DE2518012A1

DE2518012A1 - Verfahren zur tieftemperaturluftzerlegung

Info

Publication number: DE2518012A1
Application number: DE19752518012
Authority: DE
Inventors: Georgij Anatoljewitsch Golowko
Original assignee: LE T I CHOLODIL
Current assignee: LE T I CHOLODIL
Priority date: 1974-04-26
Filing date: 1975-04-23
Publication date: 1975-11-06
Also published as: GB1471496A; FR2269044B1; FR2269044A1; DD120081A1; IT1037653B; JPS51130695A; CS180852B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Kryogentechnik, insbesondere Verfahren zur Tieftemperaturluftzerlegung.

Die erwähnten Verfahren finden in der Chemischen Industrie, Hüttenindustrie, im Maschinenbau und in anderen Industriezweigen, die grosse Stickstoff-, Sauerstoff- und Argonmengen für die Synthese von Ammoniak, Intensivierung der technologischen Prozesse (z.B. Sauerstoff beim Schmelzen von Stahl und Nichteisenmetallen) oder als Schutzatmosphären (Argon beim Bearbeiten, Schweissen und Schneiden von Metallen) verbrauchen, weitgehende Verwendung.

Allgemein bekannt ist ein Verfahren zur Tieftemperaturluftzerlegung unter Gewinnung von Sauerstoff, Stickstoff und "Rohargon".

Die vorentstaubte Luft wird zunächst bis zu einem Druck

innerhalb 6 bis 200 kp/cm komprimiert,dann getrocknet,von Kohlendioxid, Azethylen und anderen Beimengungen gereinigt und

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■» 2 —

abgekühlt,wobei ein Teil der Luft kondensierd wird.Die abgekühlte und teilweise kondensierte Luft wird der Vorrektifizierung unterzogen, wodurch Stickstoff, der weniger als 2 Vol.% Sauerstoff und Argon enthält, und um Sauerstoff angereicherte Flüssig luft, die 32 bis 40 Vol. % O₂, 1,3 bis 1,6 Vol. % Ar und 58,4 bis 66,7 Vol. % Stickstoff enthält, gewonnen werden· Die als Ergebnis der Vorrektifizierung gewonnene Flussigluft und Stickstoff werden unterkühlt und der Sekundärrektifizierung unterworfen, wonach Stickstoff, der 1 bis 1,8 Vol. % Sauerstoff und Argon, Sauerstoff mit 95 "bis 99 >5 Vol.>-2 Konaen-

eine
. tration und[Argonfraktion, die 6 bis 11 Vol. % Ar, 0,3 bis 1,5 Vol. % N₂, Rest - Sauerstoff enthält, gewonnen werden, wobei das Konzentrationsverhältnis zwischen Argon und Stickstoff weniger als 35 beträgt· Die gewonnene Argonfraktion wird nochmals der Rektifizierung unterzogen, durch die "Rohargon" erzeugt wird, das 1 bis 5 Vol. % O₂ und 3 bis 15 Vol. % N₂ enthält. Stickstoff mit einer Beimengung von 1 bis 1,8% Sauerstoff und Argon wird üblicherweise in die Atmosphäre abgelassen, Sauerstoff mit 95 bis 99»5 VoI.^ Konzentration wird als Endprodukt verwendet, z.B. als Intensivierungsmittel in hüttentechnischen und chemischen Vorgängen und bei Schweissen und Schneiden von Metallen usw. "Rohargon" findet bei der Gewinnung von Reinargon Verwendung· Zu diesem Zweck wird es von Sauerstoff und Stickstoff gereinigt. Die Reinigung von Sauerstoff erfolgt nach dem Verfahren der katalytischen Hydrierung, bei dem Sauerstoff bei einer Temperatur von 100 bis 450° unter Wasserbildung in Gegenwart eines Katalysators mit Wasserstoff gebunden wird«, Die V/asserbildungsreaktion wird mit einem Überschuss an V/acserstoff, der Ar-

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gon verunreinigt, durchgeührt. Durch die Reinigung von Sauerstofl wird ein stark "befeuchtetes Argon-Stickstoff-Y/asserstoff-Gemisch gewonnen, das komprimiert, getrocknet und rektifiziert wird. Als Ergebnis der Rektifizierung werden Stickstoff und Wasserstoff entfernt und Reinargon gewonnen, das als Schutzatmosphäre z.B. "beim Argon-Lichtbogen-Schv/eiseen und -Schneiden von Metall Verwendung findet.

Das bekannte Verfahren gewährleistet die Gewinnung von Stickstoff mit einer niedrigen Konzentration, und zwar mit ei-, nera Gehalt an Argon- und Sauerstoffbeimengungen von 1 bis 1,8%, wodurch der Extraktionsfaktor von Argon herabgesetzt -wird« Dieser Stickstoff darf nicht industrielle Verwendung finden, er darf nicht z.B. als Inertgas beim Spülen von Elektromotoren während deren Trocknung eingesetzt werden. E¹IUssigstickstoff mit dem gleichen Gehalt an Beimengungen findet ebenfalls im Maschinenbau keine weitgehende Verwendung, weil bei seiner Benutzung zur Verwirklichung der Schiebesitze von Bauteilen die Sauerstoffkonzentration in Flüssigstickstoff wächst (zunimmt), was feuergefährlich ist.

Der nach dem zuvor beschriebenen Verfahren gewonnene Sauerstoff mit 95 bis 99,5 Vol. % Konzentration enthält praktisch nur Argon als Beimengung, wodurch der Extraktionsfaktor von Argon ebenfalls stark beeinträchtigt wird. Ausserdem wird der Wirkungsgrad des Einsatzes von Sauerstoff als Intensivierungsmittel, z.3o in Hüttenvorgängen beim Schmelzen von Stahl und

Nichteisenmetallen und chemischen Vorgängen bei der Synthese von Ammoniak.geringer. Durch den Einsatz von Sauerstoff im Za-

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schinenbau z.B. unter dessen Verwendung "beim Argon-Lichtbogen, Schweissen und -Schneiden von Metallen wird die Naht- und Schnittgüte beeinträchtigt. Wegen Vorhandensein von Stickstoff in der Argonfraktion fällt ihre Temperatur ab, wodurch die Bedingungen deren Kondensation und Eektifizierung schlechter werden. Das nach dem zuvor beschriebenen Verfahren zu gewinnende "Rohargon" enthält daher eine beträchtliche Menge von Beimengungen: 1 bis 5 Vol. % Sauerstoff, insbesondere 3 *>is 15 Vol. % Stickstoff. Während der Reinigung des "Rohargons" von diesen 'Beimengungen gehen etwa 20% Argon verloren.

Das Vorhandensein von Sauerstoff- und Stickstoffbeimengungen im "Rohargon" macht seine Reinigung mehrstufig, was den Vorgang stark kompliziert und eine Erhöhung der Selbstkosten von Argon herbeiführt.

Das neue fortschrittliche Adsorptionsverfahren zur Argonreinigung von Sauerstoff kann erst nach einer weiteren Rektifizierung, durch die Stickstoff entfernt wird, verwendet werden. Die bisherige Technologie der 'Rohargon"— Reinigung bietet keine Möglichkeit, den Sauerstoffgehalt in Reinargon unter 0,001 Vol.yS zu bringen und führt zu seiner Verunreinigung durch Wasserstoff wegen der Auflösung des letzteren in Flüssigargon, was seinen Einsatz als Schutzatmosphären in vielen Industriezweigen z.B.

bei Lageung und Bearbeitung von Alkalimetallen, bei Bearbeitung von Titan und anderen seltenen Metallen sowie bei Schweissen stark beanspruchter Bauteile in Flugzeug-, Schiffs- und Raketenbau unterbindet. '

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Die Argonfraktion wird nach dem bekannten Verfahren in "

ο einer Niederdruck-Rektifikationssäule (1,3 bis 1,7 kp/cm)

h gewonnen. Die Entnahme dieser Fraktion zur Gewinnung von "Ro-

argon", das 1 Ms 5 Vol.% Sauerstoff und 3 Ms 15 Vol. % Stickstoff enthält, ist jedoch mit grossen technologischen Schwierigkeiten verknüpft, die durch die Notwendigkeit hervorgerufen sind, eine bestimmte Konzentration des zu gewinnenden Sauerstoffs und Stickstoffs, einen genauen Stand von Flüssigsauerstoff im Verflüssiger aufrechtzuerhalten sowie die genaue Zuführungsstelle von um Sauerstoff angereicherter Flüssigluft an der Niederdrucksäule und die Entnahmestelle der Argonfraktion von dieser Säule zu bestimmen. Die Argonfraktion wird an einer strikt definierten Stelle der Niederdrucksäule entnommen· Diese Stelle wird zunächst rechnerisch ermittelt und spater in Betrieb für jede Niederdrucksäule versuchsmässig präzisiert.

Versuche, die Argonfraktion ohne Stickstoff bei der Tieftemperaturluft zerlegung zu gewinnen, brachten die Entstehung eines Verfahrens gemäß der US-PS 2 417 279 mit sich.

Dieses Verfahren besteht darin, dass die vorentstaubte

Luft bis zu einem Druck von 180 bis 200 kp/cm komprimiert,von Kohlendioxid gereinigt, getrocknet, abgekühlt wird, wobei ein Teil der Luft kondensiert wird. Die abgekühlte und teilweise kondensierte Luft wird der Vorrektifizierung unterzogen, wodurch Flüssigstickstoif, der weniger als 2 Vol.% Sauerstoff und Argon enthält, und um Sauerstoff angereicherte Flüssigluft, die etwa 36 Vol. % O₂, 1,6 Vol. % Ar und 62,4 Vol. % N₂ enthält, gewonnen werden. Die als Ergebnis der Vorrektifizierung gewonnene

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um Sauerstoff angereicherte Flüssigluft und Stickstoff werden der Sekundärrektifizierung unterworfen, durch, die gasförmiger Stickstoff, dessen Gehalt an Sauerstoff und Argonbeimengungen nicht über 1,5 Vol. % ist, gasförmiges Sauerstoff-Argon-Gemisch und flüssiges Säuerst off-Argon-Gemisch, das etwa 4,5 Argon und weniger als 0,01 Vol. % Np enthält, gewonnen werden (das Konzentrationsverhältnis zwischen Argon und Stickstoff beträgt mehr als 500).

Das gewonnene flüssige Sauerstoff-Argon-Gemisch wird nochmals der Rektifizierung unterzogen, durch die Argongas, das 0,1 bis 0,3 Vol. % Sauerstoff und Stickstoff als Beimengungen enthält, und Sauerstoff mit 99,7 bis 99,9 Vol. % Konzentration, der als Endprodukt z.B. beim Argon-Lichtbogen-Schweissen Verwendung findet, gewonnen werden.

Durch die Gewinnung von Sauerstoff mit hoher Konzentration werden Verluste an Argon vermindert und somit sein Luftextraktionsfaktor erhöht. Das nach diesem Verfahren gewonnene Argon enthält jedoch eine beträchtliche Kenge von Beimengungen und kann daher nicht als Schutzatmosphäre z.B. bei Argon-Lichtbogen- -Schweissen und -Schneiden von Metallen, in Glühlanipenindustrie bei Bearbeitung von Titan und anderen seltenen und Alkalimetallen usw. zum Einsatz gelangen.

Zur Rektifizierung des flüssigen Sauerstoff-Argon-Gemisches setzt dieses Verfahren die Ableitung des genannten Gemisches von der Niederdruckrektifikationskolonne, wo es gewonnen wurde, nach einer anderen, mit der Niederdrucksäule nicht verbundenen Kolonne voraus· Die Ableitung des flüssigen Sauerstoff -Argon-Gemi-

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sches von der Niederdruckrektifikationskolonne nach einer anderen Kolonne und die Rektifizierung des genannten Gemisches, das nicht über 4,5 Vol. % Ar enthält, stehen mit grossen Kälteverlusten in Verbindung, zu deren Ausgleich ein zusätzlicher Kältekreislauf verwendet wird, was einen erhöhten Energieaufwand und eine Preiserhöhung von Argon herbeiführt. Aus den obenangeführten Gründen hat dieses Verfahren keine industrielle Verwendung gefunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zur Tieftemperatürluftzerlegung zu entwickeln, bei dem während der Verarbeitung des Sauerstoff-Argon-Gemisches, das weniger als 0,1 Vol. % Stickstoff als Beimengung enthält, der zusätzliche Kältekreislauf ausgeschlossen ist, was den Energieaufwand und den Preis von Argon unter Erhöhung seines IL'xtraktionsfaktors herabzusetzen vermag.

Erxindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Verfahren zur Tieftemperaturluftzerlegung, das darin besteht, dass Luft vorentstaubt, dann bis zu einem Druck von

180 bis 200 kp/cm komprimiert, die komprimierte Luft von Kohlendioxid und Azethylen gereinigt, bis zum Taupunkt von 60 bis 70°C getrocknet und bis zu einer unter der Satt igungstemperatur liegenden Temperatur abgekühlt wird, wobei ein Teil der Luft kondensiert wird, die abgekühlte und teilweise kondensierte Luft der Vorrektifizierung unterzogen wird, wodurch Flüssigstickstoff und um Sauerstoff angereicherte Flüssigluft gewonnen, Flüssigstickstoff und um Sauerstoff angereicherte Flüssigluft dann unterkühlt und der Sekundärrektifizierung unterzogen werden, durch

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die gasförmiger Stickstoff, gasförmiges Säuerstoff-Argon-Gemisch und flüssiges Sauerstoff-Argon-Gemisch, das etwa 4,5 Vol. % Argon enthält, gewonnen werden, bei der Sekundärrektifizierung für die Gewinnung von gasförmigem Stickstoff, der weniger als 0,3 Vol.% Sauerstoff- und Argonbeimengungen enthält, Flüssigstickstoff verwendet wird, der als Ergebnis der Vorrektifizierung gewonnen wurde, und gasförmiges Sauerstoff-Argon-Gemisch, das durch die Sekundärrektifisierung gewonnen wurde, wird einer weiteren Rektifizierung unterworfen, durch die ein Argon- -Sauerstoff-Gemisch gewonnen wird, das Argon mit 3 "bis 0,1 Vol.% Sauerstoff und weniger als 0,1 VoI, % Stickstoff als Beimengung und Sauerstoff mit 99»7 "bis 99>9 Vol.% Konzentration enthält ·

Die Gewinnung von gasförmigem Stickstoff, der weniger als 0,3 Vol. % Sauerstoff- und Stickstoffbeimengungen enthält, verhindert wesentliche Argonverluste mit Stickstoff und trägt zur Erhöhung des Luftextraktionsfaktors von Argon bei. Stickstoff, der weniger als 0,3 Vol. % Beimengungen enthält, kann beim Spülen der Elektromotoren während ihrer Trocknung mit gutem Erfolg verwendet werden. Flüssigstickstoff mit einem so geringen Gehalt an Beimengungen kann beim festen Verankern

von Bauteilen weitgehende Verwendung finden, ?;eil die Sauerstoffkonzentration bei der Verdampfung von Stickstoff langsam zunehmen wird, ohne die Zündgrenze zu erreichen»

Die Gewinnung von Produktionssauerstoff durch die weitere Eektifizierung des Sauerstoff-Argon-Gemischss von angegebener Zusammensetzung mit 99»7 "bis 99j9 Vol. % Konzentration setzt

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ebenfalls Verluste an Argon stark herab d.h.. sie erhöht seinen Extraktionsfaktor· Die Verwendung von Sauerstoff mit so hoher Konzentration wird die Arbeitsproduktivität und -gute beim Argon-Lichtbogen -Schweissen und -Schneiden von Metallen sowie den Wirkungsgrad seiner Verwendung als Intensivierungsmittel z.B. in Hüttenvorgängen beim Schmelzen von Stahl und Nichteisenmetallen und in chemischen Vorgängen bei der Synthese von Ammoniak wesentlich erhöhen. Bei der Tieftemperaturluftzerlegung nach dem erfindungsgemäßen-Verfahren beträgt der Luftextraktionsfaktor _; von Argon 0,85 bfs'0,95.

Bei der Gewinnung des Sauerstoffs der genannte^ Zusammensetzung im gasförmigen Zustand kann der Luftdruck nach dem Verdichter beträchtlich herabgesetzt werden.

Die Trennung des gasförmigen Sauerstoff-Argon-Gemisches, das 7 bis 10 Vol. % Argon und weniger als 0,01 Vol. % N₂ enthält (das Konzentrationsverhaltnis zwischen Argon und Stickstoff beträgt über 1000), in einer Eektifikationskolonne, die mit der Niederdruckrektifikationskolonne der Hauptanlage in Verbindung steht, erfordert nicht die Anwendung eines zusätzlichen Kälte !Kreislaufes zur Abdeckung der Kälteverluste, wodurch der Vorgang wesentlich vereinfacht und der Energieaufwand herabgesetzt wer-" den.

Der kleine Relativgehalt an Stickstoff in dem zu verarbeitenden gasförmigen Sauerstoff-Argon-Gemisch erhöht seine Temperatur und verbessert somit die Bedingungen der Kondensation von Sauerstoff und der^;Rektifizierung des Gemisches. Die Enthame des gasförmigen Sauerstoff-Argon-Gemisches, das 7 bis 10 Vol. % Ar-

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gon und weniger als 0,01 Vol. % Stickstoff enthält, ist nicht mit irgendwelchen technologischen Schwierigkeiten verknüpft. Es besteht z.B. keine Notwendigkeit, eine genau bestimmte Stickstoffkonzentration, einen strikt definierten Stand von Flüssigsauerstoff im Verflüssiger aufrechtzuerhalten? die genaue Zuführungsstelle von um Sauerstoff angereicherter Flüssigluft an der Niederdruckrektifikationskolonne und die Entnahmestelle der Argorifraktion zu bestimmen, die unmittelbar oberhalb des Rohrzwischenraumes des Verflüssigers liegen kann. Die Gewinnung des Argon-Sauerstoff-Gemisches, das 3 bis 0,1 lol.% Sauerstoff und weniger als 0,1 Vol.% Stickstoff enthält, durch eine weitere Rektifizierung wird gestatten, die Technologie der Weiterreinigung dieses Gemisches mit dem Ziel, Reinargon zu gewinnen, wesentlich zu vereinfachen. Das Argon-Sauerstoff-Gemisch der genannten Zusammensetzung kann der Adsorptionsreinigung von Sauerstoff und teilweise von Stickstoff unterzogen werden_s indem es sofort nach der Ableitung von der Rektifikationskolonne durch eine gekühlte Schicht von synthetischen Zeolithen vom G?yp HaA (4-A) durchgelassen wird, Die Ausnutzung des Ad SOi¹P ti ons ν erfahrene der Argonreini^ung von Sauerstoff schaltet den Einsatz des Verfahrens der katalytischen Hydrierung mit Hilfe von Wasserstoff aus, macht den Reinigungsvorgang explosion sungeftuirdet, führt nicht zur Anfeuchtung des Produkts und zu dessen Verunreinigung durch Wasserstoff? die Selbstkosten von Argon werden geringer und die Qualität höher, weil die Möglichkeit sich bietet, trockenes Reinargon mit über 99»99 VoI. % Konzentration zu gewinnen. Trockenes Reinargon mit genannter Konzentration

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kann als Gοhut ζatmosphäre z.B. beim Argon-Lichtbogen-Schweissen und -Schneiden von Metallen, darunter auch beim Schweissen stark beanspruchter Bauteile in Flugzeug-, Schiffs- und Raketenbau, in GlühlaKpenindustrie, bei Bearbeitung von Titan und anderen seltenen und Alkalimetallen usw. mit gutem Erfolg eingesetzt werden.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand ihrer AusführungsbeispieIe und der zugehörigen Zeichnung, die eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgernässen Verfahrens zur Tieftemperaturluftzerlegung in schematischer Darstellung zeigt, näher erläutert.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Tieftemperaturluftzerlegung besteht in Folgendem.

Vorentstaubte Luft wird bis zu einem Druck von 180 bis 200

kp/cm komprimiert, von Kohlendioxid, Azetylen und anderen Beimengungen gereinigt, bis zum Taupunkt von 60 bis 70⁰C getrocknet und bis auf eine unter der Sättigungstemperatur liegenden Temperatur abgekühlt, wobei ein Teil der Luft kondensiert wird. Die abgekühlte und teilweise kondensierte Luft wird der Vorrektifizierung unterzogen, durch die Flüssigstickstoff, der weniger als 0,5 Vol. % Sauerstoff und Argon enthält, und um Sauerstoff angereicherte Flüssigluft, die 32 bis 36 Vol.% Sauerstoff, 1,5 bis 1,8 Vol. % Argon und 60,2 bis 66,5 Vol. % Stickstoff enthält, gewonnen werden. Bei der Vorrektifizierung wird die Stickstoifkonzentration dadurch höher, dass entweder die Entnahme von Stickstoff herabgesetzt, oder sein teilweiser Kückführungsprozess durchgeführt wird. Als Ergebnis der Vorrektifi·-

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zierung gewonnene um Sauerstoff angereicherte Flüssigluft und Stickstoff werden unterkühlt und der Sekundärrektifizierung unterworfen, durch die gasförmiger Stickstoff, dessen Gehalt an Sauerstoff- und Argonbeimengungen nicht über 0,3 Vol.% ist, gasförmiges Sauerstoff-Argon-Gernisch, das 7 "bis 10 Vol. % Argon enthält, und damit gleichwiegendes flüssiges Sauerstoff-Argon-Gemisch, das etwa 4,5 VoI₀ % Argon und weniger als 0,01 Vol. % H₂ enthält, gewonnen werden.

Der gasförmige Stickstoff mit hoher Konzentration, der weniger als 0,3 Vol.% Sauerstoff- und Argonbeimengungen enthält, wird durch die Verwendung von Flüssigstickstoff, der weniger als 0,3 Vol.% Sauerstoff und Argon enthält, und im Ergebnis der Vorrektifizierung gewonnen wurde, bei der Sekundärrektifizierung erzeugt.

Dieser Stickstoff findet weitgehende industrielle Verwendung er kann z.B. als Inertgas beim Sp.ölen üer Elektromotoren während ihres Trocknens oder bei der festen Fixierung von Maschinenelementen zum Einsatz gelangen.

Durch die Herabsetzung der Beimengungen im gasförmigen Stickstoff wird der Luftextraktionsfaktor von Argon erhöht.

Das 7 bis 10 Vol. % Ar und 0,01 bis 0,0001 VoI₀ % N₂ enthaltende, als Ergebnis der Sekundärrektifizierung gewonnene gasförmige Sauerstoff-Argon-Gemisch wird entnommen und einer weiteren Rektifizierung unterzogen. Dabei wird eine solche Gasmenge rektifiziert, die 21,86 bis 21,9 Vol.% der zu verarbeitenden Luft beträgt und die Gewinnung eines-Argon-Sauerstoff-Gemisches gewährleistet, das Argon mit 3 "bis 0,1 Vol. %

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Sauerstoff- und weniger als 0,1 Vol.% Stickstoffbeimengungen

sowie Produktionssauerstoff mit hoher, 99,7 "bis 99,9 Vol.?S

die

gleicher Konzentration enthält. Naturgemäss werden'Argonverluste mit diesem Sauerstoff stark herabgesetzt und der Extraktionsfaktor von Argon erhöht.

Der Produktionssauerstoff genannter Konzentration findet in der Raketentechnik als Brennstoff-Oxydator und beim Argon-Licht- : bogen -Schneiden und Schweissen von Metallen Verwendung.

Sauerstoff hoher Konzentration kann entweder in gasförmigem Zustand oder in flüssiger Form erhalten werden.

Das vorliegende Verfahren zur·Tieftemperaturluftzerlegung kann mit folgender Anlage verwirklicht werden.

Luft passiert ein Filter 1, wird entstaubt und gelangt

in einen Verdichter 2, in dem sie bis zu einem Druck von 180

• p

bis 200 kp/cm komprimiert wird. Dann passiert Pressluft einen Wärmeaustauschapparat 31 wo sie bis auf eine Temperatur von 2 bis 4°C abgekühlt und ferner über einen Flüssigkeitsabscheider 4, von Wassertröpfchen frei werdend, einem Block 5 eier Lufttrocknung und -reinigung von Kohlendioxid und Azethylen zugeführt wird. Dieser Block 5 enthält mindestens zwei Adsorber, die mit synthetischem Zeolithen vom Typ CaA (5A) oder NaX (9A) gefüllt sind. Bei einer Temperatur von +5 bis 1O°C wird Luft durch diese Zeolithen bis zu einem Taupunkt von 60 bis 70⁰C

3 3

praktisch vollständig getrocknet und bis 1-2 car/jar von Kohlendioxid und Azetylen gereinigt·

Nach dem Block* 5 &er Trocknung und der Reinigung wird Druckluft in zwei etwa gleiche Ströme eingeteilt, von denen der eine

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einer Expansionsmaschine 6 zugeführt wird und sich bis zu einen

ρ
Druck von- 5 bis 6 kp/cm darin ausdehnt, und der zweite Strom gelangt in einen Wärmeaustauschapparat 7» "wo er bis auf eine unter der Sättigungstemperatur liegenden Temperatur abgekühlt und teilweise kondensiert v;ird. Danach vereinigen sich die beiden Luftstrb'me aus der Expansionsmaschine 6 und dem vVärmeaustauschapparat 7 und strömen in eine I.'itteldruckrektifikationG-

kolonne 8, ζ.Be von 6 kp/cm , zur Vorrektifizierung ein, durch die Flüssigstickstoff, der weniger als 0,5 Vol» % Sauerstoff- und Argonbeimengungen enthält, und um Sauerstoff angereicherte Flüssigluft, die 32 bis 36 Vol. .% Sauerstoff, 0,3 Ms 1,8 Vol.fi Argon und 60,2 bis 66,7 Vol.J-S Stickstoff enthält, erhalten werden. Flüssigstickstoff entsteht bei der Kondensation des gasförmigen Stickstoffes in den Rohren eines Verflüssigers 9 durch Sieden des flüssigen Sauerstoff-Argon-Gemisches im Rohrzwischenraum. Ein Teil des gasförmigen Stickstoffswird dem Verflüssiger 9 entnommen und als Wärmeträger einem Verflüssiger 10 zugeführt. Nach der Kondensation im Verflüssiger 10 vereinigt sich dieser Stickstoff mit dem Hauptstrom von Flüssigstickstoff und wird gemeinsam mit um Sauerstoff angereicherter Flüssigluft auf Kosten des von der Rektifikationskolonne 12 abgeleiteten gasförmigen Stickstoffs in einem Wärmeaustauschapparat 11 unterkühlt und zur Sekundärrektifiziening der Niederdruckkolonne 12, z.B. von

1,5 kp/cm , zugeführt. Im Ergebnis der Sekundärrektifizierung in der Kolonne 12 werden gasförmiger Stickstoff, dessen Gehalt an Beimengungen nicht über 0,3 VpI. % Sauerstoff und Argon ist, gasförmiges Sauerstoff-Argon-Gemisch, das 7 "bis 10 Vol. % Argon

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und weniger als 0,01 Vol.% Stickstoff enthält, und flüssiges
Säuerstoff-Argon-Gemisch, das etwa 4,5 Vol.% Argon und weniger als 0,01 Vol.% Stickstoff enthält, erhalten., Gasförmiger Stick-

der
stoff!genannten Konzentration wird im Oberteil der Kolonne 12 ■ entnommen und über Wäriueaustauschapparate 11, 7 und 3 abgeleitet.

Die gasförmige Sauerstoff-Argonfraktion in einer Menge von

21,8 bis 21,0% von der zu verarbeitenden Luft wird in einer

ρ Niederdruckrektifikationskolonne 13>ζ·Β. von 1,3 bis 1,5 kp/cm , einer weiteren Rektifizierung unterworfen, d&rch die Sauerstoff kondensiert wird und nach unten -in den Verflüssiger 10 herab:

i-O^v

fließt.

während das Argon-Sauerstoff-Gemisch, das nicht mehr als 3

bis 0,1 Vol. % Sauerstoff und weniger als 0,1 Vol.% Stickstoff enthält, nach oben steigt. Die zur Gewährleistung des Vorganges der Rektifizierung in der Kolonne 13 oberhalb der Einführung des zu zerlegenden Säuerstoff-Argon-Gemisches nötige Flüssigkeit
entsteht in den Rohren eines Verflüssigers 14 durch Sieden eines Teils von um Sauerstoff angereicherter Flüssigluft im Rohrzwischenraum des Verflüssigers 14. Die zur Gewährleistung dos Vorganges der Rektifizierung in der Kolonne 13 unterhalb der
Einführung des zu zerlegenden Sauerstoff-Argon-Gemisches nötige Dämpfe werden durch die Verdampfung von Argon und Sauerstoff im Rohr Zwischenraum des Verflüssigers 10 auf Kostender von dem Verflüssiger 9 abgeleiteten Stickstoffdämpfe erzeugt.

Von dem Rohr Zwischenraum des Verflüssigers 10 wird Produktionssauerstoff mit 99,7 bis 99,99 Vol.% Konzentration in flüssigem oder gasförmigem Zustand entnommen.

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Das Argon-Sauerstoff-Gemisch, das 3 bis 0,1 YoI. % Sauerstoff und nicht über 0,1 Vol. % Stickstoff als Beimengungen enthält, kann ebenfalls in flüssigem oder gasförmigem Zustand von dem Verflüssiger 14 abgeleitet werden und wird unmittelbar dor Reinigung z.B. im Adsorptionsverfahren zugeführt.

Beispiel 1

Im Filter 1 wird Luft vorentstaubt, in einem Verdichter

p bis zu einem Druck von 2 bis 180 kp/cm komprimiert und im Wärmeaustauschapparat 3 bis auf eine Temperatur von 2 bis 4⁰C abgekühlt. Ferner wird die Luft über den Flüssigkeitsabscheider 4, v/o sie von Wassertröpfchen frei wird, dem Adsorptionsblock 5 zugeführt, wo die Luft bis einem Taupunkt von 60⁰C bis 70⁰C getrocknet und von Kohlendioxid und Azet.ylen gereinigt wird, deren Gesamtgehalt nicht über 1 bis 2 cnr/nr von der zu verarbeitenden Luft beträgt. Die getrocknete und von Kohlendioxid und Azetylen gereinigte Druckluft wird nach dem Block 5 in zwei Ströme eingeteilt\ 55/£ werden der Expansionsmaschine 6, in der Luft sich bis 6 kp/cm ausdehnt, und 45% dem Wärme aust aus chapparat 7 zugeführt, in dem ein Teil der Luft nach der Abkühlung bis auf eine unter der Sättigungstemperatur liegende Temperatur kondensiert wird. Ferner werden die beiden Ströme vereinigt und der Kolonne 8 zugeführt, die unter einem Druck von 5 bis 6 kp/cm arbeitet. Als Ergebnis des Vorganges der Rektifizierung in der Kolonne 8 und der Kondensation in den Verflüssigern 9 und 10 wird Flüssigstickstoff erhalten, der 0,3 Vol. % O₂ und 0,2 Vol.$5 Ar enthält, während im Unterteil der Kolonne 8 um Sauerstoff angereicherte Flüssigluft, die 36 Vol. % 0_?, 1,3 bis 1,8 Vol.?S

Ar, Rest - Stickstoff enthält, gesammelt wird.

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Weiterhin werden um Sauerstoff angereicherte Flüssigluft und Flüssigstickstoff im Wärmeaustauschapparat 11 auf*3 bis 7°

unterkühlt und zur Sekundärrektifikation der Niederdruckkolonne

12 zugeführt, die unter einem Druck von 1,3-bis 1>5 kp/cia arbeitet. Ein Teil von um Sauerstoff angereicherter unterkühlten Flüssigluft gelangt als Kühlmittel zum Einsatz, das die Rektifizierung und den Ausgleich der Kälteverluste in der Kolonne

13 gewährleistet, wozu etwa 50% von um Sauerstoff angereicherter Flüssigluft nach dem Wärmeaustaschapparat 11 in den Rohrzwischenraum des Verflüssigers 14 abgeleitet werden.

Diese Luft wird nach der Verdampfung im Verflüssiger 14 in die Kolonne 12 zur Rektifizierung geleitet.

Im Ergebnis der Sekundarrektifizierung werden im Oberteil der Kolonne 12 gasförmiger Stickstoff, dessen Gehalt an Beimengungen nicht über 0,3 Vol. % Sauerstoff und Argon ist, und in deren Unterteil gasförmiges Säuerstoff-Argon-Gemisch, das 7 Vol. % Ar und 0,0001 VoI₀ % Stickstoff enthält, sowie mit diesem Gemisch gleichwiegendes flüssiges Sauerstoff-Argon-Gemisch, das etwa 4,5 Vol. % Ar und weniger als 0,0001 Vol.% Stickstoff enthält und im Rohfzwischenraum des Verflüssigers 9 siedet, erhalten.

Der gasförmige Stickstoff wird über die Wärmeaustauschapparate 11, 7 und 3 abgeleitet, in denen er bis auf eine der Drucklufttemperatur am Eingang des Wärmeaustauschapparates 3 nahen Temperatur vorgewärmt wird.

Das gasförmige Sauerstoff-Argon-Gemisch, das 7 Vol. % Ar und 0,0001 Vol. % Stickstoff enthält, wird der unter einem Druck

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von 1,3 "bis 1,5 kp/cm arbeitenden Kolonne 13 zu einer weiteren Rektifizierung zugeführt, durch die das Argon-Sauerstoff-Gemisch, das 99,9 VoI₀^ Argon, 0,1 Vol. % Sauerstoff und 0,001 Vol. % Stickstoff enthält, in den Bohren des Verflüssigers zum Oberteil der Kolonne 13 aufsteigt, im RohrZwischenraum wird Produktionssauerstoff mit 99»7 VoI₀ % Konzentration gesammelt, der in flüssiger Form abgeleitet v&ra· Der Extraktionsfaktor von Argon beträgt 0,85.
Beispiel 2

Bei der Tieftemperaturzerlegung von entstaubter, bis zu

einem Druck von 190 kp/cm komprimierter, getrockneter, von Kohlendioxid und Azetylen . gereinigter und nach der im Beispiel 1 beschriebenen Methodik der Primär- und Sekundärrektifizierung unterworfener Luft werden im Oberteil der Kolonne 12 gasförmiger Stickstoff, dessen Gehalt an Sauerstoff- und Argonbeimengungen nicht über 0,3 Vol. % ist, und im Unterteil gasförmiges Sauerstoff-Argon-Gemisch, das 8 Vol. % Ar und 0,001 Vol. % IT₂ enthält , und im Verflüssiger 9 - flüssiges Sauerstoff-Argon-Gemisch gewonnen. Das gasförmige Sauerstoff-Argon-Gemisch wird einer weiteren Rektifizierung in der Kolonne 13 unterzogen, wodurch ein Argon-Sauerstoff-Gemisch, das 99 VoI₀ % Ar und 0,01 Vol. % Np enthält, sowie Sauerstoff mit 99,85 Vol. % Konzentration, der in flüssiger Form abgeleitet wird, erhalten werden.

Der Extraktionsfaktor von Argon beträgt 0,9·

Beispiel 3

Bei der Tieftemperaturzerlegung von im Filter 1 entstaubter, im Verdichter 2 bis zu einem Druck von etwa

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200 kp/cm komprimierter, getrockneter, von Kohlendioxid und Azetylen gereinigter und nach der im Beispiel 1 beschriebenen Methodik der Primär- und Sekundärrektifizierung unterworfener Luft, werden im Oberteil der Kolonne 12 gasförmiger Stickstoff,, dessen Gehalt an Sauerstoff- und Argonbeimengungen nicht über 0,3 "Vol. % ist, und im Unterteil gasförmiges Sauerstoff-Argon- -Geinisch, das 10 Vol. % Ar, 0,01 Vol. % N₂ enthält, und im Vorflüssiger 9 - flüssiges Sauerstoff-Argon-Gemisch, das etwa 4,5 Vol.% Ar und weniger als 0,01 Vol. % N₂ enthält, gewonnen. Das gasförmige Sauerstoff-Argon-Gemisch von genannter Zusammensetzung wird etwas oberhalb des Rohrzwischenraumes des Verflüssigers 9 entnommen und zu einer weiteren Rektifizierung der Kolonne 13 zugeführt. Durch diese Rektifizierung werden im Oberteil der Kolonne 13 ein Argon-Sauerstoff-Gemisch, das 97 Vol. Ar, etwa 3 Vol. % Op und weniger als 0,1 Vol. % N₂ enthält, und im Unterteil- Sauerstoff mit 99»99 Vol. % Konzentration gewonnen, Der Sauerstoff wird in flüssigem und das Argon-Sauerstoff-Gemisch entweder in gasförmigem oder in flüssigem Zustand abgeleitet.

Der Extraktionsfaktor von Argon erreicht 0,95· Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Anlagen,die in einem

Niederdruck-Kreislauf (6 bis 9 kp/cm ) betrieben werden, mit gutem Erfolg verwirklicht werden. Zur Zeit ist der Extraktionsfaktor von Argon an diesen Anlagen nicht über 0,25 bis 0,35· Unter Verwendung des vorliegenden Verfahrens kann er um ein Doppeltes bis Dreifaches erhöht werden. Dabei ist die gleichzeitige Gewinnung von Argon, Krypton, Xenon grundsätzlich möglich.

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Claims

2 b Ί 8 Γ] Ί 2

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PATENTANSPRUCH Verfahren zur Tieftemperaturluftzerlegung, das darin besteht , dass Luft vorentstaubt, dann bis zu einem Druck von

bis 200 kp/cHi komprimiert, die komprimierte Luft von Kohlendioxid und Azetylen gereinigt, bis zu einem Taupunkt von 60 bis 70⁰C getrocknet und bis auf eine unter der Sättigungstemperatur liegenden Temperatur abgekühlt wird, wobei ein Teil der Luft kondensiert wird, die abgekühlte und teilweise kondensierte Luft der Vorrektifizierung unterzogen wird, wodurch Flüssigstickstoff und um Sauerstoff angereicherte Flüssigluft gewonnen werden, Flüssigstickstoff und um Sauerstoff angereicherte Flüssigluft dann unterkühlt und der Sekundärrektifizierung unterzogen werden, durch die gasförmiger Stickstoff, gasförmiges Sauerstoff-Argon-Gemisch und flüssiges Sauerstoff-Argon-Gemisch,das etwa 4,5 Vol. % Argon enthält, erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet , dass bei der Sekundärrektifizierung für die Gewinnung von gasförmigem Stickstoff, der weniger als 0,3 Vol. % Sauerstoff- und Argonbeimengungen enthält, Flüssigstickstoff zum Einsatz gelangt, der als Ergebnis der . Vorrektifizierung gewonnen wurde, und gasförmiges Sauerstoff- -Argon-Gemisch, das durch die Sekundärrektifizierung erzeugt wurde, einer weiteren Rektifizierung unterworfen wird, durch die ein Argon-Sauerstoff-Gemisch gewonnen wird, das Argon mit 3 bis 0,1 Vol. % Sauerstoff und weniger als 0,1 Vol. % Stickstoff als Beimengung und Sauerstoff mit 99,7 bis 99,99 Vol. % Konzentration enthält.

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