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Die Erfindung betrifft eine Luftzerlegungsanlage, die zur Erzeugung eines argonreichen Luftprodukts eingerichtet ist, und ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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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. Die vorliegende Erfindung betrifft dabei Luftzerlegungsanlagen, die zur Erzeugung eines argonreichen Luftprodukts eingerichtet sind, und entsprechende Verfahren.
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Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise Zwei- oder Dreisäulenanordnungen zur Bereitstellung von stickstoff- und sauerstoffreichen Luftprodukten umfassen. Typischerweise sind dabei zumindest eine sogenannte (Hoch-)Drucksäule und eine sogenannte Niederdrucksäule vorhanden. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Betriebsdruck von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar betrieben. Bei den hier und im Folgenden angegebenen Druckwerten handelt es sich um Absolutdrücke im Sumpf entsprechender Säulen. Es können auch beispielsweise sogenannte Mitteldrucksäulen vorhanden sein, die bei einem Betriebsdruck betrieben werden, der zwischen den genannten Werten liegt. Insbesondere die Niederdrucksäule kann auch zweiteilig ausgebildet sein. Zu Details sei auf die Fachliteratur verwiesen.
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Bei Luftzerlegungsanlagen, die zur Gewinnung von argonreichen Luftprodukten eingerichtet sind, ist außer den genannten zumindest eine weitere Destillationssäule, die sogenannte Rohargonsäule, vorhanden. Typischerweise ist in entsprechenden Luftzerlegungsanlagen ferner eine sogenannte Reinargonsäule vorgesehen.
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Die Rohargonsäule, die auch als Argonanreicherungssäule bezeichnet wird, wird typischerweise mit einem Fluid aus der Niederdrucksäule gespeist, das dieser am sogenannten Argonbauch oder Argonübergang (engl. Argon Bulge) entnommen wird und überwiegend Argon und Sauerstoff, jedoch auch Restmengen an Stickstoff enthält. Der Argongehalt dieses Fluids beträgt typischerweise zwischen 5% und 15% und der Stickstoffgehalt typischerweise etwa 100 ppm. In der Rohargonsäule erfolgt eine Trennung dieses Fluids in ein argonangereichertes Gas (sogenanntes Rohargon) und eine argonabgereicherte Flüssigkeit. Das argonangereicherte Gas umfasst typischerweise etwa 1 ppm Sauerstoff und 0,5% Stickstoff. Etwa ein Drittel des argonangereicherten Gases wird der Rohargonsäule am Kopf entnommen und in die Reinargonsäule, falls vorhanden, überführt. Die argonabgereicherte Flüssigkeit wird typischerweise in die Niederdrucksäule zurückgeleitet.
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Die Reinargonsäule dient hauptsächlich dazu, den in dem argonangereicherten Gas aus der Rohargonsäule enthaltenen Reststickstoff abzudestillieren. Aus dem Sumpf der Reinargonsäule kann auf diese Weise Argon mit einem Restgehalt von typischerweise etwa 1 ppm Stickstoff und 1 ppm Sauerstoff abgezogen und, ggf. nach weiterer Aufbereitung, als Produkt aus der Anlage ausgeleitet werden.
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Die Rohargonsäule ist mit einem Kopfkondensator versehen, der einen Teil des in der Säule aufsteigenden argonangereicherten Gases kondensiert und damit einen flüssigen Rücklauf bereitstellt. Bei bekannten Luftzerlegungsanlagen wird der Kopfkondensator der Rohargonsäule beispielsweise mit entspanntem, sauerstoffangereichertem Fluid aus dem Sumpf der Hochdrucksäule gekühlt. Hierzu wird dieses in einen Verdampfungsraum des Kopfkondensators eingespeist, der vom Säuleninnenraum der Rohargonsäule getrennt ist. Die Reinargonsäule kann grundsätzlich vergleichbar ausgebildet sein.
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Wie beispielsweise
a. a. O., Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" bzw. dem entsprechenden Unterabschnitt ”Combined Evaporator/Condenser – Heat Transfer Units” erläutert, kann als Kopfkondensator einer Rohargonsäule eine kombinierte Kondensations- und Verdampfungseinheit in Form eines Badkondensators zum Einsatz kommen. Bei Badkondensatoren handelt es sich typischerweise um Sonderformen von Plattenwärmetauschern, wie sie auch als sogenannte Hauptkondensatoren zusammen mit den Destillationssäulen zur Bereitstellung der üblichen stickstoff- und sauerstoffreichen Luftprodukte verwendet werden. Bauformen und Betrieb von Badkondensatoren sind grundsätzlich bekannt.
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Als Kopfkondensator kann jedoch beispielsweise auch, wie in der
WO 2014/135271 A2 erläutert, ein sogenannter Rücklaufkondensator zum Einsatz kommen. Ein Rücklaufkondensator ist auf der Verdampfungsseite als Badkondensator ausgebildet. Das zu kondensierende Gas aus einem Kopfbereich der Rohargonsäule strömt bei einem Rücklaufkondensator aber von unten in Rücklaufpassagen eines entsprechenden Rücklaufkondensators ein und wird dort partiell kondensiert. Das dabei erzeugte Kondensat strömt anschließend im Gegenstrom zu dem aufsteigenden Gas in den Rücklaufpassagen nach unten.
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In beiden Fällen, d. h. bei den eigentlichen Badkondensatoren und bei Rücklaufkondensatoren, tritt ein zu verdampfendes Fluid der jeweils verwendeten Kühlflüssigkeit, bei einer Rohargonsäule beispielsweise das sauerstoffreiche Fluid aus der Hochdrucksäule, aus einem Flüssigkeitsbad von unten in grundsätzlich vertikal angeordnete Verdampfungspassagen ein und erfährt dort einen Wärmetausch mit dem gasförmigen, zu kondensierenden Fluid, bei einer Rohargonsäule dem argonangereicherten Gas von deren Kopf. Hierbei verdampft die Kühlflüssigkeit teilweise. Das dabei entstehende Zweiphasengemisch weist insgesamt eine geringere Dichte auf als die Kühlflüssigkeit, aus dem es gebildet wurde. Es steigt daher in den Verdampfungspassagen auf und tritt über Öffnungen oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Flüssigkeitsbads aus. Hierdurch ergibt sich eine kontinuierliche Strömung in den Verdampfungspassagen. Das in den Verdampfungspassagen verdampfte Fluid geht in einen Gasraum über, nicht verdampftes Fluid fließt in das Flüssigkeitsbad zurück. Badkondensatoren werden daher auch als Umlaufverdampfer bezeichnet.
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Die Länge der Verdampfungspassagen bei Bad- und Rücklaufkondensatoren, und damit die Höhe des Wärmetauscherblocks, sind begrenzt. Bekanntermaßen erhöht die statische Flüssigkeitshöhe beim Blasensieden die Siedetemperatur, wie beispielsweise bei
Hirschberg, H. G., Handbuch Verfahrenstechnik und Anlagenbau: Chemie, Technik und Wirtschaftlichkeit, Springer, 2013, Abschnitt 1.7.5, "Verdampfung", beschrieben. Im vorliegenden Fall, d. h. in einem Kopfkondensator einer Rohargonsäule, erhöht sich daher bei zunehmender Länge der Verdampfungspassagen die Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit, so dass sich die den Wärmetausch antreibende Temperaturdifferenz zu dem zu kondensierenden argonangereicherten Gas verringert.
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Anstelle der Länge der Verdampfungspassagen und damit der Höhe des Wärmetauscherblocks werden in herkömmlichen Bad- und Rücklaufkondensatoren daher die Breite der Wärmetauscherplatten und/oder deren Anzahl erhöht, wenn höhere Durchsätze benötigt werden. Hierdurch erhöhen sich jedoch auch der erforderliche Bauraum und der Transportaufwand. Die vorstehenden Erläuterungen gelten dabei grundsätzlich auch für Kopfkondensatoren von Reinargonsäulen, wobei sich das zuvor erläuterte Problem aufgrund der hier deutlich höheren Durchsätze jedoch insbesondere bei den Rohargonsäulen ergibt.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, eine verbesserte und insbesondere einfacher zu erstellende Luftzerlegungsanlage, die zur Bereitstellung von Argon eingerichtet ist, bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch eine Luftzerlegungsanlage, die zur Erzeugung eines argonreichen Luftprodukts eingerichtet ist, und ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht von einer an sich bekannten Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem aus, welches eine Hochdrucksäule, eine Niederdrucksäule und eine Rohargonsäule aufweist. Wie erläutert, können auch beliebige weitere Säulen und Apparate zur Behandlung von Fluiden vorgesehen sein. Die Luftzerlegungsanlage ist dafür eingerichtet, aus abgekühlter Druckluft unter Verwendung der Hochdrucksäule und der Niederdrucksäule ein argonhaltiges Fluid zu erzeugen und dieses in die Rohargonsäule einzuspeisen, wobei der Rohargonsäule ein Kopfkondensator mit Verflüssigungspassagen und Verdampfungspassagen zugeordnet ist. Wie erläutert, kann der Kopfkondensator dabei beispielsweise als klassischer Badkondensator oder als Rücklaufkondensator ausgebildet sein. Der Kopfkondensator ist jedenfalls dafür eingerichtet, in den Verflüssigungspassagen ein Gasgemisch aus der Rohargonsäule teilweise zu verflüssigen und in den Verdampfungspassagen eine Kühlflüssigkeit teilweise zu verdampfen.
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Der Kopfkondensator ist dadurch für einen entsprechenden Betrieb ”eingerichtet”, dass die Verflüssigungspassagen mit einem Kopfraum der Rohargonsäule in Verbindung stehen und die Verdampfungspassagen mit einer entsprechenden Kühlflüssigkeit beschickt werden bzw. mit einer entsprechenden Quelle für eine Kühlflüssigkeit, insbesondere der Hochdrucksäule, in Verbindung stehen. Wie erläutert, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung klassische Badkondensatoren oder Rücklaufkondensatoren, die verdampfungsseitig als Badkondensatoren ausgebildet sind, eingesetzt. Daher befinden sich Öffnungen der Verdampfungspassagen jeweils in einem entsprechenden, aus der Kühlflüssigkeit gebildeten Flüssigkeitsbad und es ist dafür gesorgt, dass die Kühlflüssigkeit in den Verdampfungspassagen durch den Thermosiphoneffekt aufsteigen kann.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kopfkondensator eine erste Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung und eine zweite Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung aufweist, die jeweils zur Aufnahme eines ersten und eines zweiten Anteils der Kühlflüssigkeit eingerichtet sind, wobei die erste Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung vollständig hydrostatisch unterhalb der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung angeordnet ist. Eine Anordnung der ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung ”vollständig hydrostatisch unterhalb” der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung bedeutet dabei insbesondere, dass ein tiefster Punkt der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung geodätisch oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, der sich im Betrieb in der ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung ausbildet, angeordnet ist.
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Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verdampfungspassagen erste Verdampfungspassagen, die für einen Wärmetausch mit einem ersten Abschnitt der Verflüssigungspassagen eingerichtet sind, und zweite Verdampfungspassagen, die für einen Wärmetausch mit einem zweiten Abschnitt der Verflüssigungspassagen eingerichtet sind, umfassen, wobei die ersten Verdampfungspassagen Öffnungen, die in der ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung angeordnet sind, und die zweiten Verdampfungspassagen Öffnungen, die in der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung angeordnet sind, aufweisen. Auf diese Weise ermöglicht es die Erfindung, den Durchsatz eines entsprechenden Kopfkondensators zu erhöhen, ohne die Verdampfungspassagen zu verlängern und damit die Höhe des Wärmetauscherblocks bzw. die statische Flüssigkeitshöhe übermäßig zu erhöhen. Im vorliegenden Fall, d. h. in einem Kopfkondensator einer Rohargonsäule, kann daher eine ausreichend große Temperaturdifferenz zu dem zu kondensierenden Gas aufrechterhalten werden.
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Die Erfindung ermöglicht eine entsprechende Erhöhung des Durchsatzes, ohne die Breite der Wärmetauscherplatten und/oder deren Anzahl zu erhöhen oder die Breite der Wärmetauscherplatten und/oder deren Anzahl bei gleichbleibendem Durchsatz zu verringern. Der Bauraum und der Transportaufwand verringern sich hierdurch.
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Die Erfindung schlägt also einen zumindest zweistückigen Badkondensator als Kopfkondensator einer Rohargonsäule vor, der in den einzelnen Stockwerken Verdampfungspassagen aufweist, die von den Verdampfungspassagen der anderen Stockwerke getrennt sind, und denen jeweils Flüssigkeitsrückhalteeinrichtungen zugeordnet sind. Die Verdampfungspassagen jedes Stockwerks saugen dabei jeweils Kühlflüssigkeit aus den Flüssigkeitsrückhalteeinrichtungen des entsprechenden Stockwerks mittels des Thermosiphoneffekts an.
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Bei dem Kopfkondensator können die einzelnen Verdampfungspassagen strikt parallel betrieben werden, d. h. sie werden jeweils individuell mit Kühlflüssigkeit versorgt, die parallel, z. B. über Leitungen, in die jeweiligen Flüssigkeitsrückhalteeinrichtungen eingespeist wird. Bei dem Kopfkondensator kann es sich aber beispielsweise auch um einen sogenannten Kaskadenverdampfer handeln, also einen mehrstückigen Badkondensator, bei dem die Stockwerke auf der Verdampfungsseite seriell miteinander verbunden sind. Dies bedeutet, dass nicht verdampfte Flüssigkeit aus einem oberen Stockwerk kaskadenförmig weiter zum darunterliegenden Stockwerk fließt (im vorliegenden Fall also von der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung in die erste). Im Rahmen der Erfindung einsetzbare Kaskadenverdampfer sind beispielsweise in der
EP 1 077 356 A1 , der
WO 01/92798 A2 , der
WO 01/092799 A1 , der
US 2003/159810 A1 , der
WO 03/012352 A2 oder der
DE 10 2007 003 437 A1 beschrieben. Auf der Verflüssigungsseite sind die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Badkondensatoren stets seriell geschaltet, beispielsweise indem die Verflüssigungspassagen in einem gemeinsamen Wärmetauscherblock ausgebildet sind und sich über sämtliche Stockwerke erstrecken, wobei die Verdampfungspassagen aber jeweils nur für einen Wärmetausch innerhalb eines Stockwerks eingerichtet sind. Die Verflüssigungspassagen stehen also nacheinander mit unterschiedlichen Verdampfungspassagen im Wärmetausch.
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Mehrstückige Badkondensatoren wurden bisher im Wesentlichen zur wärmetauschenden Kopplung der Hochdrucksäule und der Niederdrucksäule von Luftzerlegungsanlagen eingesetzt, wie auch in den zuvor zitierten Schriften zu Kaskadenverdampfern offenbart. Bei einer derartigen Anwendung wird ein sauerstoffreiches Luftprodukt aus der Niederdrucksäule gegen ein stickstoffreiches Luftprodukt aus der Hochdrucksäule verdampft. Das sauerstoffreiche Luftprodukt aus der Niederdrucksäule ist dabei bereits ausgesprochen rein, so dass sein Siedebereich gering ist. Die typischerweise in Kopfkondensatoren von Rohargonsäulen verdampfte Kühlflüssigkeit, ein sauerstoffangereichertes Luftprodukt aus der Hochdrucksäule, weist hingegen nur ca. 35 bis 45% Sauerstoff und damit einen großen Siedebereich auf. Insbesondere bei einer mehrstufigen Verdampfung reichern sich daher die schwereren Komponenten Sauerstoff und Argon in den Flüssigkeitsrückhalteeinrichtungen an, was zu einer verringerten antreibenden Temperaturdifferenz führt. Dies gilt insbesondere für die erläuterten Kaskadenverdampfer, da hier eine serielle Aufkonzentrierung erfolgt.
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Eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst daher, dass die erste Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung einen Bodenauslass aufweist und/oder dass die zweite Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung einen Bodenauslass aufweist. Über den oder die genannten Bodenauslässe kann kontinuierlich ein Anteil der Kühlflüssigkeit, insbesondere 10 bis 50%, vorzugsweise 25 bis 35%, bezogen auf die insgesamt oder jeweils eingespeiste Menge an Kühlflüssigkeit, abgezogen werden, so dass eine Anreicherung schwererer Komponenten sicher vermieden werden kann. Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, wenn oder die Bodenauslässe oder auch nur ein Bodenauslass von mehreren eine steuer- und/oder regelbare Flussreguliereinrichtung aufweist, um die genannten Mengen definiert einstellen zu können.
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Wie erwähnt, sind für erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage Kaskadenkondensatoren besonders geeignet, also Badverdampfer, bei denen die zweite Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung einen Überlauf zu der ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung aufweist. Sind mehr als zwei Stufen vorgesehen, erhöht sich entsprechend auch die Anzahl der Überläufe.
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Insbesondere kann die zweite Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung Flüssigkeitstaschen aufweisen, die auf einem die Verflüssigungspassagen und Verdampfungspassagen definierenden Wärmetauscherblock angeordnet sind. Die Verflüssigungspassagen können sich dabei durch den gesamten Wärmetauscherblock erstrecken. Auf diese Weise wird ein besonders kompakter Aufbau erzielt.
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Wie erwähnt, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung entweder klassische Badkondensatoren, bei denen die Verflüssigungspassagen mit Headern verbunden sind, die jeweils über eine Leitung mit der Rohargonsäule verbunden sind, oder auch Rücklaufkondensatoren, bei der die Verflüssigungspassagen als Rücklaufpassagen ausgebildet sind, die sich jeweils zu einem oberen Bereich der Rohargonsäule öffnen, mit Vorteil verwendet werden.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem in einer Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem, das eine Hochdrucksäule, eine Niederdrucksäule und eine Rohargonsäule aufweist, aus abgekühlter Druckluft unter Verwendung der Hochdrucksäule und der Niederdrucksäule ein argonangereichertes Fluid erzeugt und in die Rohargonsäule eingespeist wird, wobei die Rohargonsäule mit einem Kopfkondensator mit Verflüssigungspassagen und Verdampfungspassagen betrieben wird, indem in den Verflüssigungspassagen ein Gasgemisch aus der Rohargonsäule teilweise verflüssigt und in den Verdampfungspassagen eine Kühlflüssigkeit teilweise verdampft wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kopfkondensator mit einer ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung und einer zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung betrieben wird, in die jeweils ein erster und ein zweiter Anteil der Kühlflüssigkeit eingespeist wird, wobei die erste Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung vollständig hydrostatisch unterhalb der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung angeordnet ist, und dass die Verdampfungspassagen erste Verdampfungspassagen, in denen ein Wärmetausch mit einem ersten Abschnitt der Verflüssigungspassagen und zweite Verdampfungspassagen, in denen ein Wärmetausch mit einem zweiten Abschnitt der Verflüssigungspassagen vorgenommen wird, umfassen, wobei in die ersten Verdampfungspassagen über Öffnungen, die innerhalb der ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung angeordnet sind, und in die zweiten Verdampfungspassagen über Öffnungen, die innerhalb der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung angeordnet sind, jeweils die Kühlflüssigkeit aus der jeweilgen ersten bzw. zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung angesaugt wird.
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Insbesondere kann dabei aus der ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung über einen ersten Bodenauslass und/oder aus der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung über einen zweiten Bodenauslass eine Teilmenge der Kühlflüssigkeit entnommen werden, wobei die über den ersten Bodenauslass und/oder den zweiten Bodenauslass entnommene Teilmenge der Kühlflüssigkeit 10 bis 50%, insbesondere 25 bis 35%, der in die erste Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung und/oder die zweite Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung eingespeisten Kühlflüssigkeit beträgt.
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Zu Merkmalen und Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen sei auf die obigen Ausführen ausdrücklich verwiesen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, welche eine Luftzerlegungsanlage zeigt, anhand derer die erfindungsgemäßen Maßnahmen erläutert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms.
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2 zeigt einen Kopfkondensator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
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3 zeigt einen Kopfkondensator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
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In den Figuren sind jeweils einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden nicht wiederholt erläutert.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist eine Luftzerlegungsanlage an sich bekannter Art dargestellt, die mit einer Rohargonsäule mit einem Kopfkondensator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestattet werden kann.
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Luftzerlegungsanlagen der gezeigten Art sind vielfach an anderer Stelle beschrieben, beispielsweise bei
H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere 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.
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Die in 1 gezeigte Luftzerlegungsanlage verfügt unter anderem über einen Hauptluftverdichter 1, eine Vorkühleinrichtung 2, ein Reinigungssystem 3, eine Nachverdichteranordnung 4, einen Hauptwärmetauscher 5, eine Entspannungsturbine 6, eine Drosseleinrichtung 7, eine Pumpe 8 und ein Destillationssäulensystem 10. Das Destillationssäulensystem 10 umfasst im dargestellten Beispiel eine klassische Doppelsäulenanordnung aus einer Hochdrucksäule 11 und einer Niederdrucksäule 12 sowie eine Rohargonsäule 13 und eine Reinargonsäule 14.
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Zur Gewinnung eines argonreichen Luftprodukts wird der Niederdrucksäule 12 am bekannten Argonübergang oder knapp darunter ein Strom a entnommen und in die Rohargonsäule 13 überführt. Ein im Sumpf der Rohargonsäule 13 anfallendes Kondensat wird in Form des Stroms b in die Niederdrucksäule 12 zurückgepumpt. Der Rohargonsäule 13 ist ein Kopfkondensator 100 zugeordnet, der wie erläutert als Badkondensator oder als Rücklaufkondensator ausgebildet sein kann.
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Ein erster Anteil von in der Rohargonsäule 13 aufsteigendem argonangereichertem Gas wird in dem Kopfkondensator 100 kondensiert und gelangt als Rücklauf zurück auf die Rohargonsäule 13. Ein zweiter Anteil, der nicht im Kopfkondensator 100 kondensiert wird, wird in Form des Stroms c abgezogen und in die Reinargonsäule 14 überführt. In der Reinargonsäule 14 wird unter Verwendung eines Sumpfverdampfers und eines Kopfkondensators ein Strom d eines argonreichen Luftprodukts gewonnen.
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Stickstoff wird zusammen mit einem gewissen Anteil Argon aus der Reinargonsäule 14 als Strom e abgezogen und beispielsweise in die Atmosphäre abgeblasen.
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Der Kopfkondensator 100 der Rohargonsäule 13 und der Kopfkondensator der Reinargonsäule 14 werden im dargestellten Beispiel mit Fluid eines Fluidstroms f als Kühlmittel gekühlt, bei dem es sich um sauerstoffangereicherte Flüssigkeit aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 11 handelt. Dieses Fluid heizt im dargestellten Beispiel auch den Sumpf der Reinargonsäule 14.
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2 zeigt einen Kopfkondensator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Der Kopfkondensator ist insgesamt mit 100 bezeichnet und eignet sich insbesondere als Kopfkondensator 100 einer Rohargonsäule 13, wie sie in 1 gezeigt und in ihrem Betrieb näher erläutert ist.
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Der Kopfkondensator 100 verfügt im dargestellten Beispiel über einen abgeschlossenen Raum 101, in dem ein Wärmetauscherblock 110 angeordnet ist. Der Wärmetauscherblock 110 kann auf bekannte Weise nach Art eines Plattenwärmetauschers aus Wärmetauscherplatten aufgebaut sein. Zu Details sei auf einschlägige Fachliteratur zu Plattenwärmetauschern verwiesen.
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In dem Wärmetauscherblock 110 ist, beispielsweise mittels entsprechender Wärmetauscherplatten, eine Anzahl an Verflüssigungspassagen 111 definiert, die sich im dargestellten Beispiel über die gesamte Höhe des Wärmetauscherblocks 110 erstrecken und hier stark vereinfacht und lediglich anhand eines einzelnen Beispiels dargestellt sind. Die Verflüssigungspassagen 111 können über bekannte Distributoren mit Headern 114 und 115 verbunden sein. Über den Header 114 bzw. eine mit dem Header 114 verbundene Leitung 116 kann auf diese Weise den Verflüssigungspassagen 111 ein zu verflüssigendes Fluid, hier ein argonangereichertes Gas aus einem oberen Bereich einer Rohargonsäule 13, zugeführt werden. Ein in den Verflüssigungspassagen 111 vollständig oder teilweise verflüssigtes Fluid kann über den Header 115 bzw. eine mit diesem verbundene Leitung 117 abgezogen und als Rücklauf auf die Rohargonsäule 13 zurückgeführt werden. Ein entsprechender Fluidstrom ist (stark vereinfacht und ohne Berücksichtigung einer Strömungsbeeinflussung durch Distributoren) mit einem Pfeil 118 veranschaulicht.
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In dem Wärmetauscherblock 110 ist ferner, beispielsweise ebenfalls mittels entsprechender Wärmetauscherplatten und hier stark vereinfacht und in Auswahl gezeigt, eine Anzahl an Verdampfungspassagen 112, 113 definiert, die sich im dargestellten Beispiel jedoch jeweils nicht über die gesamte Höhe des Wärmetauscherblocks 110 erstrecken. Die Verdampfungspassagen 112, die hier auch als ”erste” Verdampfungspassagen bezeichnet werden, erstrecken sich entlang eines unteren (”ersten”) Abschnitts der Verflüssigungspassagen 111 und sind für einen Wärmetausch mit diesem Abschnitt eingerichtet. Die Verdampfungspassagen 113, hier auch als ”zweite” Verdampfungspassagen bezeichnet, erstrecken sich entlang eines oberen (”zweiten”) Abschnitts der Verflüssigungspassagen 111 und sind für einen Wärmetausch mit diesem Abschnitt eingerichtet.
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Die ersten Verdampfungspassagen 112 weisen jeweils Öffnungen zu einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 120 auf, die hier auch als ”erste” Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung bezeichnet wird und durch einen unteren Bereich des Raums 101 des Kopfkondensators 100 gebildet ist. Die zweiten Verdampfungspassagen 113 weisen hingegen jeweils Öffnungen zu einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130 auf, die hier auch als ”zweite” Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung bezeichnet wird und durch Taschen seitlich des Wärmetauscherblocks 110 gebildet ist. Die dargestellten Taschen können beidseitig des Wärmetauscherblocks 110 angeordnet und miteinander verbunden sein, um beispielsweise einen identischen Flüssigkeitsspiegel sicherzustellen. Die erste Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 120 ist hydrostatisch unterhalb der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130 angeordnet, wie zuvor beschrieben. Die Öffnungen der ersten Verdampfungspassagen 112 und/oder der zweiten Verdampfungspassagen 113 in der ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 120 bzw. der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130 können an beliebiger Stelle vorgesehen sein, sofern sie im Betrieb unter dem Flüssigkeitsspiegel liegen.
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Über eine Leitung 121 kann die erste Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 120 mit einem Anteil einer Kühlflüssigkeit, hier des Stroms f gemäß 1 und damit eines sauerstoffangereicherten Fluids, das unter Verwendung der Hochdrucksäule 11 und der Niederdrucksäule 12 aus abgekühlter Druckluft erzeugt wurde, gespeist werden. Dieser Anteil wird hier als ”erster” Anteil der Kühlflüssigkeit bezeichnet. Über eine Leitung 131 kann hingegen die zweite Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130 mit einem weiteren Anteil der Kühlflüssigkeit hier als ”zweiter” Anteil der Kühlflüssigkeit bezeichnet, gespeist werden. Die eingespeiste Kühlflüssigkeit steht in der ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 120 und der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130 bis zu einer bestimmten Füllhöhe an und wird, wie hier jeweils mit Pfeilen 119 veranschaulicht, durch den Thermosiphoneffekt in den ersten Verdampfungspassagen 112 und den zweiten Verdampfungspassagen 113 nach oben gesaugt und verdampft hierdurch jeweils zum Teil.
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Verdampfte Kühlflüssigkeit geht in den Kopfbereich des Raums 101 über, nicht verdampfte Kühlflüssigkeit fließt jeweils in die erste Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 120 bzw. die zweite Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130 zurück. Die der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130 über die von der Leitung 131 abzweigenden Leitungen 131a und 131b zugeführte Flüssigkeitsmenge ist dabei im dargestellten Beispiel größer als der in den den zweiten Verdampfungspassagen 113 aufgrund der Wärmebilanz verdampfende Anteil. Daher fließt im dargestellten Beispiel Kühlflüssigkeit beispielsweise über ein oder mehrere Überlaufrohre oder die obere(n) Kante(n) der Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130 in die Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 120 ab.
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Im dargestellten Beispiel ist der Kopfkondensator 100 als klassischer Badkondensator ausgebildet, d. h. das zu kondensierende Fluid wird wie erläutert über den Header 114 in die Verflüssigungspassagen 111 eingespeist und über den Header 115 diesen entnommen. Der Kopfkondensator 100 kann jedoch auch, wie erläutert, als Rücklaufkondensator ausgebildet sein. In diesem Fall wären, wie erläutert, die Verflüssigungspassagen 111 entsprechend ausgebildet und würden sich nach unten zu einem Gasraum einer Rohargonsäule 13 öffnen.
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3 zeigt einen Kopfkondensator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Der Kopfkondensator ist auch hier insgesamt mit 100 bezeichnet und eignet sich ebenfalls als Kopfkondensator 100 einer Rohargonsäule 13, wie sie in 1 gezeigt und erläutert ist. Bereits unter Bezugnahme auf den in 2 erläuterte und gleichwirkende Elemente sind mit identischen Bezugszeichen versehen und werden nicht widerholt erläutert.
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Symmetrisch gezeigte Elemente sind nicht stets in beiden Fällen mit Bezugszeichen versehen In 3 ist ferner der obere Teil der Rohargonsäule 13 veranschaulicht.
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In 3 ist insbesondere ersichtlich, wie mittels der Leitung 116 und des Headers 114 ein zu verflüssigendes Fluid, hier das Gas aus dem oberen Bereich einer Rohargonsäule 13, dem Kopfkondensator 10 zugeführt werden kann und wie ein vollständig oder teilweise kondensiertes Fluid mittels des Headers 115 und der Leitung 117 als Rücklauf zum Kopf der Rohargonsäule 13 zurückgeleitet werden kann.
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In 3 ist ferner veranschaulicht, wie ein Flüssigkeitsspiegel in der ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 120 und der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130 jeweils unter Verwendung einer füllstandsbasierten Regeleinrichtung 122 bzw. 132 aufrechterhalten werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise stets nur der Anteil der Kühlflüssigkeit aus der Leitung 121 bzw. 131 über ein nicht gesondert bezeichnetes Ventil nachgefüllt werden, der durch die Verdampfung verloren geht.
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Ferner zeigt 3 Maßnahmen zur Vermeidung einer Anreicherung schwererer Komponenten in der ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 120 und der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130. Die erste Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 120 weist hierzu einen Bodenauslass 129 auf, der hier als ”erster” Bodenauslass bezeichnet wird. Die zweite Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130 weist entsprechend einen Bodenauslass 139 auf, der hier als ”zweiter” Bodenauslass bezeichnet wird. Durch den ersten Bodenauslass 129 und den zweiten Bodenauslass 139 kann jeweils ein Anteil der in der ersten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 120 und der zweiten Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung 130 zurückgehaltenen Kühlflüssigkeit abgezogen werden, so dass sich keine schwereren Komponenten in dieser anreichern können. Der erste Bodenauslass 129 und der zweite Bodenauslass 139 können hierzu über geeignete Regeleinrichtungen verfügen, die in der 3 jeweils als nicht gesondert bezeichnete Ventile veranschaulicht sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/135271 A2 [0009]
- EP 1077356 A1 [0021]
- WO 01/92798 A2 [0021]
- WO 01/092799 A1 [0021]
- US 2003/159810 A1 [0021]
- WO 03/012352 A2 [0021]
- DE 102007003437 A1 [0021]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, ”Cryogenic Rectification” [0002]
- a. a. O., Abschnitt 2.2.5.6, ”Apparatus” [0008]
- Hirschberg, H. G., Handbuch Verfahrenstechnik und Anlagenbau: Chemie, Technik und Wirtschaftlichkeit, Springer, 2013, Abschnitt 1.7.5, ”Verdampfung” [0011]
- H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, ”Cryogenic Rectification” [0037]
