Ein Luftprodukt oder ein anderes Fluid ist im hier zu verstehenden Sinn "frei" von Wasser und Kohlendioxid, wenn es keine nachweisbaren Anteile von Wasser und Kohlendioxid aufweist. Es kann auch im üblicherweise verstandenen Sinne "im Wesentlichen" frei von Wasser und Kohlendioxid sein, so dass Wasser und Kohlendioxid nicht in wirksamen Mengen enthalten sind. Es können insbesondere Restgehalte von bis zu wenigen ppm (parts per million) an Wasser und Kohlendioxid enthalten sein, ohne dass durch entsprechende Restgehalte die wesentlichen Eigenschaften der Einsatzluft oder eines entsprechenden Luftprodukts in Bezug auf die Bearbeitung in dem Wärmetauscher beeinflusst würden.

Vorteile der Erfindung

Grundsätzlich kann ein (Flaupt-)Wärmetauscher einer Luftzerlegungsanlage während eines Stillstands der zugehörigen Anlage mit kaltem Gas aus einem Tank oder Abgas aus der stehenden Anlage durchströmt werden, um eine Erwärmung zu vermeiden bzw. das im stationären Betrieb (d.h. insbesondere dem üblichen Produktionsbetrieb einer entsprechenden Anlage) ausgebildete Temperaturprofil zu halten. Ein derartiger Betrieb ist jedoch in herkömmlichen Verfahren ggf. nur aufwendig zu realisieren.

In bestimmten Fällen kann, wie beispielsweise auch in der US 5,233,839 A vorgeschlagen, zur Vermeidung der Abkühlung des warmen Endes eines entsprechenden Wärmetauschers dort auch eine Einleitung von Wärme aus der Umgebung über Wärmebrücken vorgenommen werden. Befindet sich stromab des Wärmetauschers keine Prozesseinheit mit signifikanter Pufferkapazität für Kälte (z.B. kein Rektifikationskolonnensystem mit Ansammlung kryogener Flüssigkeiten) wie beispielsweise in einer reinen Luftverflüssigungsanlage, so kann durch eine derartige Warmhaltung das Auftreten übermäßiger thermischer Spannungen beim schlagartigen Zuführen warmer Prozessströme am warmen Ende bei der Wiederinbetriebnahme reduziert werden. Die zugeführten warmen Prozessströme können in diesem Fall nach dem Austritt am kalten Ende des Wärmetauschers entspannt und als kalte Ströme über das kalte Ende zum warmen Ende rückgeführt werden, so dass der Wärmetauscher auf diese Weise durch eine Joule-Thomson-Abkühlung langsam in sein Normaltemperaturprofil gefahren werden kann.

Befindet sich jedoch stromab des Wärmetauschers eine Prozesseinheit mit einer nennenswerten Pufferkapazität für Kälte (z.B. ein Rektifikationskolonnensystem mit Ansammlung kryogener Flüssigkeiten, wie in einer Luftzerlegungsanlage der Fall), so kann man mittels der zuvor beschriebenen Maßnahmen zwar das Auftreten von Thermospannungen an dieser Stelle minimieren, am zugleich angewärmten kalten Ende kann es jedoch hier durch das schlagartige Einsetzen der Durchströmung mit kälterem Fluid zum Auftreten von Thermospannungen durch unzulässig hohe (zeitliche und örtliche) Temperaturgradienten kommen. Hierbei fördert die Warmhaltung des warmen Endes sogar noch die Bildung von höheren Temperaturunterschieden am kalten Ende und damit das Auftreten von erhöhten Thermospannungen.

Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem nun wie in den entsprechenden unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Sie schlägt hierzu ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage mit einem zur Tieftemperaturrektifikation eingerichteten Destillationssäulensystem, einem Wärmetauscher und einem Adsorber vor. Der Wärmetauscher ist dabei insbesondere der Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage.

Die vorliegende Erfindung betrifft dabei insbesondere solche Maßnahmen, die eine übermäßige thermische Beanspruchung des kalten Endes des Wärmetauschers vermeiden. Derartige Maßnahmen können jedoch jederzeit mit weiteren Maßnahmen kombiniert werden, die auf eine Reduktion thermischer Spannungen am warmen Ende des Wärmetauschers gerichtet sind.

Die vorliegende Erfindung kann neben entsprechenden Maßnahmen zur Temperierung des warmen Endes eines entsprechenden Wärmetauschers auch jederzeit mit weiteren Maßnahmen zur Temperierung des kalten Endes des Wärmetauschers kombiniert werden. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, das Verfahren in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus durchzuführen, wobei der erste Betriebsmodus in einem ersten Zeitraum und der zweite Betriebsmodus in einem zweiten Zeitraum durchgeführt wird und der zweite Zeitraum nach dem ersten Zeitraum liegt. Der zweite Zeitraum und der erste Zeitraum überlappen dabei einander im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht und werden mehrfach alternierend durchgeführt. Der erste Zeitraum bzw. der in diesem ersten Zeitraum durchgeführte erste Betriebsmodus entspricht dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung dem Produktionsbetrieb einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage, also jenem Betriebszeitraum, in dem flüssige und/oder gasförmige Luftprodukte bereitgestellt werden. Entsprechend stellt der zweite Betriebsmodus, der in dem zweiten Betriebszeitraum durchgeführt wird, einen Betriebszeitraum dar, in dem entsprechende Luftprodukte nicht gebildet werden. Entsprechende zweite Zeiträume bzw. zweite Betriebsmodi dienen insbesondere zur Energie- bzw. Kosteneinsparung, beispielsweise wenn keine Luftprodukte benötigt werden, Anreize aus dem Energiemarkt eine Drosselung der Produktion rechtfertigen, oder zur Durchführung von Wartungsarbeiten.

Wie bereits erwähnt, wird der Wärmetauscher im zweiten Betriebsmodus vorzugsweise nicht bzw. in einem deutlich geringeren Umfang durchströmt als in dem ersten Betriebsmodus. Die vorliegende Erfindung schließt, wie bereits erwähnt, nicht aus, dass in dem zweiten Betriebsmodus auch gewisse Mengen an Gasen durch einen entsprechenden Wärmetauscher geführt werden, beispielsweise um diesen unterstützend zu den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen auf Temperatur zu halten bzw. zu bringen. Die Menge durch den Wärmetauscher geführter Fluide in dem zweiten Betriebsmodus liegt jedoch stets deutlich unter den Mengen von Fluiden, die in einem regulären ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführt werden. Die Menge, der in dem zweiten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführten Fluide beträgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise insgesamt nicht mehr als 20%, 10%, 5% oder 1%, bezogen auf die in dem ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführte Fluidmenge.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus mehrfach alternierend zueinander durchgeführt, d.h. auf den ersten Betriebsmodus folgt stets der zweite Betriebsmodus und auf den zweiten Betriebsmodus sodann wieder der erste Betriebsmodus usw. Dies schließt jedoch insbesondere nicht aus, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus bzw. zwischen dem zweiten und dem ersten Betriebsmodus weitere Betriebsmodi vorgesehen sein können, insbesondere zwischen dem zweiten und dem ersten Betriebsmodus der erfindungsgemäß vorgesehene dritte Betriebsmodus. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ergibt sich dabei insbesondere die folgende Abfolge: erster Betriebsmodus - zweiter Betriebsmodus - dritter Betriebsmodus - erster Betriebsmodus usw.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird in dem ersten Betriebsmodus Druckluft in dem Adsorber zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher abgekühlt. Ferner wird in dem ersten Betriebsmodus dem Destillationssäulensystem ein Luftprodukt entnommen und zumindest zu einem Anteil in den Wärmetauscher erwärmt.

Durch den Betrieb der Luftzerlegungsanlage wird ein erstes Ende des Wärmetauschers, an dem die abzukühlende Druckluft eingespeist und das erwärmte Luftprodukt entnommen wird, auf ein erstes Temperaturniveau gebracht. Ein zweites Ende des Wärmetauschers, an dem das zu erwärmende Luftprodukt eingespeist und die abgekühlte Druckluft entnommen wird, wird auf ein zweites Temperaturniveau unterhalb des ersten Temperaturniveaus gebracht. Das erste Temperaturniveau entspricht dabei insbesondere Umgebungstemperatur und umfasst beispielsweise Temperaturen von 0 bis 50°C. Das zweite Temperaturniveau entspricht insbesondere der Entnahmetemperatur des Luftprodukts aus dem Destillationssäulensystem und liegt vorzugsweise bei deutlich kryogenen Temperaturen, insbesondere bei -50°C bis - 200°C, beispielsweise bei -100°C bis -200°C oder bei -150°C bis -200°C.

Ist hier davon die Rede, dass die konkret angesprochene Druckluft oder ein konkret angesprochenes Luftprodukt entsprechend abgekühlt bzw. erwärmt werden, ist hiermit selbstverständlich nicht ausgeschlossen, dass auch weitere Fluidströme abgekühlt bzw. erwärmt werden können. Entsprechende weitere Fluidströme können eine gleiche oder andere Zusammensetzung aufweisen. Beispielsweise kann Druckluft in Form eines Gesamtstroms bereitgestellt werden, aus dem mehrere Teilströme gebildet und auf gleiche oder unterschiedliche Temperaturen abgekühlt werden können. Ferner können im Rahmen der vorliegenden Erfindung ggf. auch mehrere Fluidströme dem Destillationssäulensystem oder einem entsprechenden Speichersystem entnommen und gemeinsam oder getrennt voneinander in dem Wärmetauscher erwärmt werden.

Entsprechende Fluidströme können auch beispielsweise in dem Wärmetauscher in zwei oder mehrere Teilströme aufgeteilt werden, die dem Wärmetauscher auf gleichen oder unterschiedlichen Temperaturen entnommen werden. Selbstverständlich ist auch möglich, in dem Wärmetauscher einen weiteren Fluidstrom zuzuspeisen und einen auf diese Weise gebildeten Sammelstrom in dem Wärmetauscher weiter zu erwärmen. In jedem Fall werden jedoch in dem Wärmetauscher Druckluft und ein Luftprodukt (alleine oder gemeinsam mit weiteren Strömen wie zuvor erläutert) abgekühlt oder erwärmt.

In dem zweiten Betriebsmodus wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Abkühlung der Druckluft und die Erwärmung des Luftprodukts in dem Wärmetauscher teilweise oder vollständig ausgesetzt. Beispielsweise kann anstelle dieser Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführt und in dem Wärmetauscher abgekühlt bzw. erwärmt werden, kein Fluid durch den Wärmetauscher geführt werden. Die Wärmetauscherpassagen des Wärmetauschers, die in dem ersten Betriebsmodus zur Abkühlung bzw. Erwärmung verwendet werden, bleiben also in diesem Fall undurchströmt. Es ist jedoch auch möglich, anstelle der Druckluft bzw. des Luftprodukts, die in dem ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführt und abgekühlt bzw. erwärmt werden, andere Fluidströme durch den Wärmetauscher zu führen, insbesondere in deutlich geringerer Menge. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ergibt sich jedoch während des zweiten Betriebsmodus der Effekt, dass sich das warme Ende des Wärmetauschers abkühlt und/oder das kalte Ende des Wärmetauschers erwärmt, wobei, wie erwähnt, die Erfindung insbesondere Maßnahmen betrifft, die ein Auftreten übermäßiger Temperaturspannungen am kalten Ende des Wärmetauschers verhindern.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist also, dass in dem zweiten Betriebsmodus zugelassen wird, dass das zweite Ende des Wärmetauschers, welchem in dem ersten Betriebsmodus das zu erwärmende Luftprodukt zugeführt und die abgekühlte Druckluft entnommen wird, sich von dem zweiten Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau erwärmt. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Erwärmung auf drittes Temperaturniveau, wie es nachfolgend auch noch unter Bezugnahme auf den dritten Betriebsmodus erläutert wird. Das dritte Temperaturniveau kann bei einer mittleren Temperatur zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturniveau liegen bzw. weicht insbesondere um nicht mehr als 10 K hiervon ab. Wie erwähnt, kann sich insbesondere auch das erste Ende des Wärmetauschers, dem in dem ersten Betriebsmodus die abzukühlende Druckluft zugeführt und das erwärmte Luftprodukt entnommen wird, abkühlen, wobei die vorliegende Erfindung jedoch primär nicht Maßnahmen betrifft, die eine Temperierung des Wärmetauschers an diesem ersten Ende, dem "warmen Ende", betreffen.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass in einem dritten Zeitraum zwischen dem zweiten Zeitraum und dem ersten Zeitraum bzw. einem weiteren ersten Zeitraum, der sich in dem mehrfach alternierenden Betrieb an einen vorigen zweiten Zeitraum anschließt, ein dritter Betriebsmodus durchgeführt wird. Dieser dritte Betriebsmodus dient insbesondere zur Temperierung des zweiten, also kalten Endes des Wärmetauschers, das sich während des zweiten Betriebsmodus in der erläuterten Weise auf das dritte Temperaturniveau erwärmt hat, weil eine entsprechende Erwärmung zugelassen wurde, beispielsweise durch ein Nichttemperieren in diesem zweiten Betriebsmodus. Der dritte Betriebsmodus wird erfindungsgemäß insbesondere dazu durchgeführt, um das zweite, also kalte Ende des Wärmetauschers von einem entsprechend erhöhten dritten Temperaturniveau wieder auf das zweite Temperaturniveau oder in die Nähe des zweiten Temperaturniveaus zu bringen, um anschließend eine entsprechende Anlage wieder normal in dem ersten Betriebsmodus betreiben zu können, d.h. am kalten Ende des Wärmetauschers tiefkaltes Fluid in Form des Luftprodukts und ggf. anderer Ströme einspeisen zu können, ohne übermäßige Temperaturspannungen zu bewirken. Vorteilhafterweise wird der dritte Betriebsmodus daher unmittelbar vor einem sich anschließenden erneuten ersten Zeitraum durchgeführt.

In dem dritten Betriebsmodus wird erfindungsgemäß, und zwar grundsätzlich wie in dem ersten Betriebsmodus, Druckluft in dem Adsorber zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher abgekühlt. Ebenso wird in dem dritten Betriebsmodus dem Destillationssäulensystem das Luftprodukt entnommen und zumindest zu einem Anteil in dem Wärmetauscher erwärmt. Es können dabei gleiche oder andere Mengen wie bzw. als in dem ersten Betriebsmodus verwendet werden. Erfindungsgemäß wird ein einstellbarer Anteil der in dem Wärmetauscher abgekühlten Druckluft oder eine einstellbare Menge an weiterer Druckluft, die in dem Adsorber zumindest teilweise von Wasser und Kohlendioxid befreit, aber nicht in dem Wärmetauscher abgekühlt wurde, dem Luftprodukt zugespeist, bevor dieses in dem Wärmetauscher erwärmt wird.

Da durch die graduelle Inbetriebnahme die Kühlleistung des Wärmetauschers, insbesondere durch den Wärmeeintrag aus der Umgebung und den Temperaturausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende, die Druckluft in dem dritten Betriebsmodus zunächst noch nicht so stark abgekühlt wird wie bei späterer vollständig wiederhergestellter Leistung, ist die Temperatur, auf den die Druckluft abgekühlt wird bzw. abgekühlt werden kann, in dem dritten Betriebsmodus deutlich höher als in dem ersten Betriebsmodus. Daher kann die abgekühlte Druckluft in dem dritten Betriebsmodus zu einer Temperierung verwendet werden, indem diese in einstellbarer Menge dem Luftprodukt, das auf deutlich geringeren Temperaturen vorliegt, zugespeist wird. Die noch nicht abgekühlte Druckluft weist naturgemäß eine nochmals deutlich höhere Temperatur auf und kann daher ebenfalls in entsprechender Weise verwendet werden.

Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird, wie mehrfach erwähnt, bewirkt, dass ein kaltes Ende eines Wärmetauschers nach einer längeren Stillstandsphase, in der sich dieses kalte Ende erwärmt hat, nicht unmittelbar mit tiefkalten Fluiden beaufschlagt wird, sondern graduell abgekühlt werden kann. Der dritte Betriebsmodus wird dabei, wie erwähnt, vorteilhafterweise so lange durchgeführt, bis sich das erste Ende wieder auf dem ersten Temperaturniveau befindet oder sich ausreichend diesem angenähert hat und bis das zweite Ende sich wieder auf dem zweiten Temperaturniveau befindet oder sich ausreichend diesem angenähert hat.

Eine "ausreichende Annäherung" kann insbesondere bei einem Temperaturunterschied vorliegen, der unterhalb einer vorgegebenen Schwelle von beispielsweise 30, 20, 10 oder 5 K liegt bzw. kann aus geltenden Regelwerken entnommen werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Temperaturniveau eines Fluidstroms, der aus dem Luftprodukt und dem Anteil der Druckluft oder der weiteren Druckluft in dem dritten Betriebsmodus gebildet wird, sukzessive abgesenkt werden. Ein entsprechendes sukzessives Absenken kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein graduelles und/oder ein schrittweises Absenken umfassen. Ein Gradient der Absenkung kann insbesondere hinsichtlich seiner Steilheit an die vorliegenden Temperaturen bzw. Materialkenngrößen (beispielsweise thermische Verträglichkeiten bzw. Spannungsbeständigkeiten) angepasst werden. Ein graduelles oder schrittweises Absenken braucht dabei nicht über den gesamten dritten Zeitraum kontinuierlich zu erfolgen, vielmehr können auch Absenkzeiträume mit unterschiedlichen Gradienten verwendet werden.

Das sukzessive Absenken kann dabei ein Einstellen einer Menge der zugespeisten Druckluft umfassen. Das Einstellen der Menge umfasst vorteilhafterweise das Verwenden einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung, wie bereits zuvor erläutert.

Bei dem zuvor angesprochenen Luftprodukt kann es sich insbesondere um sogenannten Unreinstickstoff, d.h. ein stickstoffhaltiges Fluid mit einem Sauerstoffgehalt von beispielsweise bis zu 21% (typischerweise bis zu 10%) handeln, das einer Niederdrucksäule des Destillationssäulensystems entnommen wird, also einer Destillationssäule, die auf einem Druckniveau von 1 bis 2 bar (abs.), insbesondere 1 ,1 bis 1 ,3 bar (abs.) betrieben wird.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage, die wie in dem entsprechenden unabhängigen Patentanspruch angegeben ausgestaltet ist. Zu Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage, die insbesondere dazu eingerichtet ist, ein Verfahren durchzuführen, wie es zuvor erläutert wurde, sei auf die obigen Ausführungen ausdrücklich verwiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die eine Ausführungsform der Erfindung und entsprechende Wärmeaustauschdiagramme zeigen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 veranschaulicht Temperaturverläufe in einem Wärmetauscher nach Außerbetriebnahme ohne Einsatz von Maßnahmen gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 veranschaulicht eine Anordnung mit einem Wärmetauscher. Figur 3 veranschaulicht eine weitere Anordnung mit einem Wärmetauscher.

Figur 4 veranschaulicht eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 5 veranschaulicht eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 6 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung betrieben werden kann.

Figur 7 veranschaulicht eine weitere Anordnung mit einem Wärmetauscher.

In den Figuren sind identische oder einander funktional oder bedeutungsmäßig entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 veranschaulicht Temperaturverläufe in einem Wärmetauscher nach Außerbetriebnahme ohne Einsatz von Maßnahmen gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung in Form eines Temperaturdiagramms.

In dem in Figur 1 dargestellten Diagramm sind eine mit Fl bezeichnete Temperatur am warmen Ende eines entsprechenden Wärmetauschers und eine mit C bezeichnete Temperatur am kalten Ende jeweils in °C auf der Ordinate gegenüber einer Zeit in Stunden auf der Abszisse dargestellt.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, beträgt die Temperatur Fl am warmen Ende des Wärmeaustauschers zu Beginn der Außerbetriebnahme, die noch der Temperatur in einem regulären Betrieb des Wärmetauschers entspricht, ca. +20°C und die Temperatur C am kalten Ende ca. -175°C. Diese Temperaturen gleichen sich über die Zeit zunehmend einander an. Hierfür ist die hohe Wärmeleitfähigkeit der in dem Wärmetauscher verbauten Materialien verantwortlich. Mit anderen Worten fließt hier Wärme vom warmen Ende in Richtung des kalten Endes. Zusammen mit dem Wärmeeintrag aus der Umgebung ergibt sich eine mittlere Temperatur von ca. -90°C. Die deutliche Temperaturerhöhung am kalten Ende kommt zum größten Teil durch den internen Temperaturausgleich in dem Wärmetauscher zustande und nur in einem geringeren Anteil durch externen Wärmeeintrag.

Wie mehrfach erwähnt, kann es im dargestellten Fall zu starken thermischen Spannungen kommen, wenn das warme Ende des Wärmetauschers nach einiger Zeit der Regeneration ohne weitere Maßnahmen wieder mit einem warmen Fluid von im dargestellten Beispiel ca. 20°C beaufschlagt wird. Entsprechend kann es aber auch zu thermischen Spannungen kommen, wenn eine dem Wärmetauscher nachgeschaltete Anlage sofort wieder tiefkalte Fluide liefert, beispielsweise tiefkalte Gase aus einem Rektifikationskolonnensystem einer Luftzerlegungsanlage. Die vorliegende Erfindung adressiert insbesondere das letztere Problem.

In Figur 2 ist eine Anordnung mit einem Wärmetauscher 1 veranschaulicht, bei dem die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen nicht realisiert sind. Der Wärmetauscher 1 weist einen Wärmeaustauschbereich 10 auf, dem an einem ersten, also warmen Ende 11 Fluide zugeführt und entnommen werden und dem an einem zweiten, also kalten Ende 12 ebenfalls Fluide zugeführt bzw. entnommen werden. Im dargestellten Beispiel wird dem Wärmetauscher 1 dabei ein Fluidstrom A, in einer Luftzerlegungsanlage ein Luftprodukt aus einem Destillationssäulensystem, an dem kalten Ende 12 zugeführt, in dem Wärmeaustauschbereich 10 des Wärmetauschers 1 erwärmt, und an dem warmen Ende 11 wieder entnommen. Der erste Fluidstrom A erwärmt sich dabei entsprechend. In der Darstellung gemäß Figur 2 wird dem Wärmetauscher 1 ferner ein zweiter Fluidstrom (in einer Luftzerlegungsanlage Druckluft aus einem Adsorber) an dem warmen Ende 11 zugeführt und an dem kalten Ende 12 entnommen.

Auf diese Weise stellen sich an dem warmen Ende 11 und dem kalten Ende 12 unterschiedliche Temperaturniveaus, hier als "erstes" und "zweites" Temperaturniveau bezeichnet, ein. Wird die Zufuhr der Fluidströme A und B unterbunden, verändern sich daher die Temperaturen entsprechend und insbesondere die Temperatur an dem kalten Ende 12 erhöht sich entsprechend auf ein "drittes" Temperaturniveau.

Wie mehrfach erwähnt, würden daher, wenn der erste Fluidstrom A dem Wärmetauscher 1 auf dem zweiten Temperaturniveau wieder zugeführt werden soll, sich das kalte Ende 12 des Wärmetauschers 1 jedoch auf ein Temperaturniveau deutlich oberhalb des ersten Temperaturniveaus erwärmt hat, hier Temperaturspannungen auf, ggf. über längere Zeit zu einer Schädigung des Wärmetauschers 1 führen können.

In Figur 3 ist daher eine Anordnung mit einem Wärmetauscher 1 gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht. Zur Bezeichnung der jeweiligen Elemente der Figur 3 sei dabei auf die Erläuterungen bezüglich Figur 2 verwiesen. Auch hier kann dem Wärmetauscher 1 ein Fluidstrom A zugeführt werden, der aus einem Luftprodukt gebildet wird.

Dieser Fluidstrom A kann jedoch hier bei Bedarf unter Verwendung eines ersten Ausgangsstroms A1 und eines zweiten Ausgangsstroms A2 gebildet werden. Der erste Ausgangsstrom A1 und der zweite Ausgangsstrom A2 werden in der Ausgestaltung gemäß Figur 3 dabei von einem Basisstrom A0 abgezweigt bzw. wird der Basisstrom AO in die Ausgangsströme A1 und A2 aufgeteilt. Der Ausgangsstrom A1 wird dabei unter Restriktion durch ein Regelorgan 14, das insbesondere durch eine geeignete Steuer- bzw. Regeleinrichtung 2 angesteuert werden kann, beispielsweise ein steuer- bzw. regelbares Ventil, zur Bildung des ersten Fluidstroms A verwendet.

Der Ausgangsstrom A2 wird hingegen durch einen Erhitzer 15 geführt und in diesem erwärmt. Nach der Erwärmung wird der Teilstrom A2 mit dem Teilstrom A1 vereinigt.

Es ergibt sich eine einstellbare Mischtemperatur. Durch die Einstellung der jeweiligen Anteile des ersten und zweiten Ausgangsstroms A1 , A2 bzw. eine Menge der über dem Erhitzer 15 eingebrachten Energie, kann diese Mischtemperatur eingestellt werden. Wie erwähnt, wird das Temperaturniveau dabei insbesondere graduell verringert.

In Figur 4 ist eine Anordnung mit einem Wärmetauscher 1 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Abweichend zu der Anordnung gemäß Figur 3 ist hier ein Regelorgan 14 derart angeordnet, dass bei Bedarf ein Teil der abgekühlten Druckluft in Form des Fluidstroms B als ein zweiter Ausgangsstrom A2 einem Ausgangsstrom A1 zugespeist und damit zur Bildung des Fluidstroms A verwendet werden kann, der ansonsten ein Luftprodukt umfasst. Auch hier kann in der erläuterten Weise durch Einstellen bzw. Regeln nach Maßgabe einer Steuereinheit 2 eine Mischtemperatur erhalten werden.

In der Ausgestaltung gemäß Figur 5, in der ebenfalls eine Anordnung mit einem Wärmetauscher 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht wird, ist ein entsprechendes Regelorgan 14 dazu vorgesehen, dass der Fluidstrom A aus unabgekühlter Druckluft gebildet werden kann, die ansonsten zur Bildung des Stoffstroms B verwendet wird, so dass auch hier eine entsprechende Mischtemperatur erhalten werden kann.

Figur 6 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage mit einem Wärmetauscher, die unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann.

Luftzerlegungsanlagen der gezeigten Art sind, wie erwähnt, vielfach an anderer Stelle beschrieben, beispielsweise bei Fl.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, inbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification". Für detaillierte Erläuterungen zu Aufbau und Funktionsweise sei daher auf entsprechende Fachliteratur verwiesen. Eine Luftzerlegungsanlage zum Einsatz der vorliegenden Erfindung kann auf unterschiedlichste Weise ausgebildet sein. Der Einsatz der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Ausgestaltung gemäß Figur 6 beschränkt.

Die in Figur 6 gezeigte Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet. Sie verfügt unter anderem über einen Hauptluftverdichter 101 , eine Vorkühleinrichtung 102, einen Adsorber 103, eine Nachverdichteranordnung 104, einen Hauptwärmetauscher, wie der Wärmetauscher der Figuren 2 bis 5 mit 1 bezeichnet, eine Entspannungsturbine 106, eine Drosseleinrichtung 107, eine Pumpe 108 und ein Destillationssäulensystem 110. Das Destillationssäulensystem 110 umfasst im dargestellten Beispiel eine klassische Doppelsäulenanordnung aus einer Hochdrucksäule 111 und einer Niederdrucksäule 112 sowie eine Rohargonsäule 113 und eine Reinargonsäule 114.

In der Luftzerlegungsanlage 100 wird ein Einsatzluftstrom mittels des Hauptluftverdichters 101 über ein nicht bezeichnetes Filter angesaugt und verdichtet. Der verdichtete Einsatzluftstrom wird der mit Kühlwasser betriebenen Vorkühleinrichtung 102 zugeführt. Der vorgekühlte Einsatzluftstrom wird in dem Adsorber 103 aufgereinigt. In dem Adsorber 103 wird der vorgekühlte Einsatzluftstrom weitgehend von Wasser und Kohlendioxid befreit.

Stromab des Adsorbers 103 wird der Einsatzluftstrom in zwei Teilströme aufgeteilt. Einer der Teilströme wird auf dem Druckniveau des Einsatzluftstroms in dem Hauptwärmetauscher 1 vollständig abgekühlt. Der andere Teilstrom wird in der Nachverdichteranordnung 104 nachverdichtet und ebenfalls in dem Hauptwärmetauscher 1 abgekühlt, jedoch nur auf ein Zwischentemperaturniveau. Dieser sogenannte Turbinenstrom wird nach der Abkühlung auf das Zwischentemperaturniveau mittels der Entspannungsturbine 106 auf das Druckniveau des vollständig abgekühlten Teilstroms entspannt, mit diesem vereinigt, und in die Hochdrucksäule 111 eingespeist.

In der Hochdrucksäule 111 werden eine sauerstoffangereicherte flüssige Sumpffraktion sowie eine stickstoffangereicherte gasförmige Kopffraktion gebildet. Die sauerstoffangereicherte flüssige Sumpffraktion f wird aus der Hochdrucksäule 111 abgezogen, teilweise als Heizmedium in einem Sumpfverdampfer der Reinargonsäule 114 verwendet und jeweils in definierten Anteilen in einen Kopfkondensator der Reinargonsäule 114, einen Kopfkondensator der Rohargonsäule 113 sowie die Niederdrucksäule 112 eingespeist. In den Verdampfungsräumen der Kopfkondensatoren der Rohargonsäule 113 und der Reinargonsäule 114 verdampfendes Fluid wird ebenfalls in die Niederdrucksäule 112 überführt.

Vom Kopf der Hochdrucksäule 111 wird das gasförmige stickstoffreiche Kopfprodukt abgezogen, in einem Hauptkondensator, der eine wärmetauschende Verbindung zwischen der Hochdrucksäule 111 und der Niederdrucksäule 112 herstellt, verflüssigt, und in Anteilen als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 111 aufgegeben und in die Niederdrucksäule 112 entspannt.

In der Niederdrucksäule 112 werden eine sauerstoffreiche flüssige Sumpffraktion sowie eine stickstoffreiche gasförmige Kopffraktion gebildet. Erstere wird teilweise in der Pumpe 108 flüssig auf Druck gebracht, in dem Hauptwärmetauscher 105 erwärmt, und als Produkt bereitgestellt. Aus einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung am Kopf der Niederdrucksäule 112 wird ein flüssiger stickstoffreicher Strom abgezogen und als Flüssigstickstoffprodukt aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeführt werden. Ein vom Kopf der Niederdrucksäule 112 abgezogener gasförmiger stickstoffreicher Strom wird durch den Hauptwärmetauscher 105 geführt und als Stickstoffprodukt auf dem Druck der Niederdrucksäule 112 bereitgestellt. Aus der Niederdrucksäule 112 wird ferner ein Strom aus einem oberen Bereich abgezogen und nach Erwärmung in dem

Hauptwärmetauscher 1 als sogenannter Unreinstickstoff in der Vorkühleinrichtung 102 bzw. nach einer Aufheizung mittels eines elektrischen Heizers in dem Reinigungssystem 103 verwendet. Insbesondere dieser Unreinstickstoff ist es, dem in den erläuterten Ausgestaltungen der Erfindung im dritten Betriebsmodus die Druckluft zugespeist werden kann.

In Figur 7 ist eine weitere nicht erfindungsgemäße Anordnung mit einem Wärmetauscher 1 dargestellt und insgesamt mit 700 bezeichnet. Zum Temperieren wird hier ein Kreislaufstrom C verwendet, der warmseitig des Wärmetauschers mittels eines Verdichters 701 verdichtet, in einem Kühler 702 vorgekühlt, dem Wärmetauscher 1 am warmen Ende 11 zugeführt, dem Wärmetauscher 1 am kalten Ende 12 entnommen, mittels eines Ventils 703 entspannt, dem Wärmetauscher 1 am kalten Ende 12 wieder zugeführt, dem Wärmetauscher 1 am warmen Ende 11 wieder entnommen und erneut dem Verdichter 701 zugeführt wird. Durch die Entspannung an dem Ventil 703 ergibt sich eine graduelle Abkühlung.