DE3840506A1 - Verfahren und vorrichtung zur luftzerlegung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur luftzerlegung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturrektifikation von Luft, bei dem Luft verdichtet, vorgereinigt, abgekühlt, einer zweistufigen Rektifikation zugeführt und in eine sauerstoffreiche und in eine stickstoffreiche Fraktion zerlegt wird, wobei aus der Niederdruckstufe der Rektifikation eine weitere, mit Argon angereicherte Sauerstofffraktion entnommen und in einer Rohargonrektifikation in Rohargon und in eine schwerersiedende Restfraktion zerlegt wird.
Die Hauptprodukte einer Luftzerlegung, Sauerstoff und Stickstoff, können unmittelbar aus der zweistufigen Rektifikation entnommen werden. Argon dagegen, dessen Siedetemperatur zwischen den Siedetemperaturen von Sauerstoff und Stickstoff liegt, reichert sich im mittleren Bereich der Niederdruckstufe der Rektifikation an. An dieser Stelle wird eine im wesentlichen aus Sauerstoff bestehende Fraktion entnommen, mit der ein großer Teil des in der Einsatzluft enthaltenen Argons abgezogen wird. Diese Fraktion wird durch Rektifikation in einer Rohargonsäule in Rohargon und in eine flüssige Restfraktion zerlegt. Die Restfraktion wird in die Niederdruckstufe zurückgeführt.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS-34 36 897 bekannt. Dort wird im Anschluß an eine zweistufige Luftrektifikation in einer Rohargonsäule gasförmiges Rohargon gewonnen, das zu etwa 95% aus Argon besteht und hauptsächlich durch ca. 3% Sauerstoff und 2% Stickstoff verunreinigt ist (alle Prozentangaben beziehen sich auf das Volumen). Der Sauerstoff kann bei den bisher bekannten Verfahren bei der Rektifikation in der Rohargonkolonne, die üblicherweise etwa 60 Rektifizierböden enthält, nur unvollständig entfernt werden, da die Siedepunkte von Argon und Sauerstoff außerordentlich dicht beieinander liegen. Die Differenz der Siedetemperaturen beträgt beispielsweise 2,9 K bei einem Druck von 1 bar.
Soll reines Argon gewonnen werden, das weniger als 1% Verunreinigungen enthält, so muß der restliche Sauerstoff, der einen geringfügig höheren Siedepunkt als Argon aufweist, aus dem auf die bekannte Weise gewonnene Rohargon entfernt werden, bevor der leichterflüchtige Stickstoff in einer Reinargonsäule rektifikatorisch abgetrennt wird.
Die Abtrennung des Sauerstoffs aus dem Rohargon wird bei den bekannten Verfahren in einer sogenannten Deoxo Vorrichtung durchgeführt, indem der Sauerstoff mit zugemischtem Wasserstoff verbrannt und das dabei entstandene Wasser in einem Trockner abgetrennt wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DE-OS-34 28 968 veröffentlicht worden.
Eine derartige Deoxo-Vorrichtung stellt eine aufwendige Apparatur dar und verursacht vor allem hohe Betriebskosten durch den nicht unerheblichen Verbrauch an Wasserstoff. Besonders aufwendig ist die Bereitstellung des Wasserstoffs, wenn dieser nicht ohnehin bei chemischen Prozessen anfällt, die am Ort der Luftzerlegungsanlage durchgeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die sich durch einen geringen apparativen Aufwand und niedrige Betriebskosten auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die Unteransprüche beinhalten besonders günstige Ausgestaltungen der Erfindung.
Eine rektifikatorische Trennung von Sauerstoff und Argon unter einen Sauerstoffanteil von etwa 1% hinaus wurde bei der Planung von Luftzerlegungsanlagen bisher nicht ernsthaft erwogen, da eine solche Verfahrensweise wegen der geringen Differenz der Siedetemperaturen der beiden Stoffe außerordentlich schwierig und aufwendig erscheint. Diese Zurückhaltung ist auf zunächst einleuchtende Argumente gegründet, die im folgenden kurz ausgeführt werden.
Der Kopf der Rektifiziersäule, in der eine solche Trennung durchgeführt werden soll, muß zur Erzeugung von Rücklauf gekühlt werden. Für diese Kopfkühlung kommt nur ein indirekter Wärmetausch mit der Sumpffraktion aus der Druckstufe in Frage, wie sie üblicherweise auch bei der Rohargonrektifikation angewandt wird. Die Sumpffraktion wird dabei in einen Kopfkondensator entspannt und dort verflüssigt. Durch indirekten Wärmetausch wird Wärme aus kondensierendem Gas im Kopf der Rohargonsäule aufgenommen. Die verdampfte Sumpffraktion wird in die Niederdrucksäule eingeleitet. Voraussetzung dafür, daß auf diese Weise Rücklauf erzeugt werden kann, ist allerdings, daß die Kondensationstemperatur des Gases am Kopf der zu kühlenden Säule höher als die Verdampfungstemperatur der verdampfenden Sumpfflüssigkeit ist. Diese Temperaturen werden durch die Drücke der jeweiligen Fraktionen festgelegt. Deren Werte sind beide an den Druck der Niederdrucksäule gebunden, da einerseits die zu rektifizierende argonhaltige Fraktion aus der Niederdrucksäule stammt und andererseits die zur Kühlung eingesetzte Fraktion anschließend in die Niederdrucksäule eingeführt wird. Eine zusätzliche Verdichtung eines der beiden Ströme wäre wirtschaftlich nicht vertretbar, da es sich im Vergleich zur gewonnenen Rohargonmenge um außerordentlich hohe Umsätze handelt.
Die Trennstufen von Rektifiziersäulen in LuftzerIegungsanlagen werden nahezu ausschließlich mittels Böden realisiert. Eine Säule zur vollständigen Abtrennung von Sauerstoff aus Argon müßte jedoch eine solch hohe Anzahl von Böden enthalten, daß dadurch ein starker Druckabfall innerhalb der Kolonne entstünde. Infolge dessen sänke der Druck am Kopf der Säule so weit ab, daß die Kondensationstemperatur des Kopfgases unterhalb der Verdampfungstemperatur der Sumpfflüssigkeit der Drucksäule (30 bis 40% Sauerstoff) beim Druck der Niederdrucksäule (ca. 1,4 bar) Iäge. Damit wäre eine Erzeugung von Rücklaufflüssigkeit nicht mehr möglich, in der Säule könnte keine Rektifikation durchgeführt werden.
Gemäß der Erfindung wird trotzdem an einer ausschließlich rektifikatorischen Abtrennung des Sauerstoffs festgehalten. Dies wird dadurch ermöglicht, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Rektifizierböden verzichtet und statt dessen strukturierte Packungen oder Füllkörper eingesetzt werden, die einen wesentlich geringeren Druckabfall innerhalb der Rektifiziersäule bewirken. Da keinerlei Erfahrungswerte über die Wirkung von strukturierten Packungen oder Füllkörpern bei der Luftrektifikation vorlagen, konnte erst mit Hilfe der Erfahrungen, die in einer größeren Versuchanlage gewonnen wurden, die Realisierungsmöglichkeiten eines Einsatzes von Packungen auf diesem Gebiet und speziell in der Rohargonsäule eingeschätzt werden. Bei den Versuchen ergab sich, daß mit einer theoretischen Bodenzahl zwischen 150 und 200, vorzugsweise etwas 180, ein Sauerstoffgehalt von unter 1 ppm im Rohargon bei wirtschaftlicher Argonausbeute möglich ist.
Besonders vorteilhaft ist es, diese Argonrektifikation bereits in der Rohargonsäule durchzuführen. Dadurch muß die Rohargonsäule zwar mit einer hohen Anzahl von Trennstufen ausgeführt werden und erreicht eine verhältnismäßig große Bauhöhe. Die erzielten Einsparungen sind jedoch ungleich höher als dieser zusätzliche Aufwand, da das sauerstofffreie Rohargon direkt einer Reinargonrektifikation zugeführt werden kann. Eine Deoxo-Anlage zur Entfernung von Restsauerstoff braucht nicht eingebaut zu werden. Der Hauptvorteil der Erfindung besteht jedoch darin, daß die hohen Betriebskosten einer Deoxo-Vorrichtung und der durch sie verursachte höhere Steuerungsaufwand vollständig wegfallen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt in vereinfachter Form ein Verfahren zur Luftzerlegung mit anschließender Argongewinnung, die erfindungsgemäß rein rektifikatorisch durchgeführt wird.
Über Leitung 1 wird Luft vom Verdichter 2 angesaugt und in einer Reinigungsstufe 3 von Wasserdampf und Kohlendioxid befreit. Die Luft wird anschließend in einem Wärmetauscher 4 im Gegenstrom zu Produktgasen abgekühlt und zu einem Teil über Leitung 5 in die Drucksäule 10 einer zweistufigen Rektifizierkolonne 9 eingeführt. Ein anderer Teil der Luft wird im Wärmetauscher 4 bei einer mittleren Temperatur abgezweigt (Leitung 6), in einer Turbine 7 arbeitsleistend entspannt und über Leitung 8 der Niederdrucksäule 11 zugeführt.
In einem Kondensator-Verdampfer 12 wird Gas aus dem Kopf der Drucksäule gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule kondensiert, und als Rücklauf auf die Drucksäule aufgegeben. Aus der Drucksäule wird Stickstoff gasförmig (Leitung 15) und flüssig (Leitung 14) entnommen. Ein Teil des flüssig entnommenen Stickstoffs wird über Leitung 18 als Rücklaufflüssigkeit in die Niederdrucksäule eingespeist. Über Leitung 13 wird Sumpfflüssigkeit aus der Drucksäule heraus und teilweise über Leitung 16 dem mittleren Bereich der Niederdrucksäule zugeführt.
Als Produktströme werden der Niederdrucksäule gasförmiger Stickstoff (Leitung 20) und gasförmiger Sauerstoff (Leitung 21) entnommen und anschließend im Wärmetauscher 4 auf nahezu Umgebungstemperatur angewärmt. Eine weitere Fraktion verläßt über Leitung 22 die Niederdruckkolonne. Diese Fraktion enthält 87-92%, vorzugsweise 90% Sauerstoff, 8-13%, vorzugsweise 10% Argon und außerdem etwa 0,05% Stickstoff und wird in den unteren Bereich einer Rohargonsäule 24 eingespeist. Der Kopfkondensator 26 der Rohargonsäule 24 wird durch verdampfende Flüssigkeit, die über Leitung 17 aus dem Sumpf der Drucksäule 10 herangeführt wird, gekühlt. Die Sumpfflüssigkeit in Leitung 17 enthält 35-40% Sauerstoff und wird vor der Einführung in den Kopfkondensator 26 auf etwa den Druck der Niederdrucksäule entspannt. Der verdampfte Anteil wird über Leitung 19 in die Niederdrucksäule eingeleitet.
Die Rohargonsäule 24 ist erfindungsgemäß mit strukturierten Packungen ausgestattet, die einer theoretischen Bodenanzahl von 170-200, vorzugsweise ca. 180 entsprechen, und wird unter dem Druck der Niederdrucksäule von 1,2 bis 1,6, vorzugsweise ca. 1,3 bar betrieben. Statt der Packungen könnten auch Füllkörper mit ähnlich geringem Druckverlust eingesetzt werden. Über Leitung 25 wird Rohargon gasförmig entnommen, das nur noch etwa 1 ppm Sauerstoff enthält. Ein Teil dieses Rohargons wird im Kopfkondensator 26 verflüssigt und als Rücklauf in die Rohargonsäule zurückgeleitet. Das übrige Rohargon wird in einem Rohargonverflüssiger 28 im Wärmetausch mit verdampfendem Stickstoff 29, der aus der Drucksäule stammt, kondensiert.
Wegen der großen Bauhöhe der erfindungsgemäß ausgeführten Rohargonsäule (etwa 30 m) bietet es sich an, in Leitung 40 das hydrostatische Potential des am Kopf der Rohargonsäule entnommenen Rohargons auszunutzen, um den für die Feinreinigung in einer Reinargonsäule 30 benötigten Druck zu erzeugen.
In der Reinargonsäule, die ebenso wie die große Rektifiziersäule 9 auf konventionelle Weise mit Böden ausgeführt sein kann, wird der im Rohargon verbliebene Stickstoff abgetrennt. Der Sumpf der Säule wird durch Stickstoffgas, das über Leitung 15 aus der Drucksäule herangeführt wird, beheizt. Der dabei kondensierte Stickstoff 31 wird gemeinsam mit aus der Drucksäule flüssig entnommenem Stickstoff 32 zur Kühlung des Kopfes der Reinargonsäule verwendet. Am Kopf der Reinargonsäule wird über Leitung 34 Gas entnommen und zum einen Teil im Kopfkondensator 33 verflüssigt und in die Reinargonsäule 30 zurückgeführt. Der übrige Teil wird über Leitung 37 als Restgas abgegeben, das im wesentlichen aus Stickstoff besteht. Über Leitung 39 wird flüssiges Reinargon entnommen, das insgesamt noch 1-10 ppm, vorzugsweise 3 ppm Verunreinigungen enthält.

Claims (3)

1 Verfahren zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturrektifikation von Luft bei dem Luft verdichtet, vorgereinigt, abgekühlt, einer einstufigen Rektifikation zugeführt und in eine sauerstoffreiche und in eine stickstoffreiche Fraktion zerlegt wird, wobei aus der Niederdruckstufe der Rektifikation eine weitere, mit Argon angereicherte Sauerstofffraktion entnommen und in einer Rohargonrektifikation in Rohargon und in eine schwerersiedende Restfraktion zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohargonrektifikation mit mindestens 150 theoretischen Böden durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohargon aus der Rohargonrektifikation in einer Reinargonrektifikation in Reinargon und in eine leichtersiedende Restfraktion zerlegt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer zweistufigen Rektifizierkolonne, bestehend aus einer Drucksäule und einer Niederdrucksäule, und mit einer Rohargonsäule, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohargonsäule strukturierte Packungen oder Füllkörper aufweist.
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