Broschüre Sauerstoffanreicherung (PDF 3.63 MB) - Linde Gas

→ Sauerstoffanreicherung
Effizienzsteigerung und Prozessintensivierung durch Sauerstoff.
21 ist nicht genug.

02 Sauerstoffanreicherung
Prozessoptimierung mit minimalem
Aufwand. Sauerstoff erhöht die
Effizienz von Luftoxi dationen.
Oxidationsreaktionen nehmen im breiten Spektrum prozesschemischer
Vorgänge eine wichtige Rolle ein. Molekularer Sauerstoff ist dabei
das mit Abstand wichtigste Oxidationsmittel und wird in zunehmendem
Maße als Reingas eingesetzt. Historisch gewachsen findet aber
auch eine Vielzahl von Verfahren Einsatz, die auf der Anwendung von
Luft als Oxidationsmittel basieren. Aufgrund des hohen N 2-Gehaltes
von 78 Vol.-% ist ihr Oxidationspotenzial jedoch stark eingeschränkt.
Darüber hinaus sind große, sich inert verhaltende Gasmengen durch
den Prozess zu schleusen, die sowohl aufgewärmt als auch abgekühlt
werden müssen und auch bei der Abgasbehandlung einen erheblichen
Aufwand verursachen.
In vielen Fällen lässt sich das Oxidationspotenzial durch den Zusatz von
gasförmigem Sauerstoff (GOX) zur Prozessluft deutlich erhöhen (vgl.
Grafik unten). Typische Gründe für eine Anwendung dieser sogenannten
O 2-Anreicherung, die meist ohne großen Aufwand realisiert werden
kann, sind u. a. Limitationen in der Prozessluftversorgung, die geforderte
Erhöhung der Kapazität oder überlastete Abgasbehandlungsstufen.
Verminderter Gasfluss durch O 2-Anreicherung
Gasfluss 0 2-angereicherte Luft [%]
Luftbetrieb
100
80
60
40
20
Geringe O 2-Anreicherung bewirkt
signifikante Senkung des Gasflusses
0
20 30 40 50 60 70 80 90 100
02-Gehalt in der angereicherten Luft [%]
OXYMIX Sauerstoffinjektor für die Sauerstoffanreicherung

Thermische Luftoxidationen. Das volle
Potenzial ausschöpfen.
Claus-Prozess – Durchsatz und Effizienz erhöhen
Claus-Anlagen in Raffinerien verarbeiten hoch konzentrierte Schwefelwasserstoff
(H 2S)-Fraktionen und setzen diese in elementaren
Schwefel um. Sie können außerdem Verunreinigungen entfernen,
insbesondere durch die Umwandlung von Ammoniak in Stickstoff und
Wasser.
Strengere Umweltgesetze führen dazu, dass die Produkte einen
niedrigeren Schwefelgehalt enthalten. In der Folge nimmt der H 2S-
Durchsatz in den betroffenen Claus-Anlagen stetig zu. Diese Steigerung
kann in den Claus-Anlagen dazu führen, dass es zu Engpässen in der
Verarbeitung kommt. Um dieses Problem zu lösen, empfiehlt Linde die
Sauerstoff anreicherung der Brennerluft.
Vorteile der Sauerstoffanreicherung:
→ Höhere Kapazität der Claus-Anlage
→ Steigerung der Produktivität ohne Änderung des Druckabfalls
→ Geringerer Aufwand für Abgasreinigung (reduzierter
Stickstoffdurchsatz), weniger Heizgas
→ Effektivere Verbrennung von ammoniakhaltigen Einsatz stoffen
(reduzierte Gefahr von Salzablagerungen, Verstopfung und Korrosion)
Kapazitätsausweitung durch erhöhten Sauerstoffgehalt
Steigerung der Produktivität [%]
90 % H 2S 70 % H 2S 50 % H 2S 30 % H 2S
70
60
50
40
30
20
10
Neuer Brenner nötig
0
21 24 27 30 33 36 39 42
Sauerstoffgehalt [Vol.-%]
Sauerstoffanreicherung
Effizienz der Ammoniakreduzierung durch angereicherte Luft
Effizienz der Ammoniakreduzierung:
Luft vs. angereicherte Luft [%]
300
250
200
150
100
50
0
Luft
Sauerstoffgehalt [Vol.-%]
03
20 22 24 26 28 30

04 Sauerstoffanreicherung
FCC-Prozess – Kapazität und Flexibilität bestmöglich steigern
Das katalytische Fließbett-Cracken (FCC-Verfahren) ist ein äußerst
wichtiger Prozess bei der Veredelung schwerer Rückstände in einer
Raffinerie. Mit diesem Verfahren wird in erster Linie Vakuumgasöl
aus der Rohdestillationsanlage in Benzin-Blending-Komponenten und
Heizöle umgewandelt.
Beim FCC-Verfahren werden mithilfe eines Katalysators schwere und
komplexe Kohlenwasserstoffe in leichtere gespalten. Als Ausgangsprodukt
wird Vakuumgasöl eingesetzt, häufig gemischt mit Raffinerierückständen.
Hierbei kommt es zu Koksablagerungen auf dem Katalysator,
die kontinuierlich im Regenerator abgebrannt werden müssen. Dieser
Abbrand kann durch Sauerstoffanreicherung verbessert werden.
Vorteile der Sauerstoffanreicherung:
→ Steigerung der FCC-Kapazität
→ Höhere Flexibilität bei der Auswahl der Einsatzstoffe
→ Verwendung schwererer Einsatzstoffe
→ Erhöhung der Konversion
→ Reduzierung der Rückstände
CEPSA Raffinerie in San Roque, Spanien

Abwasserverbrennung
Verbrennung niederkalorischer Medien – Gasverbrauch bei
der Abwasserverbrennung senken
Die Sauerstoffanreicherung bietet bei der Verbrennung von kontaminierten
Abwässern, die chemisch/biologisch nicht mehr weiter aufbereitet
werden können, entscheidende Vorteile. Aufgrund ihres niedrigen
Wärmegehalts sind enorme Aufwendungen für die Verbrennung
der Abwässer notwendig (Stützflamme). Durch Zugabe von Sauerstoff
in die Verbrennungsluft kann die Kapazität der Anlagen bei gleichzeitig
verringertem Gasverbrauch stark ausgeweitet werden.
Bei der Verbrennung wird das Abwasser zerstäubt und in die Gasphase
überführt, mit der Verbrennungsluft vermischt und auf ca. 850
bis 1200 °C erhitzt. Die enthaltenen organischen Inhaltsstoffe reagieren
dabei fast vollständig zu CO 2 und Wasser, als Rückstand verbleiben
nicht brennbare anorganische Stoffe. Bei Problemen mit NO x-Grenzwerten
kann die Sauerstoffdosierung direkt über spezielle Lanzen in den
Nachverbrennungsraum erfolgen.
Vorteile der Sauerstoffanreicherung:
→ Geringerer Heizgasverbrauch
→ Kapazitätserhöhung
→ Reduzierung der Abgasmenge
Sauerstoffanreicherung
Schwachgase in der Metallurgie – Wirkungsgrad entscheidend
verbessern
Seit vielen Jahren hat der Trend zur Energieeinsparung zur Folge, dass
in zunehmendem Maße „Inhouse-Gase” bzw. Kuppelgase – Koksofen-,
Hochofen- oder Konvertergase – energetisch genutzt werden. In integrierten
Hüttenwerken stehen vorwiegend große Mengen an Brennstoffen
mit geringen Heizwerten zur Verfügung. Durch die Verbrennung
von Hochofengas mit Sauerstoff wird sowohl die adiabate Verbrennungstemperatur
von z. B. 1270 °C auf 1685 °C als auch der feuerungstechnische
Wirkungsgrad angehoben. Eine O 2-Anreicherung von nur
3 % beim Konvertergas bewirkt dabei in vielen Fällen eine Steigerung
des Wirkungsgrades um 5 %.
Vorteile der Sauerstoffanreicherung:
→ Optimierung der Verbrennung
→ Steigerung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades
Weitere Anwendungsbereiche:
→ Grubengase
→ Deponiegase
05

06 Sauerstoffanreicherung
Katalytische Luftoxidationen. Mehr Ausbeute,
weniger Abgas.
Gas-/Flüssig-Oxidationen
Bei Gas-/Flüssig-Oxidationen wird zunehmend der Einsatz von gasförmigem
Sauerstoff in Betracht gezogen. So kann hierdurch beispielsweise
bei der Produktion von Peroxiden oder der Oxidation von Toluol-
Derivaten eine höhere Effizienz erreicht werden.
Grundsätzlich gibt es zwei Sauerstoffanwendungen, die bei Oxidationsprozessen
entscheidende Verbesserungen ermöglichen:
→ Sauerstoffanreicherung der Oxidationsluft
→ Total-Substitution von Luft durch Sauerstoff
Vorteile der Sauerstoffanreicherung:
→ Höherer Durchsatz und verbesserte Selektivität
→ Konstante Umsetzungsrate bei niedrigerer Temperatur
→ Einsparungen bei Betriebskosten
Mögliche Anwendungsfelder:
Produktion von Chemikalien wie
→ Terephthalsäure = PTA (aus Xylol)
→ Phenol und Aceton (aus Cumol)
→ Polyamide, z. B. Nylon (aus Cyclohexanon)
→ Benzoesäure (aus Toluol)
→ Dimethyltherephthalat (aus Xylol)
O 2-Anreicherung bei Gas-/Flüssig-Oxidationen
Änderung zur Luftoxidation [%]
Abgas Ausbeute
20
15
10
5
0
-5
-1,6
24
9,6
O 2-Anreicherung [Vol.-%]
-3,5
18,3
Experimente mit O 2-Anreicherung:
Erzielbare Effekte bei der Luftoxidation von Cumol zu Cumolhydroperoxid
27

Sauerstoffanreicherung
Sauerstoff belebt die Biotechnologie. Beste
Ergebnisse durch beste Bedingungen.
In der Biotechnologie ergibt sich durch die Anwendung von Sauerstoff
in der Begasungsluft eine Vielzahl von positiven Effekten. Generell
führt die gleichbleibend hohe Gasqualität zu stabileren Prozessen.
Dabei lässt sich die Qualität des Sauerstoffs exakt den Anforderungen
anpassen.
Wirtschaftlichkeit im Fokus
Durch die Verkürzung der Prozessdauer wird der Fermenter bei mikrobiellen
Fermentationsprozessen optimal genutzt und die Raum-Zeit-Ausbeute
kann deutlich gesteigert werden. Zudem verringert sich das Fermentervolumen,
bei einer gleichzeitigen Steigerung der Produktivität.
Diese Prozessoptimierung führt zu einem verringerten Medienbedarf
und einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit um bis zu 45 %.
Optimierte Prozesse erhöhen die Leistungsfähigkeit
Ein weiterer Vorteil ist die Reduzierung des Energieeintrags in den Fermenter
aufgrund des geringeren Gaseintrags, da nur das tatsächlich für
den Prozess benötigte Gas durch den Fermenter geschleust wird.
Zeitvorteil durch Sauerstoffanreicherung bei der Fermentation von E. Coli
X [g/l]
Luftbegasung O 2-Anreicherung
60
40
20
Fermentation Rüstzeit Fermentation Rüstzeit
Fermentation
Zeit [h]
Gegen Ende der Fermentation wirkt der Sauerstoff gezielt einer auftretenden
Limitation entgegen. So lassen sich bei der Kultivierung hohe
Zelldichten zur Prozessmaximierung erreichen.
Außerdem reduzieren sich die Scherkräfte. Davon profitieren insbesondere
Zellkulturen aufgrund ihrer dünnen Zellwände. Die geringere
Begasungsrate vermindert auch die Schaumbildung, wodurch sich die
Zudosierung von Entschäumern verringern lässt.
Vorteile der Sauerstoffanreicherung:
→ Steigerung der Produktivität um bis zu 45 %
→ Prozessoptimierung durch hohe Zelldichten
→ Reduzierung des Gaseintrags in den Fermenter
→ Verminderte Scherkräfte und Schaumbildung
0 15 30 45 60 75
Fermentation
Rüstzeit
07

08 Sauerstoffanreicherung
Perfekt abgestimmte Hardware. Hightech für
höchste Ansprüche.
Grundsätzlich sind zur Einbindung einer Sauerstoffversorgung neben einer Sauerstoffquelle
– oftmals eine O 2-Produktionsanlage (On-Site) – zudem eine Gasmess- und Regeleinheit
(FLOWTRAIN®) sowie eine Vorrichtung zur Gasinjektion in die Prozessluftleitung
nötig. Insbesondere bei der Realisierung von Sauerstofftests im technischen Maßstab
wird bevorzugt das folgende Versorgungssystem eingesetzt, das auf flüssigem Sauerstoff
(LOX) basiert.
Versorgungssystem mit flüssigem Sauerstoff (LOX)
LOX-Tank Verdampfer FLOWTRAIN®
OXYMIX ist eine Marke der Linde Group.
FLOWTRAIN® ist eine eingetragene Marke der Linde Group.
Luft
O 2
Gasinjektor (OXYMIX)
Angereicherte Luft zum
Oxidationsreaktor

OXYMIX – optimale Sauerstoffverteilung durch
gleichmäßige Vermischung
Die Luft und der zusätzlich zugeführte Sauerstoff müssen innerhalb
einer kurzen Mischstrecke komplett miteinander vermischt werden, um
eine zuverlässige Sauerstoffanalyse und eine homogene Oxidation im
nachgeschalteten Reaktor zu erhalten.
Dabei ist es entscheidend, die Bildung von Zonen mit hoher Sauerstoffkonzentration
im Reaktor zu verhindern, da hierdurch lokal zu hohe
Temperaturen auftreten können. Diese Hotspots können zu unkontrollierbaren
Reaktionen führen. Zudem kann sich durch eine ungleiche
Sauerstoffverteilung das Explosionsrisiko erhöhen.
Die Konstruktion des OXYMIX-Sauerstoffmischers basiert auf CFD-
Simulationen (CFD = Computational Fluid Dynamics). Über Düsen, die
auf einem Lochkreis gleichmäßig verteilt sind, wird der Sauerstoff in
einem bestimmten Winkel entgegen der Luftströmung eingetragen.
Dabei mischt der OXYMIX Luft und Sauerstoff vollständig innerhalb
einer kurzen Mischstrecke. Dadurch treten keine hohen Sauerstoffkonzentrationen
an der Rohrwand auf und die Risiken der Sauerstoffanreicherung
werden reduziert.
Beispiel einer CFD-Simulation eines OXYMIX
Längsschnitt
Sauerstoffverteilung in Längs- und Querschnitten der Luftleitung.
Betriebsdaten: Luftgeschwindigkeit 5 m/s, Sauerstoffanreicherung 24 Vol.-%.
FLOWTRAIN® FT300 für den Einsatz in einer Claus-Anlage
Querschnitt bei z = 0 Querschnitt bei z = 2D
Sauerstoffanreicherung
FLOWTRAIN® – sicher und gezielt dosieren
In Abhängigkeit von der Prozessluftmenge dosiert FLOWTRAIN® Sauerstoff
bis zur gewünschten Konzentration in die Prozessluft. Für das Einblasen
selbst kommt ein OXYMIX-Sauerstoffinjektor zum Einsatz, der
für die jeweilige Anwendung ausgelegt ist. Bei einer Flüssigversorgung
wird eine Druckregelung vorgeschaltet.
FLOWTRAIN®-Anlagen sind gemäß ATEX 95 ausgeführt und für einen
Betrieb in Ex-Zone 1 zugelassen. Der Werkstoff der verarbeiteten Teile
ist Edelstahl 1.4571 oder gleichwertiges Material.
Für einen sicheren Betrieb kommt im Falle der Abschaltung das „Blockand-Bleed“-Konzept
zum Tragen. Hierbei schließen sich ein Schnellschlussventil
am Eintritt und das Regelventil am Austritt. Die Rohrstrecke
zwischen diesen beiden Ventilen wird durch ein Auf-/Zu-Ventil
entlüftet. Damit ist sichergestellt, dass weder von der Luftleitung noch
aus dem Sauerstofftank Gas in den anderen Bereich strömen kann. Je
nach Sauerstoffbedarf stehen FLOWTRAIN®-Anlagen mit einem Sauerstoffdurchsatz
von 50 bis 5.000 Nm³/h zur Verfügung.
09

10 Sauerstoffanreicherung
Service mit Weitsicht. Aus Erfahrung
die richtigen Entscheidungen treffen.
Testanlagen
In der Regel gehen der technischen Anwendung einer O 2-Anreicherung
experimentell fundierte Untersuchungen voraus, um eine verlässliche
Prognose der zu erwartenden Effekte abgeben zu können.
Linde verfügt über die dafür nötigen Anlagen und Instrumente, die bei
vergleichbaren Reaktionssystemen erfolgreich erprobt wurden. Neben
einer modular gebauten, mobilen Rührkesseltechnikumsanlage kommen
eine Blasensäule sowie die entsprechende Software zum Einsatz.
Funktionen der Software:
→ Ermittlung kinetischer Daten
→ Maßstabsübertragung auf technisch angewandte Oxidationsreaktoren;
d. h. Rührkessel oder Blasensäulen
→ Simulation technischer Reaktoren
Rührkesseltechnikumsanlage zur Untersuchung von Gas-/Flüssig-Reaktionen

Sauerstoffanreicherung
Unsere Leistungen geben Planungssicherheit.
Von der Analyse bis zum Betrieb.
Die langjährige Erfahrung von Linde im Umgang mit Gasen bildet
zusammen mit dem umfassenden verfahrenstechnischen Know-how
die Grundlage für eine effiziente und individuelle Projektbearbeitung.
Zunächst wird ermittelt, welche Möglichkeiten einer Sauerstoffanreicherung
bestehen. Leistungsfähige und erprobte Prozess-Simulationsprogramme
sowie Stoffdatenbanken gewährleisten dabei eine
optimale Auslegung, einen sicheren Anlagenbetrieb sowie den wirtschaftlichen
Einsatz des technischen Sauerstoffs.
Umfangreiches Leistungspaket für jede Projektphase:
→ Experimentelle Untersuchungen, z. B. bei Gas-/Flüssig-Oxidationen
in einer Rührkesseltechnikumsanlage
→ Unterstützung bei der Auswertung Ihrer Daten
→ Rechnerische Ermittlung der Auswirkungen auf die Großanlage
→ Erarbeitung einer technischen Lösung
→ Unterstützung bei Sicherheitsbetrachtungen
→ Zusammenarbeit bei Versuchen im technischen Maßstab
→ Lieferung, Installation sowie Inbetriebnahme der Einrichtungen zur
Sauerstoffversorgung und -injektion inklusive spezifischer Mess-
und Regeltechnik
→ Ausarbeitung eines optimierten Konzeptes zur Sauerstoffversorgung
und -lieferung
Unsere erfahrenen Experten beraten Sie gerne bei der Projektierung
Ihrer Sauerstoffversorgung und erstellen ein durchdachtes Konzept
nach Ihren Vorgaben. Wenden Sie sich bei Fragen bitte an Ihren
zu ständigen Außendienstmitarbeiter.
Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter
www.linde-gas.de/21.
11

Vorsprung durch Innovation.
Linde ist mehr. Linde übernimmt mit zukunftsweisenden Produkt- und Gasversorgungskonzepten eine Vorreiterrolle
im globalen Markt. Als Technologieführer ist es unsere Aufgabe, immer wieder neue Maßstäbe zu setzen. Angetrieben
durch unseren Unternehmergeist arbeiten wir konsequent an neuen hochqualitativen Produkten und innovativen Verfahren.
Linde bietet mehr – wir bieten Mehrwert, spürbare Wettbewerbsvorteile und erhöhte Profitabilität. Jedes Konzept wird
exakt auf die Bedürfnisse unserer Kunden abgestimmt. Individuell und maßgeschneidert. Das gilt für alle Branchen und für
jede Unternehmensgröße.
Wer heute mit der Konkurrenz von morgen mithalten will, braucht einen Partner an seiner Seite, für den höchste Qualität,
Prozessoptimierungen und Produktivitätssteigerungen tägliche Werkzeuge für optimale Kundenlösungen sind. Partnerschaft
bedeutet für uns jedoch nicht nur wir für Sie – sondern vor allem wir mit Ihnen. Denn in der Kooperation liegt die Kraft
wirtschaftlichen Erfolgs.
Linde – ideas become solutions.
Für Sie einheitlich erreichbar – bundesweit in Ihrer Nähe.
Vertriebszentren/Kundenservice allgemein
Berlin Hannover München
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Telefon 01803.85000-0*
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Linde AG
Gases Division, Linde Gas Deutschland, Seitnerstraße 70, 82049 Pullach, www.linde-gas.de 43385099
* 0,09 € pro Minute aus dem dt. Festnetz, Mobilfunk bis 0,42 € pro Minute. Zur Sicherstellung eines hohen Niveaus der Kundenbetreuung werden Daten unserer Kunden wie z. B. Telefonnummern elektronisch gespeichert und verarbeitet.