DE60007686T2 - Tieftemperaturrektifikationsystem zur Luftzerleggung - Google Patents
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- F25J2235/50—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being oxygen
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Zerlegung von Luft durch Tieftemperaturdestillation. Im Lauf der Jahre hat es nicht an Versuchen gefehlt, diese Produktionstechnik zu verbessern, um die Sauerstoffkosten zu senken, die sich hauptsächlich aus dem Energieverbrauch und den Gerätekosten zusammensetzen.
- Bekanntlich ist ein unter erhöhtem Druck arbeitendes Destillationssystem für die Kostenverringerung vorteilhaft, und wenn der Druckstickstoff genutzt werden kann, ist auch der Energieverbrauch des Systems sehr konkurrenzfähig. Man beachte, daß ein bei erhöhtem Druck arbeitendes System dadurch gekennzeichnet ist, daß der Druck der Niederdrucksäule über 2 bar absolut liegt. Beim herkömmlichen Niederdruckverfahren verwendet man dagegen eine Niederdrucksäule, die bei etwas oberhalb Normaldruck betrieben wird.
- Je höher der Druck der Niederdrucksäule, desto höher ist der die Hochdrucksäule speisende Luftdruck und desto kompakter sind die Geräte sowohl für die warmen Teile als auch für die kalten Teile der Anlage, was zu einer erheblichen Kostensenkung führt. Je höher der Druck, desto schwieriger ist jedoch der Destillationsprozeß, da die Flüchtigkeiten der in der Luft vorliegenden Komponenten (Sauerstoff, Argon, Stickstoff usw.) enger zusammenrücken, so daß die Durchführung der Zerlegung mittels Destillation energieaufwendiger wäre. Daher eignet sich das bei erhöhtem Druck arbeitende Verfahren sehr gut für die Produktion von Sauerstoff niedriger Reinheit (< 98%), wobei die Zerlegung zwischen den einfacheren Schlüsselkomponenten Sauerstoff und Stickstoff anstelle der viel schwierigeren Schlüsselkomponenten Sauerstoff und Argon durchgeführt wird. Die Flüchtigkeit von Sauerstoff und Argon liegt so nahe zusammen, daß für die Durchführung einer derartigen Zerlegung selbst bei Normaldruck eine große Zahl von Destillationsstufen und hohe und Aufkoch- und Rückfluß raten erforderlich wären. Das bei erhöhtem Druck arbeitende Verfahren ist in der gegenwärtigen Konfiguration heutiger moderner Prozeßzyklen für die Produktion von hochreinem Sauerstoff (Reinheit > 98%) weder geeignet noch wirtschaftlich. Da Sauerstoff hauptsächlich durch Argon verunreinigt ist, impliziert die Produktion von Sauerstoff niedriger Reinheit keine Argonproduktion, da über 50% des in der Einsatzluft enthaltenen Argons in Sauerstoff- und Stickstoffprodukten verloren gehen.
- Es ist daher von Vorteil, ein bei erhöhtem Druck arbeitendes Verfahren zu entwickeln, mit dem hochreiner Sauerstoff und in bestimmten Fällen auch Argon produziert werden kann.
- Bei der nachstehend beschriebenen neuen Erfindung wird das einfache Tripelsäulenverfahren, das für die Produktion von Sauerstoff niedriger Reinheit entwickelt worden ist, verwendet und zur weiteren Zerlegung des Sauerstoffs niedriger Reinheit zusammen mit dem Argon-Nebenprodukt eine Argonsäule hinzugefügt. Durch Hinzufügung der Argonsäule kann man hochreinen Sauerstoff (in der Regel mit einer Reinheit von 99,5 Vol.-%), der für viele technische Gasanwendungen benötigt wird, und gleichzeitig Argon, der ein wertvolles Produkt von Luftzerlegungsanlagen darstellt, produzieren.
- Das bei erhöhtem Druck arbeitende Doppelsäulenverfahren wird in der
US-A-5224045 - Das Tripelsäulenverfahren wird in der
US-PS 5231837 US-A-5257504 US-A-5438835 US-A-5341646 EP-A-636845 EP-A-684438 US-A-5513497 US-A-5692395 US-A-5682764 US-A-5678426 US-A-5666823 US-A-5675977 US-A-5868007 EP-A-833118 - In der
US-A-5245832 - In der
US-A-5331818 - Keines der obigen Verfahren kann wirtschaftlich und effizient zur Produktion von hochreinem Stickstoff oder Argon verwendet werden.
- In der
US-A-4433989 - In der
US-A-5868007 - Die
EP-A-694745 - Die vorliegende Erfindung dient zur Behebung der mit Verfahren und Vorrichtungen des Standes der Technik verbundenen Nachteile.
- Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
- Man beachte, daß bei der Definition eines Stroms als Zulaufstrom für eine Säule dessen Zuführungspunkt, sofern er nicht angegeben ist, an einer beliebigen Stelle in den Stofftransport- und Wärmetransportzonen dieser Säule liegen kann, und zwar überall dort, wo es direkten oder indirekten Kontakt zwischen diesem Strom und einem internen Fluidstrom der Säule gibt. Der Sumpfverdampfer oder Kopfverdampfer werden daher als Teil der Säule angesehen. Beispielsweise wird ein flüssiger Zulaufstrom zu einem Sumpfverdampfer der Säule als Zulaufstrom zu dieser Säule erachtet.
- In diesem Zusammenhang ist unter "Kopf" jeder Punkt bis zu zwanzig theoretische Böden unter dem höchsten Punkt der Säule zu verstehen.
- Der stickstoffangereicherte Strom kann mindestens 90 Mol-% Stickstoff enthalten. Gemäß anderen fakultativen Aspekten der Erfindung:
- – weist die Argonsäule einen durch einen Gasstrom angewärmten Sumpfverdampfer auf,
- – enthält der Gasstrom mindestens 90 Mol-% Stickstoff,
- – handelt es sich bei dem den Sumpfverdampfer der Argonsäule anwärmenden Gasstrom um mindestens einen Teil des ersten, zweiten oder dritten stickstoffangereicherten Stroms,
- – geht man bei dem Verfahren so vor, daß man mindestens einen Teil des dritten stickstoffangereicherten Stroms verdichtet und dem Sumpfverdampfer der Argonsäule als Anwärmgas zuführt,
- – geht man bei dem Verfahren so vor, daß man den vierten sauerstoffangereicherten Strom der Niederdrucksäule zuführt,
- – geht man bei dem Verfahren so vor, daß man den ersten argonangereicherten Strom aus der Niederdrucksäule in flüssiger Form abzieht,
- – geht man bei dem Verfahren so vor, daß man den ersten argonangereicherten Strom aus dem Sumpf der Niederdrucksäule abzieht,
- – geht man bei dem Verfahren so vor, daß man den dritten sauerstoffangereicherten Strom und/oder den zweiten argonangereicherten Strom als Produkte abzieht, – enthält der dritte sauerstoffangereicherte Strom mindestens 95 Mol-% Sauerstoff und/oder der zweite argonangereicherte Strom mindestens 95 Mol-% Argon,
- – geht man bei dem Verfahren so vor, daß man dem ersten argonangereicherten Strom mindestens 5 theoretische Böden über dem Sumpf der Niederdrucksäule abzieht und den vierten sauerstoffangereicherten Strom als Produkt abzieht,
- – enthält der vierte sauerstoffangereicherte Strom mindestens 95 Mol-% Sauerstoff,
- – verwendet man als Anwärmgas für den Sumpfverdampfer der Niederdrucksäule stickstoffangereichertes Gas aus der Hochdrucksäule oder Luft,
- – zieht man aus der Niederdrucksäule sauerstoffangereicherte Ströme unterschiedlicher Reinheit ab,
- – betreibt man die Niederdrucksäule bei einem Druck von mehr als 2 bar absolut, vorzugsweise mehr als 3 bar absolut und ganz besonders bevorzugt mehr als 4 bar absolut,
- – betreibt man die Argonsäule bei einem niedrigeren Druck als die Niederdrucksäule,
- – weist die Mitteldrucksäule einen Sumpfverdampfer auf, – geht man bei dem Verfahren so vor, daß man dem Sumpfverdampfer ein stickstoffangereichertes Gas aus der Hochdrucksäule zuführt,
- – geht man bei dem Verfahren so vor, daß man mindestens einen Teil des zweiten stickstoffangereicherten Fluids vor der Zufuhr zur Niederdrucksäule verdampft oder unterkühlt,
- – geht man bei dem Verfahren so vor, daß man mindestens einen Teil des zweiten sauerstoffangereicherten Fluids vor der Zufuhr zur Niederdrucksäule verdampft oder unterkühlt,
- – weist die Mitteldrucksäule einen Kopfkondensator auf und geht man bei dem Verfahren so vor, daß man dem Kopfkondensator mindestens einen Teil des zweiten sauerstoffangereicherten Fluids zuführt,
- – führt man der Mitteldrucksäule Luft zu.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 26 bereitgestellt.
- Gemäß weiteren Optionen:
- – enthält die stickstoffangereicherte Flüssigkeit mindestens 90 Mol.-% Stickstoff,
- – weist die Argonsäule einen Sumpfverdampfer auf,
- – gibt es eine Leitung zum Zuführen eines dritten stickstoffangereicherten Stroms von der Niederdrucksäule zum Sumpfverdampfer der Argonsäule,
- – gibt es einen Verdichter zum Verdichten des dritten stickstoffangereicherten Stroms vor der Zufuhr zum Sumpfverdampfer der Argonsäule,
- – ist die Leitung zum Abziehen des ersten argonangereicherten Stroms mit dem Sumpf der Niederdrucksäule verbunden,
- – gibt es eine Leitung zum Zuführen des vierten sauerstoffangereicherten Stroms zu einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule,
- – gibt es eine Einrichtung zum Druckbeaufschlagen mindestens einer aus der Argonsäule und/oder der Niederdrucksäule abgezogenen sauerstoffangereicherten Flüssigkeit,
- – gibt es Leitungen zum Abziehen von sauerstoffangereicherten Strömen unterschiedlicher Reinheit aus der Niederdrucksäule,
- – ist die Leitung zum Abziehen des ersten argonangereicherten Stroms mit einem Zwischenniveau der Niederdrucksäule verbunden,
- – gibt es eine Einrichtung zum zumindest teilweisen Verdampfen oder Unterkühlen der zweiten stickstoffangereicherten Flüssigkeit vor der Zufuhr zur Niederdrucksäule,
- – gibt es eine Einrichtung zum zumindest teilweisen Verdampfen oder Unterkühlen der zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit vor der Zufuhr zur Niederdrucksäule,
- – weist die Mitteldrucksäule einen Sumpfverdampfer auf,
- – gibt es eine Einrichtung zum Zuführen eines stickstoffangereicherten Gases von der Hochdrucksäule zum Sumpfverdampfer der Mitteldrucksäule,
- – weist die Mitteldrucksäule einen Kopfkondensator auf,
- – gibt es eine Einrichtung zum Zuführen mindestens eines Teils des zweiten sauerstoffangereicherten Fluids zum Kopfkondensator der Mitteldrucksäule,
- – gibt es eine Einrichtung zum Zuführen von Luft zur Mitteldrucksäule,
- – gibt es eine Einrichtung zum Entspannen des ersten argonangereicherten Stroms, der von der Niederdrucksäule der Argonsäule zugeführt wird, bei der es sich vorzugsweise um ein Ventil handelt.
- Die neue Erfindung widmet sich diesem Aspekt durch Hinzufügung einer bei relativ niedrigerem Druck betriebenen Argonsäule zu dem bei erhöhtem Druck arbeitenden Tripelsäulenverfahren zwecks Durchführung einer effizienten Trennung von Argon und Sauerstoff, die für die Produktion von hochreinem Sauerstoff und/oder von Argon notwendig ist.
- In einer Ausführungsform (
1 ) kann das Verfahren folgendermaßen beschrieben werden:
Von Verunreinigungen, wie Feuchtigkeit und CO2, freie Luft wird einer Hochdrucksäule zugeführt, in der sie in einen am Kopf anfallenden stickstoffangereicherten Strom und einen im Sumpf anfallenden sauerstoffangereicherten Strom zerlegt wird. - Mindestens ein Teil des sauerstoffreichen Stroms wird einer Seitensäule zugeführt, wodurch man am Kopf einen zweiten stickstoffangereicherten Strom und im Sumpf einen zweiten sauerstoffangereicherten Strom erhält. Diese Seitensäule weist vorzugsweise einen Verdampfer auf, der mit dem stickstoffangereicherten Gas an oder nahe bei Wärme austauscht.
- Ein Teil des zweiten stickstoffreichen Stroms wird als flüssiger Rücklauf gewonnen und der Niederdrucksäule zugeführt.
- Mindestens ein Teil des zweiten sauerstoffreichen Stroms wird im Kopfkondensator der Seitensäule mindestens teilweise verdampft, und dieser verdampfte Strom und der nicht verdampfte Anteil werden der Niederdrucksäule zugeführt.
- Die Niederdrucksäule zerlegt ihre Zulauf ströme in einen im Sumpf anfallenden dritten sauerstoffreichen Strom und einen am Kopf anfallenden dritten stickstoffreichen Strom. Der Sumpf der Niederdrucksäule tauscht mit dem Kopf der Hochdrucksäule Wärme aus.
- Mindestens ein Teil des dritten sauerstoffreichen Stroms wird als Sauerstoffprodukt gewonnen.
- Oberhalb des dritten sauerstoffreichen Stroms wird ein Sauerstoff-Argon-Strom abgezogen. Dieser Sauerstoff-Argon-Strom wird der Argonsäule zugeführt. Am Kopf der Argonsäule wird ein Argonstrom gewonnen und im Sumpf der Argonsäule wird ein vierter sauerstoffreicher Strom gewonnen.
- Die
1 –5 zeigen Fließbilder für verschiedene erfindungsgemäße Luftzerlegungsverfahren, die alle zur Produktion von Sauerstoff mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 98% und vorzugsweise mehr als 99% verwendet werden können. - In der Ausführungsform gemäß
1 wird weitgehend von Feuchtigkeit und CO2 freie Einsatzluft1 in drei Ströme3 ,17 ,50 aufgeteilt, die jeweils im Hauptwärmetauscher100 abgekühlt werden. Der Luftstrom3 wird vor dem Abkühlen in einem Booster5 verdichtet, durchläuft den Wärmetauscher100 , wird in einem Ventil entspannt und in flüssiger Form der Hochdrucksäule101 zugeführt. Der Strom17 wird im Wärmetauscher100 abgekühlt und in gasförmiger Form der Hochdrucksäule101 zugeführt. Der Strom50 wird in einem Booster6 verdichtet, im Wärmetauscher100 teilweise abgekühlt und dann in einer Turbine7 entspannt und der Niederdrucksäule103 zugeführt. Selbstverständlich könnte man auch alter nativ oder zusätzlich durch eine Claude-Turbine, die der Hochdrucksäule Luft zuführt, oder eine Turbine, die Gas aus einer oder mehreren der Säule101 ,102 ,103 entspannt, Kälte bereitstellen. Der aus der Säule101 abgezogene erste sauerstoffangereicherte Strom10 wird im Unterkühler83 unterkühlt, entspannt und einem Zwischenniveau der Mitteldrucksäule102 zugeführt, in der er in einen zweiten sauerstoffangereicherten Strom20 und einen am Kopf anfallenden zweiten stickstoffangereicherten Strom zerlegt wird. Ein Teil des zweiten stickstoffangereicherten Stroms wird als flüssiger Rücklauf25 abgezogen und dem Kopf der Niederdrucksäule zugeführt. Alternativ dazu kann dieser Strom ganz oder teilweise dem Kopfkondensator27 der Argonsäule104 zugeführt werden, wie durch die gestrichelte Linie25A angedeutet ist. - Ein Teil
9 eines ersten stickstoffangereicherten Gases aus der Hochdrucksäule101 wird dem Sumpfverdampfer11 der Mitteldrucksäule102 zugeführt, kondensiert und als Rücklauf wieder der Hochdrucksäule zugeführt. Es kommen auch andere Anwärmfluide in Betracht, wie z. B. Gas von einer tieferen Stelle der Hochdrucksäule. - Ein Teil des ersten stickstoffangereicherten Gases aus der Hochdrucksäule
101 wird zum Anwärmen des Sumpfverdampfers8 der Niederdrucksäule verwendet. - Ein Teil des zweiten sauerstoffangereicherten Stroms
20 wird nach Entspannung der Niederdrucksäule zugeführt, und der Rest wird dem Kopfkondenstor13 der Mitteldrucksäule102 zugeführt, in der er mindestens teilweise verdampft und der Niederdrucksäule103 einige Böden unter dem anderen Teil von Strom20 zugeführt wird. - Unterhalb von Strom
9 oder auf der Höhe von Strom9 wird ein stickstoffangereicherter Strom15 abgezogen, entspannt und der Niederdrucksäule zugeführt. In diesem Fall wird der Mitteldrucksäule keine stickstoffangereicherte Flüssigkeit aus der Hochdrucksäule zugeführt. - Die Niederdrucksäule
103 zerlegt ihre Zulaufströme in einen im Sumpf anfallenden dritten sauerstoffangereicherten Strom31 mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 95% und einen am Kopf anfallenden dritten stickstoffreichen Strom. Der flüssige Strom31 wird in Pumpe19 gepumpt und dem Wärmetauscher100 zugeführt, in dem er unter Bildung von gasförmigem Sauerstoffprodukt verdampft. - Der flüssige Sauerstoff kann natürlich in einem getrennten Produktverdampfer durch Wärmeaustausch mit Luft oder Stickstoff allein verdampft werden.
- Möglich ist auch die Produktion von unter Druck stehendem Flüssigstickstoff, indem man aus einer der Säulen flüssigen Stickstoff abzieht, pumpt und im Wärmetauscher
100 oder irgendwo anders verdampft. - Die Mitteldrucksäule wird bei einem Druck betrieben, der unter dem Druck in der Hochdrucksäule, aber über dem Druck in der Niederdrucksäule liegt.
- Ein erster argonangereicherter flüssiger Strom
33 mit einem Argongehalt zwischen 3 und 20 Mol-% wird oberhalb des Sumpfstroms31 abgezogen. Der hauptsächlich Sauerstoff und Argon enthaltende Strom33 wird in einem Ventil entspannt, so geflasht, daß er höchstens 2% Gas enthält, und in größtenteils flüssiger Form einem Zwischenniveau der Argonsäule104 zugeführt, in der er in einen am Kopf anfallenden Argonstrom80 und einen im Sumpf anfallenden vierten sauerstoffangereicherten Strom36 zerlegt wird. Der einzige Zulaufstrom zur Argonsäule ist somit flüssig. - Der flüssige Strom
26 wird auf den Druck von Strom31 gepumpt und damit vermischt. In dieser Ausführungsform arbeitet die Argonsäule bei niedrigerem Druck als die Niederdrucksäule und wird durch den stickstoffreichen Strom70 mit einem Stickstoffgehalt von mindestens 95 Mol-% und vorzugsweise mindestens 98 Mol-% verdampft, der vom Kopf der Niederdrucksäule dem Sumpfverdampfer23 zugeführt und dann zum Kopf der Niederdrucksäule103 zurückgeführt wird. - In diesem Fall ist das Argon roh, jedoch könnte man notwendigenfalls durch Verwendung zusätzlicher Böden in der Argonsäule hochreines Argon (99,9999%) produzieren.
- Der Kopfkondensator
27 der Argonsäule wird durch Entspannen von stickstoffangereicherter Flüssigkeit 81 vom Kopf der Niederdrucksäule103 mit einem Stickstoffgehalt von mindestens 95% und vorzugsweise mindestens 98 Mol-% gekühlt. Diese Flüssigkeit kann durch den Strom25A mit einem Stickstoffgehalt von mindestens 90 Mol-% aus der Hochdrucksäule ergänzt werden und/oder durch einen Strom mit einem Stickstoffgehalt von mindestens 90 Mol.-% aus der Mitteldrucksäule102 ergänzt oder ersetzt werden. Die verdampfte Flüssigkeit wird im Unterkühler83 und dann im Wärmetauscher100 unter Bildung von Niederdruckstickstoff85 angewärmt. Bei einer anderen alternativen Technik wird das stickstoffangereicherte Gas vom Kopf der Niederdrucksäule dem Sumpfverdampfer der Argonsäule zugeführt, in dem es unter Bildung von stickstoffangereicherter Flüssigkeit kondensiert. Mindestens ein Teil dieser stickstoffangereicherten Flüssigkeit kann dem Kondensator der Argonsäule zugeführt werden, in dem er durch Wärmeaustausch mit dem Kopfgas der Argonsäule verdampft wird, um die notwendige Rücklaufwirkung bereitzustellen. - Stickstoffangreichertes Gas vom Kopf der Niederdrucksäule wird ebenfalls in den Wärmetauschern
83 ,100 unter Bildung von Mitteldruckstickstoff72 angewärmt. - Hochdruckstickstoff
93 wird aus der Hochdrucksäule abgezogen und dem Wärmetauscher100 zugeführt. - Zusätzlich oder alternativ dazu kann man aus einer der Säulen flüssigen Stickstoff abziehen, pumpen und im Wärmetauscher
100 verdampfen. Füssiges Argon kann aus der Argonsäule104 abgezogen werden. - Man kann auch Flüssigkeiten als Endprodukte produzieren.
- Beispiel
-
- Die Ausführungsform gemäß
2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß1 dadurch, daß das Aufkochen der Argonsäule104 durch Weiterverdickten eines Teils des Stroms85 (oder des Stickstoffprodukts aus der Niederdrucksäule) im Verdichter81 bei Umgebungstemperatur, Abkühlen des verdichteten Stroms im Wärmetauscher100 und Kondensieren dieses Rückführungsstroms am Sumpfverdampfer23 der Argonsäule erreicht wird. Der Strom85 enthält mindestens 90% Stickstoff. Der kondensierte Stickstoff wird dem Kopf der Niederdrucksäule103 zugeführt. Diese Situation gilt dann, wenn der Druck der Einsatzluft niedrig ist, was zu geringerem Druck in der Niederdrucksäule führt, so daß es nicht mehr möglich ist, die Argonsäule mit dem stickstoffreichen Gas am Kopf der Niederdrucksäule aufzukochen. - Die Ausführungsform gemäß
3 unterscheidet sich von derjenigen gemäß2 dadurch, daß man den vierten sauerstoffreichen Strom36 nicht als Produkt gewinnt, sondern pumpt und zur weiteren Destillation auf der gleichen Höhe wie der Abzugspunkt von Strom33 in die Niederdrucksäule zurückführt. Der erste argonangereicherte Strom33 wird dem Sumpf der Argonsäule104 zugeführt. - In der Ausführungsform gemäß
4 wird zurückgeführter Stickstoff zum Aufkochen der Argonsäule104 verwendet. Der vierte sauerstoffangereicherte Strom36 wird gepumpt und im Wärmetauscher verdampft, ohne ihn mit einem anderen Strom zu vermischen. Statt das hochreine Sauerstoffprodukt aus der Niederdrucksäule zu produzieren, wird der Sauerstoff-Argon-Strom41 aus dem Sumpf den Niederdrucksäule abgezogen und einem Zwischenniveau der Argonsäule zugeführt, in der er in den im Sumpf anfallenden hochreinen Sauerstoff36 und den am Kopf anfallenden Argonstrom80 zerlegt wird. - Statt den gesamten Sauerstoff in hoher Reinheit zu produzieren, kann man sich auch ein Schema vorstellen, in dem nur der Teil
31 in hoher Reinheit (d. h. mehr als 98% Sauerstoff) bereitgestellt wird und ein anderer Teil in geringerer Reinheit (beispielsweise 95% Sauerstoff oder weniger) produziert wird. In dieser Situation (siehe1 ) kann der Strom von Sauerstoff geringer Reinheit direkt aus Strom33 oder in der Nähe des Bodens, an dem der Strom33 abgezogen wird, aus der Niederdrucksäule abgezogen werden. Diese Konfiguration ermöglicht eine Optimierung des Energieverbrauchs in Abhängigkeit von der produzierten Reinstickstoffmenge. - Wenn kein Argon benötigt wird, kann man die Zahl der theoretischen Böden der Argonsäule über dem Zufuhrpunkt des Stroms
33 verringern. In dieser Situation enthält der Argonstrom noch beträchtliche Sauerstoffkonzentrationen (beispielsweise 50% Argon und 50% Sauerstoff) und kann verworfen, zum Abkühlen der Einsatzluft verwendet oder zur Niederdrucksäule zurückgeführt werden. - Die Bodenzahl in der Niederdrucksäule kann so bemessen sein, daß ein Sauerstoff-Argon-Einsatzstrom für die Argonsäule mit einem Stickstoffgehalt von weniger als 3 ppm und vorzugsweise weniger als 1 ppm bereitgestellt wird. Das Argonprodukt wird daher keinen Stickstoff enthalten (ppm-Bereich), so daß keine weitere Säule zur Abtrennung von Stickstoff benötigt wird. Bei Einbau einer ausreichenden Bodenzahl in der Argonsäule kann der Argonstrom bis auf einen Sauerstoffgehalt im ppm-Bereich destilliert werden, so daß das Argon-Endprodukt direkt aus der Argonsäule produziert werden kann. Diese Säule kann aus einem oder mehreren Teilstücken mit dazwischen angeordneten Flüssigkeitstransportpumpen bestehen.
- In den Figuren bilden die Hochdrucksäule, die Niederdrucksäule und die Argonsäule eine einteilige Konstruktion mit der Mitteldrucksäule als Seitensäule. Die Säulen können selbstverständlich auch anders angeordnet werden; so könnte man beispielsweise die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule nebeneinander anordnen, die Mitteldrucksäule könnte mit der Hochdrucksäule und/oder Niederdrucksäule eine einteilige Konstruktion bilden usw. Ebenso könnte man die Argonsäule neben der Niederdrucksäule anordnen, wobei kondensierende stickstoffangereicherte Flüssigkeit aus dem Sumpfverdampfer der Argonsäule beispielsweise mit Pumpen in die Niederdrucksäule zurückgeführt wird.
- Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß man den dritten und vierten sauerstoffangereichterten Strom als Sauerstoffprodukte abziehen kann. Für LOX-gepumpte Zyklen (bei denen der flüssige Sauerstoff auf hohen Druck gepumpt und dann durch indirekten Wärmeaustausch mit Hochdruckluft oder -Stickstoff verdampft wird, wobei sich unter hohem Druck stehendes gasförmiges Sauerstoffprodukt bildet) kann man die Bereitstellung von zwei verschiedenen Sätzen von LOX-Pumpen für zwei Produktströme vermeiden, indem man den dritten flüssigen sauerstoffangereicherten Strom zum Vermischen mit dem vierten sauerstoffangereicherten Material in den Sumpf der Argonsäule entspannt und den kombinierten Flüssigsauerstoffstrom dann mit einem einzigen Pumpensatz auf höheren Druck pumpt. Die Pumpenergie ist etwas höher, aber die Pumpenanordnung ist einfacher und billiger.
- Somit wird, wie in
5 gezeigt, der dritte sauerstoffangereicherte Strom dem Sumpf der Argonsäule im Bereich des Verdampfers zugeführt. Dann wird er mit dem Rest der Sumpfflüssigkeit abgezogen, auf einen Verdampfungsdruck gepumpt und im Wärmetauscher verdampft. - Wenn jedoch der dritte Sauerstoffstrom und der vierte Sauerstoffstrom verschieden rein sind oder bei verschiedenen Drücken benötigt werden, können die Ströme abgezogen und separat verdampft werden.
- Der dritte Sauerstoffstrom und der vierte Sauerstoffstrom können in gasförmiger oder flüssiger Form abgezogen werden.
- Das Verfahren kann zur Produktion von Sauerstoff, Stickstoff oder Argon in flüssiger Form verwendet werden, sofern ausreichend Kälte zur Verfügung steht.
- Der Kopfkondensator der Argonsäule wird mit stickstoffreicher Flüssigkeit, die am Kopf der Zwischendrucksäule oder der Niederdrucksäule abgezogen wird, gekühlt. Möglich ist auch eine Kombination von stickstoffreichen Flüssigkeiten aus den obigen Säulen. Die stickstoffreichen Flüssigkeiten werden in der Regel am Kopf der Säulen abgezogen, können aber auch an einer Bodenstelle in der Nähe des Kopfs der Säulen entnommen werden. So kann man die Flüssigkeit alternativ bis zu zwanzig theoretische Böden unter dem höchsten Punkt einer dieser Säulen entnehmen. Der Sumpfverdampfer der Argonsäule wird durch kondensierendes stickstoffreiches Gas angewärmt; die erhaltene kondensierte Flüssigkeit kann auch dem Kopfkondensator der Argonsäule zugeführt werden.
- Die erläuterten Varianten zeigen die Verwendung von stickstoffangereichertem Gas aus der Hochdrucksäule zum Aufkochen der Niederdrucksäule. Natürlich könnte man zum Aufkochen der Niederdrucksäule auch Luft oder ein anderes Gas aus einer der Säulen verwenden, wenn man für das Kondensieren des stickstoffangereicherten Gases gegen eine Flüssigkeit von einer weiter oben gelegenen Stelle der Niederdrucksäule einen anderen Aufkocher bereitstellt.
- Die Hochdrucksäule kann bei einem Druck zwischen 10 und 20 bar absolut arbeiten, die Mitteldrucksäule bei einem Druck zwischen 6 und 13 bar absolut, die Niederdrucksäule bei einem Druck zwischen 3 und 7 bar absolut und die Argonsäule bei einem Druck zwischen 1,1 und 2,5 bar absolut.
- Die Säulen können alle oder zum Teil eine geordnete Packung des Typs mit sich kreuzenden Rinnen oder vom Werlen/Lehmau-Typ gemäß der
EP-A-0845293 - Die Luftzerlegungseinheit kann mit Luft aus dem Verdichter einer Gasturbine gespeist werden.
Claims (43)
- Verfahren zur Zerlegung von Luft durch Tieftemperaturdestillation, bei dem man verdichtete, abgekühlte und gereinigte Luft einer Hochdrucksäule (
101 ) zuführt und darin in einen am Kopf anfallenden ersten stickstoffangereicherten Strom und einen im Sumpf anfallenden ersten sauerstoffangereicherten Strom (10 ) zerlegt, mindestens einen Teil des ersten sauerstoffangereicherten Stroms einer Mitteldrucksäule (102 ) zuführt, wodurch man am Kopf einen zweiten stickstoffangereicherten Strom (25 ) und im Sumpf einen zweiten sauerstoffangereicherten Strom (20 ) erhält, mindestens einen Teil des zweiten stickstoffangereicherten Stroms einer Niederdrucksäule (103 ) und/oder einem Kopfkondensator (27 ) einer Argonsäule (104 ) zuführt und mindestens einen Teil des zweiten sauerstoffangereicherten Stroms der Niederdrucksäule zuführt, im Sumpf der Niederdrucksäule einen dritten sauerstoffangereicherten Strom (31 ) und am Kopf der Niederdrucksäule einen dritten stickstoffangereicherten Strom (72 ) abtrennt, einem Sumpfverdampfer (8 ) der Niederdrucksäule ein Anwärmgas zuführt, an einem Abzugspunkt mindestens einen Teil des dritten sauerstoffangereicherten Stroms abzieht, aus der Niederdrucksäule einen ersten argonangereicherten Strom (33 ,41 ) mit einem Argongehalt zwischen 3 und 20 Mol-% abzieht, den ersten argonangereicherten Strom der einen Kopfkondensator aufweisenden Argonsäule zuführt, am Kopf der Argonsäule einen zweiten argonangereicherten Strom (80 ) mit einem höheren Argongehalt als der erste argonangereicherte Strom abzieht und aus dem Sumpf der Argonsäule einen vierten sauerstoffangereicherten Strom (36 ) abzieht, dadurch gekennzeichnet, daß man am Kopf der Niederdrucksäule (103 ) und/oder am Kopf der Zwischendrucksäule (102 ) stickstoffangereicherte Flüssigkeit (25A ,81 ) abzieht und die stickstoffangereicherte Flüssigkeit (25A ,88 ) dem Kopfkondensator der Argonsäule zuführt. - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Argonsäule einen durch einen Gasstrom (
70 ) angewärmten Sumpfverdampfer (23 ) aufweist. - Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Gasstrom (
70 ) mindestens 90 Mol-% Stickstoff enthält. - Verfahren nach Anspruch 3, bei dem es sich bei dem den Sumpfverdampfer der Argonsäule anwärmenden Gasstrom um mindestens einen Teil des ersten, zweiten oder dritten stickstoffangereicherten Stroms (
93 ,25 ,70 ) handelt. - Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem man mindestens einen Teil des stickstoffangereicherten Gases (
93 ,25 ,70 ) verdichtet und dem Sumpfverdampfer der Argonsäule als Anwärmgas zuführt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man den vierten sauerstoffangereicherten Strom (
36 ) gegebenenfalls nach einem Verdichtungsschritt der Niederdrucksäule (103 ) zuführt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man den ersten argonangereicherten Strom (
33 ,41 ) aus der Niederdrucksäule (103) in flüssiger Form abzieht. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dem Kopfkondensator (
27 ) der Argonsäule zugeführte stickstoffangereicherte Flüssigkeit (25A ,81 ) mindestens 90 Mol-% Stickstoff enthält. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man den ersten argonangereicherten Strom (
41 ) aus dem Sumpf der Niederdrucksäule abzieht. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man den dritten sauerstoffangereicherten Strom (
31 ) und/oder den zweiten argonangereicherten Strom (80 ) als Produkte abzieht. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der dritte sauerstoffangereicherte Strom mindestens 95 Mol-% Sauerstoff enthält und/oder der zweite argonangereicherte Strom mindestens 95 Mol-% Argon enthält.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man dem ersten argonangereicherten Strom (
33 ) mindestens 5 theoretische Böden über dem Sumpf der Niederdrucksäule abzieht und den vierten sauerstoffangereicherten Strom (36 ) als Produkt abzieht. - Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der vierte sauerstoffangereicherte Strom (
36 ) mindestens 95 Mol-% Sauerstoff enthält. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man als Anwärmgas für den Sumpfverdampfer (
8 ) der Niederdrucksäule (103 ) stickstoffangereichertes Gas aus der Hochdrucksäule oder Luft verwendet. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man aus der Niederdrucksäule (
103 ) sauerstoffangereicherte Ströme unterschiedlicher Reinheit abzieht. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man die Niederdrucksäule (
103 ) bei einem Druck von mehr als 2 bar absolut betreibt. - Verfahren nach Anspruch 16, bei dem man die Niederdrucksäule (
103 ) bei einem Druck von mehr als 4 bar absolut betreibt. - Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem man die Argonsäule (
104 ) bei einem niedrigeren Druck als die Niederdrucksäule (103 ) betreibt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mitteldrucksäule (
102 ) einen Sumpfverdampfer (11 ) aufweist. - Verfahren nach Anspruch 19, bei dem man dem Sumpfverdampfer (
11 ) der Mitteldrucksäule (102 ) ein stickstoffangereichertes Gas aus der Hochdrucksäule (101 ) zuführt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man mindestens einen Teil des zweiten stickstoffangereicherten Fluids (
25 ) vor der Zufuhr zur Niederdrucksäule (103 ) verdampft oder unterkühlt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man mindestens einen Teil des zweiten sauerstoffangereicherten Fluids (
20 ) vor der Zufuhr zur Niederdrucksäule (103 ) verdampft oder unterkühlt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mitteldrucksäule (
102 ) einen Kopfkondensator (13 ) aufweist und man dem Kopfkondensator mindestens einen Teil des zweiten sauerstoffangereicherten Fluids (20 ) zuführt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man der Mitteldrucksäule (
102 ) Luft zuführt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man mindestens einen Teil des im Sumpfverdampfer (
23 ) der Argonsäule (104 ) kondensierten stickstoffangereicherten Stroms vom Sumpfverdampfer der Argonsäule (104 ) dem Kopfkondensator (27 ) der Argonsäule zuführt. - Vorrichtung zur Zerlegung von Luft durch Tieftemperaturdestillation, enthaltend eine Hochdrucksäule (
101 ), eine Mitteldrucksäule (102 ), eine Niederdrucksäule (103 ) mit einem Sumpfverdampfer (8 ) und eine Argonsäule mit einem Kopfkondensator (27 ), eine Leitung (3 ) zum Zuführen von Luft zur Hochdrucksäule, eine Leitung (10 ) zum Zuführen von mindestens einem Teil einer ersten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit von der Hochdrucksäule zur Mitteldrucksäule, eine Leitung (20 ) zum Zuführen eines zweiten sauerstoffangereicherten Fluids vom Sumpf der Mitteldrucksäule zur Niederdrucksäule, eine Leitung (25 ) zum Zuführen eines zweiten stickstoffangereicherten Fluids vom Kopf der Mitteldrucksäule zur Niederdrucksäule und/oder dem Kopfkondensator der Argonsäule, eine Leitung zum Zuführen eines Anwärmgases zum Sumpfverdampfer der Niederdrucksäule, eine Leitung zum Abziehen eines dritten sauerstoffangereicherten Fluids (31 ) aus der Niederdrucksäule, eine Leitung (9 ) zum Zuführen einer stickstoffangereicherten Flüssigkeit von der Hochdrucksäule zur Niederdrucksäule, eine Leitung (33 ,41 ) zum Zuführen eines ersten argonangereicherten Stroms von der Niederdrucksäule zur Argonsäule, eine Leitung (25A ,81 ) zum Zuführen einer Flüssigkeit zum Kopfkondensator der Argonsäule, eine Leitung (80 ) zum Abziehen eines zweiten argonangereicherten Stroms aus der Argonsäule und eine Leitung (36 ) zum Abziehen eines vierten sauerstoffangereicherten Stroms aus der Argonsäule, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (25A ,81 ) zum Abziehen der dem Kopfkondensator der Argonsäule zuzuführenden Flüssigkeit am Kopf der Niederdrucksäule und/oder am Kopf der Mitteldrucksäule enthält, wobei die Flüssigkeit stickstoffangereichert ist. - Vorrichtung nach Anspruch 26, worin die Argonsäule einen Sumpfverdampfer (
23 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 27 mit einer Leitung (
70 ) zum Zuführen eines dritten stickstoffangereicherten Stroms von der Niederdrucksäule zum Sumpfverdampfer der Argonsäule. - Vorrichtung nach Anspruch 28 mit einem Verdichter (
81 ) zum Verdichten des dritten stickstoff angereicherten Stroms vor der Zufuhr zum Sumpfverdampfer (23 ) der Argonsäule. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 29, worin die Leitung (
41 ) zum Abziehen des ersten argonangereicherten Stroms mit dem Sumpf der Niederdrucksäule verbunden ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 30 mit einer Leitung (
33 ) zum Zuführen des vierten sauerstoffangereicherten Stroms zu einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule (103 ). - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 31 mit einer Einrichtung (
19 ) zum Druckbeaufschlagen mindestens einer aus der Argonsäule und/oder der Niederdrucksäule abgezogenen sauerstoffangereicherten Flüssigkeit (31 ,36 ). - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 32 mit Leitungen zum Abziehen von sauerstoffangereicherten Strömen unterschiedlicher Reinheit aus der Niederdrucksäule.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 33, worin die Leitung (
33 ) zum Abziehen des ersten argonangereicherten Stroms mit einem Zwischenniveau der Niederdrucksäule verbunden ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 34 mit einer Einrichtung (
83 ) zum zumindest teilweisen Verdampfen oder Unterkühlen der zweiten stickstoffangereicherten Flüssigkeit vor der Zufuhr zur Niederdrucksäule (103 ). - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 35 mit einer Einrichtung zum zumindest teilweisen Verdampfen oder Unterkühlen der zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit vor der Zufuhr zur Niederdrucksäule.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 36, worin die Mitteldrucksäule (
102 ) einen Sumpfverdampfer (11 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 37 mit einer Einrichtung zum Zuführen eines stickstoffangereicherten Gases von der Hochdrucksäule (
101 ) zum Sumpfverdampfer (11 ) der Mitteldrucksäule (102 ). - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 38, worin die Mitteldrucksäule einen Kopfkondensator (
13 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 39 mit einer Einrichtung (
20 ) zum Zuführen mindestens eines Teils des zweiten sauerstoffangereicherten Fluids zum Kopfkondensator (13 ) der Mitteldrucksäule. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 40 mit einer Einrichtung zum Zuführen von Luft zur Mitteldrucksäule.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 41 mit einer Einrichtung zum Entspannen des ersten argonangereicherten Stroms (
33 ), der von der Niederdrucksäule (103 ) der Argonsäule (104 ) zugeführt wird. - Vorrichtung nach Anspruch 42, worin es sich bei der Entspannungseinrichtung um ein Ventil handelt.
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