DE4406069A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von reinem Argon - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von reinem Argon

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von reinem Argon, bei dem Luft in einem Rektifiziersystem mit mindestens einer Luftzerlegersäule und einer Reinargonsäule zerlegt wird, wobei ein argonangereichertes Gemisch aus Luftgasen in die Reinargonsäule eingeführt wird, aus dem unteren Bereich der Reinargonsäule ein im wesentlichen stickstofffreies Argonprodukt abgezogen wird und der untere Bereich der Reinargonsäule durch indirekten Wärmeaustausch beheizt wird.
Die Grundlagen der Reinargongewinnung sind in Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Seiten 332 bis 334 beschrieben. Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind außerdem aus den Patentveröffentlichungen EP-B- 377 117, EP-A-171 711 und EP-A-331 028 bekannt. Dabei wird die Luftzerlegung im engeren Sinne in der Regel in einer Doppelsäule vorgenommen, aus deren Niederdruckteil die Einsatzfraktion für eine Rohargonsäule entnommen wird. Das sauerstoffabgereicherte Rohargon wird in einer weiteren Rektifiziersäule, der Reinargonsäule, von leichterflüchtigen Verunreinigungen, insbesondere von Stickstoff befreit. Zwischen Rohargon- und Reinargonsäule kann gegebenenfalls eine weitere Stufe zur Sauerstoffentfernung, beispielsweise durch katalytische Oxidation mit Wasserstoff (Deoxo-Vorrichtung, siehe z. B. EP-A-171 711 oder EP-A-331 028) geschaltet sein. Die Erfindung ist jedoch nicht grundsätzlich an die übliche Reihenfolge der Argonreinigung (Sauerstoffentfernung vor Stickstoffentfernung) gebunden. Die geläufigen Begriffe Rohargonsäule (im Sinne einer Säule zur Entfernung von Sauerstoff) und Reinargonsäule (im Sinne einer Trennung zwischen Argon und Stickstoff) werden hier verwendet, ohne daß dadurch diese Reihenfolge festgelegt wäre.
Der untere Bereich der Reinargonsäule muß zur Erzeugung von aufsteigendem Dampf beheizt werden. Dies geschieht üblicherweise durch indirekten Wärmeaustausch mit einer kondensierenden gasförmigen Fraktion, beispielsweise von gasförmigem Stickstoff aus der Drucksäule des Luftzerlegers im engeren Sinne. Dabei wird das Heizmedium in der Regel mindestens teilweise verflüssigt. Um dieses Kondensat als Flüssigkeit sinnvoll weiterverwenden zu können (etwa als Rücklauf für eine Trennsäule oder als Kühlmittel in einem Kondensator-Verdampfer), muß im Falle der nur partiellen Kondensation in der Sumpfheizung der Reinargonsäule ein Abscheider zwischengeschaltet werden, oder es muß durch entsprechende Regelungsvorrichtungen dafür gesorgt werden, daß genau die Menge an Heizmedium, die zur Beheizung des Sumpfes der Reinargonsäule notwendig ist, durch den Sumpfverdampfer geführt wird und dabei im wesentlichen vollständig kondensiert. Beides ist mit relativ hohem Aufwand verbunden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich durch besonders hohe Wirtschaftlichkeit auszeichnen, insbesondere durch eine kostengünstige Sumpfbeheizung der Reinargonsäule.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der indirekte Wärmeaustausch mit einem Heizmedium durchgeführt wird, das sich im flüssigen Zustand befindet.
Es wird also auf den - im allgemeinen sehr effizienten - Austausch von latenter Wärme bei der Sumpfbeheizung der Reinargonsäule verzichtet. Die Verdampfung von Flüssigkeit aus dem unteren Bereich der Reinargonsäule wird nicht durch die Verflüssigung eines gasförmigen Heizmediums bewirkt, sondern durch den Entzug von fühlbarer Wärme aus einem flüssigen Strom.
Die erwarteten Nachteile dieses Verfahrensschritts fallen dabei sehr gering aus, da nur eine relativ kleine Menge von Flüssigkeit verdampft werden muß (etwa 0,5 bis 2%, vorzugsweise etwa 0,5 bis 1% der Gesamtmenge der Zerlegungsluft). Der relativ große Strom an Heizmedium, der durch den Verzicht auf den Austausch latenter Wärme benötigt wird, ist daher im absoluten Maß durchaus realisierbar.
Als Heizmedium kann beispielsweise jede Fraktion verwendet werden, die unter hohem Druck vorliegt, etwa jede Fraktion aus der Drucksäule einer Doppelsäule, die bei der Entnahme flüssig anfällt oder nach der Entnahme aus der Doppelsäule und vor ihrem Einsatz als Heizmedium verflüssigt wird. Vorzugsweise wird das Heizmedium aus dem unteren oder mittleren Bereich der beziehungsweise einer der Luftzerlegersäulen abgezogen, im Falle eines Doppelsäulen-Luftzerlegers insbesondere der Druckstufe einer Doppelsäule. Besonders günstig ist der Einsatz von Sumpfflüssigkeit aus der Druckstufe als Heizmedium für die Reinargonsäule. Vorteilhafterweise bildet im wesentlichen die gesamte im unteren Bereich der Drucksäule anfallende Sumpfflüssigkeit das Heizmedium.
Dadurch reicht eine einzige Leitung aus, um Sumpfflüssigkeit aus der Drucksäule herauszuführen, die Sumpfheizung der Reinargonsäule mit Heizmedium zu versorgen und dieses - gegebenenfalls mit weiteren Zwischenschritten - zur weiteren Rektifikation in die Niederdrucksäule zu führen. Eine eigene Leitung für das Heizmedium der Reinargonsäule ist nicht erforderlich, insbesondere entfallen Regelungseinrichtungen für eine entsprechende Aufteilung der als Heizmedium verwendeten Fraktion.
Dabei ist es besonders günstig, das bei der Sumpfbeheizung der Reinargonsäule unterkühlte Heizmedium anschließend zur Kopfkühlung der Reinargonsäule und/oder der Rohargonsäule einzusetzen. Einzelheiten der entsprechenden Verfahrensschritte und Vorrichtungen hierzu sind der deutschen Patentanmeldung P 44 06 049.1 (internes Aktenzeichen der Anmelderin: H94/15 = H1915) mit gleichem Zeitrang zu entnehmen.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei das gesamte Luftzerlegungsverfahren gezeigt ist.
Atmosphärische Luft wird bei 1 angesaugt, im Luftverdichter 2 komprimiert, vorgekühlt (3), in einer Molsiebstation 4 von Kohlendioxid und Wasserdampf befreit, im Hauptwärmetauscher 5 auf etwa Taupunkt abgekühlt und schließlich über Leitung 6 in die Druckstufe 8 einer Doppelsäule 7 eingeführt. Druckstufe 8 und Niederdruckstufe 9 der Doppelsäule 7 stehen über einen Hauptkondensator 10 in wärmetauschender Verbindung. Sumpfflüssigkeit 11, 23 und flüssiger Stickstoff 12 aus der Drucksäule 8 werden mindestens zum Teil in die Niederdrucksäule 9 eingedrosselt. Die gasförmigen Produkte der Niederdrucksäule, reiner Stickstoff 14, unreiner Stickstoff 15 und gasförmiger Sauerstoff 16, werden im Hauptwärmetauscher 5 gegen zu zerlegende Luft auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Falls gewünscht, können auch Flüssigprodukte gewonnen werden: Stickstoff über Leitung 13 und/oder Sauerstoff 33 vom Sumpf der Niederdrucksäule 9. Insbesondere in diesem Fall wird in der Regel Kälte durch arbeitsleistende Entspannung von Prozeßströmen erzeugt, beispielsweise in einem mit Luft oder Stickstoff betriebenen Kältekreislauf mit einer, zwei oder mehr Entspannungsturbinen oder durch arbeitsleistende Entspannung von Luft auf etwa Niederdrucksäulenniveau und Direkteinspeisung der Luft in die Niederdrucksäule.
An einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule 9 wird eine argonhaltige Sauerstofffraktion 36 abgezogen und in einer Rohargonsäule 17 in am Kopf der Säule anfallendes Rohargon 18 und eine Restflüssigkeit 19 zerlegt, die - gegebenenfalls mit Hilfe einer Pumpe 20 - in die Niederdrucksäule zurückgespeist wird. Sauerstoffabgereichertes Argon (Rohargon) wird über Leitung 24 vorzugsweise in flüssigem Zustand abgezogen und als argonangereichertes Gemisch in die Reinargonsäule 25 eingespeist. Die Rohargonfraktion 24 enthält noch etwa 0,1 bis 3 ppm, vorzugsweise weniger als 1 ppm schwererflüchtige Komponenten (vor allem Sauerstoff) und etwa 0,1 bis 1%, vorzugsweise 0,2 bis 0,5% leichterflüchtige Verunreinigungen (insbesondere Stickstoff).
Vom Sumpf der Reinargonsäule 25 wird das Reinargonprodukt 26 - vorzugsweise in flüssigem Zustand - abgezogen. Das Reinargonprodukt 26 weist an Verunreinigungen noch 0,1 bis 1000 ppm, vorzugsweise etwa 1 ppm oder weniger Sauerstoff und 0,05 bis 100 ppm, vorzugsweise etwa 1 ppm oder weniger Stickstoff auf. Ein Teil der in der Reinargonsäule anfallenden Kopffraktion 28, die zu 20 bis 99%, vorzugsweise etwa 40 bis 60% aus Stickstoff besteht, wird als Restgas 31 abgeführt. Letzteres kann beispielsweise in die Atmosphäre abgelassen oder einem anderen Reststrom, zum Beispiel dem Unrein-Stickstoffstrom 15 aus der Niederdrucksäule 9, zugespeist werden.
Der Wärmetauscher 27 dient zum erfindungsgemäßen Eintrag von Wärme in den unteren Bereich der Reinargonsäule 25. Dort wird ein Teil der Sumpfflüssigkeit aus der Reinargonsäule gegen die flüssige, unter einem Druck von beispielsweise 1 bis 3 bar, vorzugsweise 1,2 bis 2,0 bar stehende Sumpffraktion 11 aus der Drucksäule 8 verdampft. Das Heizmedium 11 wird dabei unterkühlt.
Das unterkühlte Heizmedium 11 a wird im folgenden als Kühlmedium für die Erzeugung von Rücklauf für Rohargon- und Reinargonsäule verwendet. Die Kopfkühlung der Rohargonsäule erfolgt in einem Kondensator-Verdampfer 35, in den im wesentlichen die gesamte Sumpfflüssigkeit aus der Drucksäule 8 (nach Durchströmen des Sumpfverdampfers 27) eingeleitet wird. (Kleinere Anteile der Sumpffraktion der Drucksäule können auf anderem Weg entnommen werden, beispielsweise über einen Sicherheitsablaß.) Die Drucksäulenflüssigkeit wird über eine Leitung 11, die durch einen Unterkühlungsgegenströmer 34 und den Wärmetauscher 27 führt, in den Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers 35 eingespeist. Gasförmiges Rohargon vom Kopf der Rohargonsäule 17 wird über Leitung 18 durch einen Wärmetauscher 21 geleitet, der im Flüssigkeitsbad des Kondensator-Verdampfers angeordnet ist. Ein Teil des im Wärmetauscher 21 gebildeten Kondensats wird als Rücklauf auf die Rohargonsäule aufgegeben, ein anderer Teil als Zwischenprodukt 24 abgeführt.
Über Leitung 30 strömt Flüssigkeit zu einem weiteren Wärmetauscher 29, der als Kopfkondensator für die Reinargonsäule 25 dient. Das im Wärmetauscher 29 verdampfte Kühlmedium kann über Leitung 32 in den Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers 35 zurückgespeist werden. Über Leitung 28 tritt die Kopffraktion der Reinargonsäule in indirekten Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium. Dabei gebildetes Kondensat strömt über die Verbindung 28a wieder in die Reinargonsäule 25 zurück. Der gasförmig verbleibende Rest wird über bei 31 abgezogen. Weitere Varianten der Kopfkühlung der Reinargonsäule 25 sind in der deutschen Patentanmeldung P 44 06 049.1 (internes Aktenzeichen der Anmelderin: H94/15 = H1915) mit gleichem Zeitrang ausführlich beschrieben.

Claims (8)

1. Verfahren zur Gewinnung von reinem Argon, bei dem Luft in einem Rektifiziersystem mit mindestens einer Luftzerlegersäule (9) und einer Reinargonsäule (25) zerlegt wird, wobei ein argonangereichertes Gemisch (24) aus Luftgasen in die Reinargonsäule (25) eingeführt wird, aus dem unteren Bereich der Reinargonsäule (25) ein im wesentlichen stickstofffreies Argonprodukt (26) abgezogen wird und der untere Bereich der Reinargonsäule (25) durch indirekten Wärmeaustausch (27) beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der indirekte Wärmeaustausch (27) mit einem Heizmedium (11) durchgeführt wird, das sich im flüssigen Zustand befindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizmedium (11) aus dem unteren oder mittleren Bereich der beziehungsweise einer der Luftzerlegersäulen (9) abgezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rektifiziersystem eine aus einer Drucksäule (8) und aus einer Niederdrucksäule (9) bestehende Doppelsäule (7) aufweist, wobei das Heizmedium aus dem unteren oder mittleren Bereich der Drucksäule (8) abgezogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich der Drucksäule (8) anfallende Sumpfflüssigkeit (11) als Heizmedium verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die gesamte im unteren Bereich der Drucksäule (8) anfallende Sumpfflüssigkeit als Heizmedium (11) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizmedium (11a) stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs (27) zur Beheizung des unteren Bereichs der Reinargonsäule (25) in indirekten Wärmeaustausch (29) mit einer gasförmigen Fraktion (28) vom Kopf der Reinargonsäule (25) gebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine argonhaltige Fraktion (36) in eine Rohargonsäule (17) eingeleitet und an deren Kopf sauerstoffabgereichertes Argon (18) gewonnen wird, wobei ein Teil des sauerstoffabgereicherten Argons (18) in indirektem Wärmeaustausch (21) mit dem Heizmedium (11a) stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs (27) zur Beheizung des unteren Bereichs der Reinargonsäule (25) verflüssigt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 mit einem Rektifiziersystem mit mindestens einer Luftzerlegersäule (9) und einer Reinargonsäule (25), an die eine Zuführungsleitung (24) zur Einspeisung eines argonangereicherten Gemischs aus Luftgasen angeschlossen ist, wobei ein Wärmetauscher (27) mit dem unteren Bereich der Reinargonsäule (25) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (27) eine Flüssigkeitsleitung (11) zur Einspeisung eines flüssigen Heizmediums aufweist.
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