DE10028866A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Argon - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Argon

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Argon, bei dem verdichtete, vorgereinigte und abgekühlte Luft in einem Rektifiziersystem mit mindestens einer Rektifiziersäule und einer Rohargonsäule zu Sauerstoff, Stickstoff und Argon zerlegt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird dadurch, dass in der Niederdrucksäule (1) eine separate Rektifizierung des Argon-Sauerstoff-Gemisches unter Verwendung von Rücklaufflüssigkeit der Rohargonsäule (10) erfolgt, der Argon-Anteil im Argon-Sauerstoff-Seitengas der Niederdrucksäule (1) bis auf 80 Vol.-% erhöht, wodurch der Argon-Sauerstoff-Trennungsaufwand in der Rohargonsäule (10) derart verringert wird, dass eine komplette Argonkolonne entfallen kann, wodurch eine kostengünstige und damit wirtschaftliche Argon-Gewinnung gewährleistet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Argon, bei dem verdichtete, vorgereinigte und abgekühlte Luft in einem Rektifiziersystem mit mindestens einer Rektifiziersäule und einer Rohargonsäule zerlegt wird, nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und 4.
Ein derartiges Verfahren mit Vorrichtung zur Gewinnung von Argon mit bis zu 10 ppm Verunreinigungsanteil ist durch EP 0 377 117 B2 bekannt, bei welchen eine aus dem sogenannten Argonbauch-Bereich einer Niederdrucksäule einer zweistufigen Rektifikation abgezogene argonreiche Sauerstofffraktion einer mit einem Kopf­ kondensator ausgerüsteten Rohargonsäule zugeführt und in dieser bei gleichen Druckverhältnissen wie in der Niederdrucksäule mittels von mindestens 150 theoretischen Böden (Stufen) sowie strukturierten Packungen oder Füllkörpern in gasförmiges Rohargon und in eine schwerersiedende erste flüssige Restfraktion zerlegt, wobei das Rohargon einer weiteren Feinreinigung in einer auf konventionelle Weise mit Böden und mit einem Kopfkondensator sowie mit einem Sumpfverdampfer ausgerüsteten Reinargonsäule zur Gewinnung von Reinargon unterzogen wird.
Des Weiteren ist durch die EP 0 628 777 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Argon mit maximal 10 ppm Sauerstoffrestanteil bekannt, bei welchen die aus der Zerlegung von Luft in einem Rektifiziersystem mit mindestens einer Rektifiziersäule gewonnene argonhaltige Sauerstofffraktion in einer Rohargonsäule und einer mit einem Kopfkondensator ausgerüsteten Halbreinsäule zu einem Argonprodukt zerlegt wird, wobei die Restfraktion der Halbreinsäule als Rücklaufflüssigkeit für die Rohargonsäule Verwendung findet, wobei die Anzahl der zur Argonrektifikation verwendeten theoretischen Böden in Form von konventionellen Böden und/oder geordneten Packungen und/oder Füllkörpern in der Rohargon-/Halbreinsäule auf mindestens 30 bzw. 60 verringert werden kann, sodass kein Kopfkondensator in der Rohargonsäule erforderlich ist, wodurch der apparative Aufwand verringert und die Betriebskosten gesenkt werden.
Bei derartigen Luftzerlegungsanlagen sind die Rektifiziersäulen in der Regel so ausgeführt, dass die Trennsektion den gesamten Kolonnen-Durchmesser einnimmt, dessen Grösse von der in der Kolonne aufströmenden Gasmenge abhängig ist.
Bei einer herkömmlichen Niederdrucksäule des Rektifiziersystems wird etwa ein Drittel des Gasstroms im Bereich des sogenannten Argonbauchs zur Rohargonkolonne abgezogen, die restlichen zwei Drittel des Gasstroms durchströmen die oberhalb des Argonbauchs angeordneten Niederdrucksäulen-Bereiche.
Bei herkömmlichen Niederdruckkolonnen, die mit geordneten Packungen ausgeführt werden, muss durch zusätzliche bauliche Maßnahmen der Tatsache Rechnung getragen werden, dass die Sektion oberhalb des Seitengasabzuges und unterhalb der Gasrückleitung vom Rohargonkondensator mit etwa ein Drittel weniger Gas beaufschlagt wird, indem entweder der Kolonnendurchmesser oder der freie Strömungsquerschnitt der betroffenen Sektion durch zusätzliche Einbauten bei gleichbleibendem Kolonnendurchmesser verkleinert wird. Beide Maßnahmen erhöhen den baulichen Aufwand der Kolonne in beträchtlichem Umfang.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit einem geringen apparativen Aufwand und niedrigen Betriebskosten zur besonders wirtschaftlichen Gewinnung von Rohargon zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 4 gelöst.
Erfindungsgemäß findet in der Niederdrucksäule unterhalb des Argon-Seitengas- Abzugsbereiches eine von der Stickstoff-Sauerstoff-Trennung räumlich getrennte Argon-Sauerstoff-Vortrennung statt, wodurch der Argon-Anteil im zur Rohargonkolonne abgezogenen Argon-Sauerstoff-Seitengas bis auf etwa 80% erhöht und damit der nachfolgende Trennungsaufwand in der Rohargonsäule wesentlich gesenkt wird.
Durch die Nutzung der Niederdruckkolonne zur Vortrennung des in der Rohargon­ kolonne weiter zu verarbeitenden Argon-Sauerstoff-Gemisches wird die Wirtschaft­ lichkeit der Argon-Gewinnung wesentlich verbessert.
Dazu ist die, die Stickstoff-Sauerstoff-Vortrennung bevorzugt konzentrisch umschließende, äußere Argon-Sauerstoff-Vortrennung mittels einer Trennwand in ihrem oberen Bereich von der Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und von der oberhalb der Argon-Sauerstoff-Vortrennung und Stickstoff-Sauerstoff-Trennung angeordneten Sektion der Niederdrucksäule gasdicht abgetrennt.
Die den bisher bei den herkömmlichen Niederdrucksäulen vorhandenen Säulenein­ schnürungsbereich nutzende Argon-Sauerstoff Vortrennung ist - ebenso wie die Stickstoff-Sauerstoff-Trennung - mit Rektifiziereinrichtungen in Form von unter­ schiedlich angeordneten konventionellen Böden, vorzugsweise Rundlaufbögen, und/oder geordneten Packungen und/oder Füllkörpern ausgebildet.
In der Stickstoff-Sauerstoff-Trennung der Niederdrucksäule wird Sauerstoff von dem oberen zum unteren Säulenbereich angereichert, wobei aufgrund der unterschied­ lichen Siedetemperaturen von Sauerstoff und Stickstoff die Eintrittstemperatur des Gasgemisches deutlich höher ist als die Austrittstemperatur.
Aufgrund der sich nicht stark unterscheidenden Siedetemperaturen von Argon und Sauerstoff entsteht in der äußeren Argon-Sauerstoff-Vortrennung der Niederdrucksäule kein so großes Temperaturgefälle wie in der inneren Stickstoff-Sauerstoff-Trennung der Niederdrucksäule.
Obwohl die Temperatur zwischen der inneren Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und der äußeren Argon-Sauerstoff-Vortrennung differieren, werden über die Trennungswand von beiden Trennungseinrichtungen nur so geringe Wärmemengen transportiert, dass die Stickstoff-Sauerstoff-Trennung in der Niederdrucksäule nur unwesentlich beeinflusst wird.
Die erfindungsgemäße gasdichte Trennung der Argon-Sauerstoff-Vortrennung von der Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und dieser beiden Trennungseinrichtungen von der oberhalb der Trennungssektion angeordneten, eine gasförmige Fraktion mit bis zu 40% Stickstoffanteil enthaltenen Sektion der Niederdrucksäule ist erforderlich, um der Rohargonsäule einen stickstoffarmen Argon-Seitenabzug zu einem störungsfreien, optimalen Betrieb des Rohargonkondensators zuführen zu können.
Als Rücklauf zur separaten Argon-Sauerstoff-Vortrennung in der Niederdrucksäule findet Sumpfprodukt aus der Rohargonsäule Verwendung.
Das in der Argon-Sauerstoff Vortrennung der Niederdrucksäule gebildete, einen Argonanteil bis zu 80 Vol.-% aufweisende Rohargon wird oberhalb des Sumpfes der mit unterschiedlich angeordneten geordneten Packungen und/oder Füllkörpern und einem Kopfkondensator ausgerüsteten Rohargonsäule eingespeist und in dieser unter üblichen Prozessbedingungen zu gasförmiges Rohargonprodukt und zu einer ersten schwerersiedenden flüssigen Fraktion rektifiziert.
Das im Ergebnis der Rektifikation des Argon-Seitengases in der Rohargonsäule als gasförmiges Kopfprodukt vorliegende Rohargon wird als Rohargonprodukt aus der Rohargonsäule abgezogen und mittels des Kopfkondensators durch indirekten Wärmeaustausch bevorzugt gegen aus der Drucksäule der Rektifiziersäule eingespeiste Sumpfflüssigkeit zu Rücklaufflüssigkeit und zu flüssigem Rohargon kondensiert.
Das flüssige Rohargonprodukt kann aus der Rohargonsäule abgezogen oder einer weiteren Feinreinigung in einer Reinargonsäule zur Gewinnung von Reinargonprodukt mit 0,1 bis 10 ppm Restsauerstoffanteil unterzogen werden.
Dazu saugt der Kopfkondensator der Rohargonsäule Prozessgas aus der, unterhalb der Argon-Sauerstoff-Vortrennung und der Stickstoff-Sauerstoff-Trennung angeordneten sogenannten Argon-Anreicherungsektion der Niederdrucksäule an; indem er das Argon-Kopfprodukt der Rohargonsäule kondensiert und so ein Druckgefälle erzeugt.
Die Regulierung der Saugleistung des Kopfkondensators der Rohargonsäule erfolgt entweder durch Druckkontrolle auf dessen Badseite oder über die auf der Seite des Argon-Seitengastroms zur Verfügung stehenden und durch Androsseln den Rücklauf vergrößer- bzw. verkleinerbaren Kondensationsfläche des Rohargon- Kopfkondensators.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Gewinnung von Argon nach den Merkmalen der Patentansprüche 4 bis 9.
Durch die erfindungsgemäße Argon-Sauerstoff-Vortrennung in der Niederdrucksäule kann die Anzahl der Trennstufen in der Rohargonsäule derart verringert werden, dass auf eine komplette Sektion verzichtet und so die Argon-Sauerstoff-Trennung wirtschaftlich in einer Kolonne ausgeführt werden kann und somit der apparative und verfahrenstechnische Aufwand wesentlich gesenkt wird, wodurch eine kostengünstige und damit wirtschaftliche Gewinnung von Argon gewährleistet ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die Figur der Zeichnung zeigt in einer schematischen Seitenschnitt-Anordnung eine Niederdrucksäule 1 eines Rektifiziersystems einer Luftzerlegungsanlage, welche über ein Leitungsverbund 11, 12, 16, 17 mit einer Rohargonsäule 10 zur Gewinnung von Sauerstoff, Stickstoff und Argon verbunden ist.
Die nur teilweise bildlich dargestellte, mit üblichen Rektifiziereinrichtungen in Form von unterschiedlich angeordneten geordneten Packungen und/oder Füllkörpern und einen Flüssigkeitsverteiler 2 ausgerüstete, obere Sektion der Niederdrucksäule 1 ist durch eine Trennwand 3 von einer, unterhalb der oberen Sektion angeordneten, äußeren Argon-Sauerstoff-Vortrennung 4 und einer inneren, von der Argon-Sauerstoff- Vortrennung 4 bevorzugt konzentrisch umschlossenen Stickstoff-Sauerstoff-Trennung 5 gasdicht abgetrennt angeordnet.
Die räumlich voneinander getrennte Argon-Sauerstoff-Vortrennung 4 und Stickstoff- Sauerstoff-Trennung 5 sind mit, nur schematisch dargestellten Rektifiziereinrichtungen in Form von unterschiedlich angeordneten geordneten Packungen und/oder Füllkörpern ausgerüstet.
Die Trennsektion der Niederdrucksäule 1 weist zudem herkömmlich angeordnete und ausgebildete Flüssigkeitssammler/-verteiler 6, 7, 9 und einen mit der Leitung 11 verbundenen Rohargon-Seitenabzug auf.
Unterhalb der die Argon-Sauerstoff-Vortrennung 4 und die Stickstoff-Sauerstoff- Trennung 5 umfassenden Trennsektion der Niederdrucksäule 1 ist eine, nur teilweise dargestellte Argon-Anreicherungssektion 8 angeordnet.
Die über den Leitungsverbund 11, 12, 16, 17 mit der Niederdrucksäule 1 verbundene und eine Leitung 13 für den Rohargonabzug, eine Leitung 15 zur Zuführung von Kopfprodukt und eine Leitung 18 zur Zuführung von Kühlmedium und einen Kopfkondensator 14 aufweisende Rohargonsäule 10 ist mit nur schematisch dargestellten, in mehreren Sektionen unterschiedlich angeordneten konventionellen Böden und/oder geordneten Packungen und/oder Füllkörpern ausgerüstet.
In einer nicht dargestellten mit der Niederdrucksäule 1 thermisch gekoppelten Drucksäule des Rektifiziersystems wird die vorverdichtete, gereinigte und abgekühlte Luft vorzerlegt, wobei im Sumpf der Niederdrucksäule 1 Flüssigkeit verdampft, die sich nach dem Durchströmen der Argon-Anreicherungsektion 8 auf die innere Stickstoff- Sauerstoff-Trennung 5 und die äussere Argon-Sauerstoff-Vortrennung 4 aufteilt und so unter Verwendung der Rektifiziereinrichtungen in eine gasförmige Argon- Sauerstofffraktion und in ein Stickstoff-Sauerstoff-Gasgemisch mit Restgehalten an Argon von etwa 2% weiterzerlegt wird.
Das in der Argon-Sauerstoff-Vortrennung 4 rektifizierte Argon-Sauerstoff-Gas-gemisch mit einem Argon-Anteil von bis zu etwa 80 Vol.-% wird bevorzugt über die mit einer Drossel ausgerüstete Leitung 11 in den unteren Bereich der Rohargonsäule 10 eingespeist und in dieser mittels Rektifiziereinrichtungen zu über die Leitung 15 abziehbarem Kopfprodukt zerlegt.
Das gasförmige Argon-Kopfprodukt der Rohargonsäule 10 wird mittels des durch indirekten Wärmeaustausch bevorzugt mit entspannter Sumpfflüssigkeit aus der Drucksäule des Rektifiziersystems gespeisten Rohargonkondensators 14 zumindest teilweise zu Rücklaufflüssigkeit und einem Rohargonprodukt mit 0,01 ppm bis 3% Restsauerstoffgehalt kondensiert.
Das derart gewonnene Rohargonprodukt kann als flüssiges Rohargonprodukt aus der Rohargonsäule 10 abgezogen und/oder einer weiteren Feinreinigung in einer Reinargonkolonne zur Gewinnung von Reinargonprodukt unterzogen werden.
Aus dem Sumpf der Rohargonsäule 10 wird die Sumpfflüssigkeit mittels einer in der Leitung 12 angeordneten Fördereinrichtung 19 als Rücklauf für die äussere Argon- Sauerstoff-Vortrennung 4 zur Niederdrucksäule 1 transportiert, während aus dem Raum des Rohargonkondensators 14 sowohl eine Leitung 16 für Spülflüssigkeit als auch eine Gasleitung 17 zur Niederdrucksäule 1 führen und dort oberhalb der inneren Stickstoff- Sauerstoff-Trennung 5 angeordnet sind. Am Kopf der Rohargonsäule 10 erfolgt über die Leitung 18 eine zusätzliche Einspeisung von Kühlmedium, vorzugsweise aus dem Sumpf der nicht dargestellten Drucksäule entnommene und vorgekühlte Flüssigkeit.

Claims (9)

1. Verfahren zur Gewinnung von Argon, bei dem verdichtete, vorgereinigte und abgekühlte Luft in einem Rektifiziersystem mit mindestens einer Rektifiziersäule und einer Rohargonsäule zerlegt wird, wobei ein in einer mit Rektifiziereinrichtungen ausgerüstete Niederdrucksäule des Rektifiziersystems gebildetes und in die mit Rektifiziereinrichtungen und einem Kopfkondensator ausgerüstete Rohargonsäule eingespeistes Argon-Sauerstoff-Gemisch zu Rohargon-Kopfprodukt und Sumpfflüssigkeit zerlegt wird, gekennzeichnet dadurch, dass in der Niederdrucksäule (1) eine separate Rektifizierung des Argon- Sauerstoff-Gemisches unter Verwendung von Rücklaufflüssigkeit der Rohargonsäule (10) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Argon-Sauerstoff-Vortrennung (4) der Niederdrucksäule (1) das Argon-Sauerstoff-Gasgemisch bis zu einem Argon-Anteil von 80 Vol.-% zerlegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Niederdrucksäule (1) die Argon-Sauerstoff-Vortrennung (4) und Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (5) unter annähernd gleichen Temperatur- und Druckverhältnissen erfolgen.
4. Vorrichtung zur Gewinnung von Argon nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Rektifiziersystem mit mindestens einer Rektifiziersäule und einer Rohargonsäule, wobei die Rektifiziersäule im wesentlichen aus mindestens einer mit einer Drucksäule durch einen Hauptkondensator thermisch gekoppelten und mit unterschiedlich angeordneten geordneten Packungen und/oder Füllkörpern ausgerüsteten Niederdrucksäule besteht, welche mittels Produktleitungen mit der konventionelle Böden und/oder geordnete Packungen und/oder Füllkörper und einen Kopfkondensator aufweisenden Rohargonsäule verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdrucksäule (1) eine Argon-Sauerstoff-Vortrennung (4) und eine Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (5) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Argon-Sauerstoff-Vortrennung (4) und die Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (5) in der gleichen Sektion der Niederdrucksäule (1) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Argon-Sauerstoff-Vortrennung (4) die Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (5) vorzugsweise umschließt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Argon-Sauerstoff-Vortrennung (4) die Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (5) vorzugsweise konzentrisch umschließt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Argon-Sauerstoff-Vortrennung (4) und die Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (5) in ihrem oberen Bereich mittels einer Trennwand (3) voneinander und von einer oberhalb angeordneten Sektion der Niederdrucksäule (1) gasdicht abgetrennt angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Niederdrucksäule (1) einen konstanten Säulen-Durchmesser aufweist.
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