DE60015849T2 - Tieftemperaturdestilationsanlage zur Luftzerlegung - Google Patents

Tieftemperaturdestilationsanlage zur Luftzerlegung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Zerlegung von Luft durch Tieftemperaturdestillation. Über die Jahre wurden der Verbesserung dieser Herstellungstechnik zahlreiche Anstrengungen gewidmet, um die Sauerstoffkosten zu verringern, die hauptsächlich aus dem Energieverbrauch und den Gerätekosten bestehen.
  • Es ist bekannt gewesen, dass eine Druckdestillationsanlage vorteilhaft für die Kostenreduzierung ist, und wenn der unter Druck stehende Stickstoff benutzt werden kann, ist auch der Energieverbrauch der Anlage sehr wettbewerbsfähig. Es ist nützlich zu bemerken, dass eine Druckanlage durch die Tatsache gekennzeichnet ist, dass der absolute Druck der Säule mit niedrigerem Druck über 2 bar liegt. Das herkömmliche oder Niederdruckverfahren weist eine Säule mit niedrigerem Druck auf, die geringfügig über atmosphärischem Druck arbeitet.
  • Je höher der Druck der Säule mit niedrigerem Druck, desto höher ist der Luftdruck, der der Hochdrucksäule zuführt, und desto kompakter sind die Geräte sowohl für die warmen als auch für die kalten Bereiche der Anlage, was zu deutlicher Kostenreduzierung führt. Je höher jedoch der Druck, desto schwieriger ist das Destillationsverfahren, weil die Flüchtigkeiten der in der Luft vorhandenen Komponenten (Sauerstoff, Argon, Stickstoff usw.) sich einander annähern, so dass es energieintensiver wird, die Zerlegung durch Destillation durchzuführen. Deswegen ist das Druckverfahren gut geeignet für die Herstellung von Sauerstoff geringerer Reinheit (Reinheit < 98 %), wobei die Zerlegung zwischen den einfacheren Schlüsselkomponenten Sauerstoff-Stickstoff durchgeführt wird, anstatt zwischen den viel schwierigeren Schlüsselkomponenten Argon-Stickstoff. Die Flüchtigkeit von Argon und Sauerstoff ist derart ähnlich, dass es selbst bei atmosphärischem Druck eine hohe Anzahl an Destillationsstufen und hohe Rückverdampfungs- und Rückflussraten erfordern würde, um solch eine Zerlegung durchzuführen. Das Druckverfahren in der derzeitigen Konfiguration der heutigen Verfahrenszyklen des Standes der Technik ist für die Herstellung hochreinen Sauerstoffs (Reinheit > 98 %) weder geeignet noch wirtschaftlich. Da die Hauptverunreinigung in Sauerstoff Argon ist, umfasst die Herstellung von Sauerstoff geringerer Reinheit keine Argonherstellung, da über 50 % des in der Zuführluft enthaltenen Argons in den Sauerstoff- und Stickstoffprodukten verloren werden.
  • Deswegen ist es vorteilhaft, ein zur Herstellung hochreinen Sauerstoffs und in bestimmten Fällen auch zur Herstellung von Argon geeignetes Druckverfahren herauszubringen.
  • Die unten beschriebene neue Erfindung benutzt das grundlegende Dreifachsäulenverfahren, das für die Herstellung von Sauerstoff geringerer Reinheit entwickelt wurde, und fügt eine Rohargonsäule hinzu, um den Sauerstoff niederer Reinheit weiter in höherreinen Sauerstoff und das Nebenprodukt Argon zu zerlegen. Durch das Hinzufügen der Rohargonsäule kann man hochreinen Sauerstoff (typischerweise in der Reinheit von 99,5 Volumen-%) herstellen, der für viele industrielle Gas-Anwendungen benötigt wird, und gleichzeitig Argon herstellen, das ein wertvolles Produkt der Luftzerlegungsanlagen ist.
  • Das Doppelsäulen-Druckverfahren wird in US-A-5224045 beschrieben.
  • Das Dreifachsäulenverfahren wird in US-A-5231837 und auch in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben: 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.
  • US-A-5245832 offenbart ein Verfahren, wobei eine Doppelsäulenanlage unter Druck in Verbindung mit einer dritten Säule benutzt wird, um Sauerstoff, Stickstoff und Argon herzustellen. Um die Destillation unter Druck durchzuführen, wird ein Stickstoff-Wärmepumpenzyklus benutzt, um der Anlage die benötigte Rückverdampfung und den Rückfluss bereitzustellen. Zusätzlich zu der Energie, die für die Zerlegung von Argon und Sauerstoff in der dritten Säule benötigt wird, muss der Wärmepumpenzyklus auch genügend Rückfluss und Rückverdampfung für die zweite Säule bereitstellen, so dass der resultierende Rückführstrom und der Energieverbrauch hoch sein werden.
  • US-A-5331818 offenbart ein Dreifachsäulenverfahren unter Druck, wobei die Säulen mit niedrigerem Druck kaskadenartig angeordnet sind und am Oberteil einen Flüssigstickstoff-Rückfluss empfangen. Die zweite Säule tauscht am Boden Wärme mit dem Oberteil der Hochdrucksäule aus. Die dritte Säule tauscht am Boden Wärme mit dem Oberteil der zweiten Säule aus. Dieses Verfahren erlaubt es, dass die Zykluseffizienz als Funktion des Verhältnisses von erzeugtem Niederdruck- zu erzeugtem Hochdruckstickstoff optimiert wird.
  • Keines der obigen Verfahren kann wirtschaftlich und wirksam angewendet werden, um hochreinen Sauerstoff oder Argon herzustellen.
  • EP-A-0694745 offenbart in 2 ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • US-A-4433989 offenbart eine Luftzerlegungseinheit, die eine Hochdrucksäule, eine Mitteldrucksäule und eine Niederdrucksäule benutzt, wobei die Bodenverdampfer der Nieder- und der Mitteldrucksäule durch Gas aus der Hochdrucksäule erhitzt werden. Gas aus der Niederdrucksäule führt einer Argonsäule zu, deren Oberteilkondensator unter Verwendung von Flüssigkeit aus dem Boden der Mitteldrucksäule gekühlt wird. In diesem Fall weist die Mitteldrucksäule keinen Oberteilkondensator auf, und der gesamte Stickstoff aus dieser Säule dehnt sich aus, um Kühlung zu erzeugen.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Ein Strom, der reich an Sauerstoff ist, enthält mindestens 70 mol.% Sauerstoff, vorzugsweise 80 mol.% Sauerstoff, noch vorzugswürdiger 90 mol.% Sauerstoff, noch vorzugswürdiger 95 mol.% Sauerstoff, noch vorzugswürdiger 99 mol.% Sauerstoff.
  • Es ist nützlich anzumerken, dass, wenn ein Strom als Zuführung zu einer Säule definiert ist, sein zuführpunkt sich irgendwo in den Massetransfer- und Wärmetransferzonen dieser Säule befinden kann, wenn nicht besonders angegeben, wo immer es direkten Kontakt zwischen diesem Strom und einem internen Fluidstrom der Säule gibt. Bodenverdampfer oder Oberteilkondensator werden deshalb als Teil der Säule angesehen. Zum Beispiel wird eine Flüssigkeitszuführung zu einem Bodenverdampfer der Säule als Zuführung zu dieser Säule angesehen.
  • Gemäß weiterer optionaler Aspekte der Erfindung:
    • – umfasst das Verfahren das Leiten mindestens eines Teils des zweiten stickstoffangereicherten Flüssigkeitsstroms zu der Niederdrucksäule, das mindestens teilweise Verdampfen eines Teils des zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeitsstroms im Oberteilkondensator der Mitteldrucksäule, das Leiten mindestens eines Teils der mindestens teilweise verdampften zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit zu der Niederdrucksäule.
    • – weist die Argonsäule einen Bodenverdampfer auf, der durch einen Gasstrom geheizt wird.
    • – enthält dieser Gasstrom mindestens 90 % Stickstoff.
    • – ist der Gasstrom, der den Bodenverdampfer der Argonsäule heizt, mindestens ein Teil entweder des ersten, zweiten oder dritten stickstoffangereicherten Stroms.
    • – umfasst das Verfahren das Komprimieren mindestens eines Teils des dritten stickstoffangereicherten Stroms und dessen Leiten als Heizgas zu dem Bodenverdampfer der Argonsäule.
    • – umfasst das Verfahren das Leiten des vierten sauerstoffangereicherten Stroms zu der Niederdrucksäule.
    • – umfasst das Verfahren das Entnehmen des ersten argonangereicherten Stroms mindestens 20 theoretische Böden unterhalb des Punktes der maximalen Argonkonzentration in der Niederdrucksäule.
    • – umfasst das Verfahren das Entnehmen des ersten argonangereicherten Stroms höchstens 30 theoretische Böden unterhalb des Punktes der maximalen Argonkonzentration in der Niederdrucksäule.
    • – umfasst das Verfahren das Entnehmen des ersten argonangereicherten Stroms am Boden der Niederdrucksäule.
    • – umfasst das Verfahren das Entnehmen des zweiten argonangereicherten Stroms als Produkt.
    • – enthält der dritte sauerstoffangereicherte Strom mindestens 95 % Sauerstoff und der zweite argonangereicherte Strom mindestens 95 % Argon.
    • – umfasst das Verfahren das Entnehmen des ersten argonangereicherten Stroms höchstens 5 theoretische Böden oberhalb des Bodens der Niederdrucksäule und das Entnehmen des vierten sauerstoffangereicherten Stroms als Produkt.
    • – enthält der vierte sauerstoffangereicherte Strom mindestens 95 % Sauerstoff.
    • – umfasst das Verfahren das Leiten stickstoffangereicherter Flüssigkeit aus dem Oberteil der Niederdrucksäule oder nahe diesem zum Oberteilkondensator der Argonsäule.
    • – ist das Heizgas für den Bodenverdampfer der Niederdrucksäule stickstoffangereichertes Gas aus der Hochdrucksäule oder Luft.
    • – werden aus der Niederdrucksäule sauerstoffangereicherte Ströme verschiedener Reinheiten entnommen.
    • – weist die Mitteldrucksäule einen Bodenverdampfer auf.
    • – umfasst das Verfahren das Leiten eines stickstoffangereicherten Gases aus der Hochdrucksäule zu dem Bodenverdampfer der Mitteldrucksäule.
    • – umfasst das Verfahren das mindestens teilweise Verdampfen oder das Unterkühlen mindestens eines Teils des zweiten sauerstoffangereicherten Fluids, bevor es zu der Niederdrucksäule geleitet wird.
    • – weist die Mitteldrucksäule einen Oberteilkondensator auf, und das Verfahren umfasst das Leiten mindestens eines Teils des zweiten sauerstoffangereicherten Fluids zu diesem Oberteilkondensator zur Verdampfung.
    • – wird Luft zu der Mitteldrucksäule geleitet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung nach Anspruch 23 bereitgestellt.
  • Gemäß weiterer Optionen:
    • – weist die Argonsäule einen Bodenverdampfer auf.
    • – gibt es eine Leitung zum Leiten eines dritten stickstoffangereicherten Stroms von der Niederdrucksäule zu dem Bodenverdampfer der Argonsäule.
    • – gibt es einen Kompressor zum Komprimieren des dritten stickstoffangereicherten Stroms, bevor er zu dem Bodenverdampfer der Argonsäule geleitet wird.
    • – gibt es eine Leitung zum Leiten einer stickstoffangereicherten Flüssigkeit vom Oberteil der Niederdrucksäule zu dem Oberteilkondensator der Argonsäule.
    • – ist die Leitung zum Entnehmen des ersten argonangereicherten Stroms an den Boden der Niederdrucksäule angeschlossen.
    • – gibt es eine Leitung zum Leiten des vierten sauerstoffangereicherten Stroms zu einem mittleren Punkt der Niederdrucksäule.
    • – gibt es Leitungen zum Entnehmen sauerstoffangereicherter Ströme verschiedener Reinheiten aus der Niederdrucksäule.
    • – ist die Leitung zum Entnehmen des ersten argonangereicherten Stroms an ein mittleres Niveau der Niederdrucksäule angeschlossen.
    • – gibt es Mittel zum zumindest teilweisen Verdampfen oder Unterkühlen der zweiten stickstoffangereicherten Flüssigkeit, bevor sie zu der Niederdrucksäule geleitet wird.
    • – gibt es mittel zum zumindest teilweisen Verdampfen oder Unterkühlen der zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit, bevor sie zu der Niederdrucksäule geleitet wird.
    • – weist die Mitteldrucksäule einen Bodenverdampfer auf.
    • – gibt es Mittel zum Leiten eines stickstoffangereicherten Gases von der Hochdrucksäule zu dem Bodenverdampfer der Mitteldrucksäule.
    • – weist die Mitteldrucksäule einen Oberteilkondensator auf.
    • – gibt es Mittel zum Leiten zumindest eines Teils des zweiten sauerstoffangereicherten Fluids zu dem Oberteilkondensator der Mitteldrucksäule.
    • – gibt es Mittel zum Leiten von Luft zu der Mitteldrucksäule.
  • Die neue Erfindung geht diesen Aspekt durch Hinzufügen einer Rohargonsäule an, die bei verhältnismäßig niedrigerem Druck betrieben wird, zu dem Druck-Dreifachsäulenverfahren, um eine wirksame Trennung von Argon und Sauerstoff durchzuführen, was für die Herstellung hochreinen Sauerstoffs und/oder die Argonherstellung eine Notwendigkeit ist.
  • In einer Ausführungsform (1) kann das Verfahren wie folgt beschrieben werden:
  • Luft, frei von Verunreinigungen wie Feuchtigkeit und CO2, wird einer Hochdrucksäule zugeführt, wo sie in einen stickstoffreichen Strom am Oberteil und einen sauerstoffreichen Strom am Boden zerlegt wird.
  • Mindestens ein Teil des sauerstoffreichen Stroms wird einer Seitensäule zugeführt, um einen zweiten stickstoffreichen Strom am Oberteil und einen zweiten sauerstoffreichen Strom am Boden zu ergeben. Diese Seitensäule weist vorzugsweise einen Verdampfer auf, der mit dem stickstoffreichen Gas am Oberteil oder in der Nähe des Oberteils der Hochdrucksäule Wärme austauscht.
  • Ein Teil des zweiten stickstoffreichen Stroms wird als flüssiger Rückfluss gewonnen und der Niederdrucksäule zugeführt.
  • Mindestens ein Teil des zweiten sauerstoffreichen Stroms im Oberteilkondensator der Seitensäule wird verdampft, und dieser verdampfte Strom und der nicht verdampfte Teil werden der Niederdrucksäule zugeführt.
  • Die Niederdrucksäule zerlegt ihre Zuführungen in einen dritten sauerstoffreichen Strom am Boden und einen dritten stickstoffreichen Strom am Oberteil. Der Boden der Niederdrucksäule tauscht mit dem Oberteil der Hochdrucksäule Wärme aus.
  • Mindestens ein Teil des dritten sauerstoffreichen Stroms wird als Sauerstoffprodukt gewonnen.
  • Ein Sauerstoff-Argon-Strom wird oberhalb des dritten sauerstoffreichen Stroms entnommen. Dieser Sauerstoff-Argon-Strom wird der Rohargonsäule zugeführt. Ein Argonstrom wird am Oberteil der Rohargonsäule und ein vierter sauerstoffreicher Strom am Boden der Rohargonsäule gewonnen.
  • Die 1 bis 4 zeigen Flussdiagramme für verschiedene erfindungsgemäße Luftzerlegungsverfahren, und 5 zeigt ein Verfahren, das angewendet werden kann, um Sauerstoff aus der Rohargonsäule herzustellen, der mindestens 98 % Sauerstoff und vorzugsweise mehr als 99 % Sauerstoff enthält.
  • In 1 wird die Zufuhrluft 1, im wesentlichen frei von Feuchtigkeit und CO2, in drei Ströme 3, 17, 50 geteilt, von denen jeder im Hauptaustauscher 100 gekühlt wird. Der Luftstrom 3 wird vor dem Kühlen in einem Druckverstärker 5 komprimiert, durchläuft den Wärmeaustauscher 100, wird in einem Ventil oder einer Flüssigkeitsturbine (nicht dargestellt) ausgedehnt und in flüssiger Form einer Hochdrucksäule 101 zugeführt. Der Strom 17 wird der Hochdrucksäule 101 in gasförmiger Form zugeführt. Der Strom 50 wird in einem Druckverstärker 6 komprimiert und teilweise im Wärmeaustauscher 100 gekühlt, bevor er in der Turbine 7 ausgedehnt und zu der Niederdrucksäule 103 geleitet wird. Natürlich könnte alternative oder zusätzliche Kühlung durch eine Claude-Turbine erhalten werden, die Luft zu der Hochdrucksäule leitet, oder eine Turbine, die Gas aus einer der Säulen 101, 102 ausdehnt. Der aus der Säule 101 entnommene erste sauerstoffangereicherte Strom 10 wird unterkühlt, ausgedehnt und zu einem mittleren Niveau der Mitteldrucksäule 102 geleitet, wobei er in einen zweiten sauerstoffangereicherten Strom 20 und einen zweiten stickstoffangereicherten Strom am Oberteil zerlegt wird. Ein Teil des zweiten stickstoffangereicherten Stroms wird als flüssiger Rückfluss 25 entnommen und zu dem Oberteil der Niederdrucksäule geleitet.
  • Ein Teil 9 eines ersten stickstoffangereicherten Gases von der Hochdrucksäule 101 wird zu dem Bodenverdampfer 11 der Mitteldrucksäule 102 geleitet, kondensiert und als Rückfluss zu der Hochdrucksäule zurückgeleitet. Man könnte sich andere Heizfluide wie Gas von niedrigeren Punkten an der Hochdrucksäule vorstellen.
  • Ein Teil des ersten stickstoffangereicherten Gases von der Hochdrucksäule 101 wird benutzt, um den Bodenverdampfer 8 der Niederdrucksäule zu erwärmen.
  • Ein Teil des zweiten sauerstoffangereicherten Stroms 20 wird nach Ausdehnung zu der Niederdrucksäule geleitet, und der Rest wird zu dem Oberteilkondensator 13 der Mitteldrucksäule 102 geleitet, wo er verdampft und zu der Niederdrucksäule 103 geleitet wird.
  • Ein stickstoffangereicherter Strom 15 wird unterhalb des Stroms 9 oder auf gleichem Niveau wie Strom 9 entnommen, ausgedehnt und zu der Niederdrucksäule geleitet. In diesem Fall wird keine stickstoffangereicherte Flüssigkeit von der Hochdrucksäule zur Mitteldrucksäule geleitet.
  • Die Niederdrucksäule 103 zerlegt ihre Zuführungen in einen dritten sauerstoffreichen Strom 31, der mindestens 95 % Sauerstoff enthält, am Boden und einen dritten stickstoffreichen Strom am Oberteil. Der Flüssigkeitsstrom 31 wird in die Pumpe 19 gepumpt und zu dem Wärmeaustauscher geleitet, wo er verdampft und gasförmiges Sauerstoffprodukt bildet.
  • Der flüssige Sauerstoff kann natürlich in einem Produktverdampfer durch Wärmeaustausch mit Luft oder nur Stickstoff verdampft werden.
  • Die Mitteldrucksäule wird bei einem Druck betrieben, der niedriger als der Druck der Hochdrucksäule, aber höher als der Druck der Niederdrucksäule ist.
  • Ein erster argonangereicherter Strom 33, der in diesem Beispiel ein flüssiger Strom ist, der zwischen 3 und 20 mol.% Argon enthält, wird oberhalb des Bodenstroms 31 entnommen. Strom 33, der Sauerstoff und Argon enthält, wird in flüssiger Form einem mittleren Niveau der Rohargonsäule 104 zugeführt, nach der Ausdehnung in einem Ventil oder einer Turbine (nicht dargestellt), wobei er in einen Rohargonstrom 80 am Oberteil und einen vierten sauerstoffangereicherten Strom 36 am Boden zerlegt wird. Somit wird die Argonsäule nur von einem Flüssigkeitsstrom mit einer kleinen gasförmigen Komponente aufgrund des Flashes im Ventil gespeist. Der Flüssigkeitsstrom 36 wird auf den Druck vom Strom 31 gepumpt und mit diesem vermischt. In dieser Ausführungsform arbeitet die Rohargonsäule bei einem niedrigeren Druck als die Niederdrucksäule und wird vom stickstoffreichen Strom 70 aus dem Oberteil der Niederdrucksäule verdampft, der mindestens 95 mol.% Stickstoff und vorzugsweise mindestens 98 mol.% Stickstoff enthält, und der zum Bodenverdampfer 23 geleitet und dann zum Oberteil der Niederdrucksäule 103 zurückgeleitet wird.
  • In diesem Fall könnten, wenn notwendig, in der Argonsäule zusätzliche Böden benutzt werden, um hochreines Argon (99,9999 %) herzustellen.
  • Der Oberteilkondensator 27 der Argonsäule wird unter Verwendung der ausgedehnten stickstoffangereicherten Flüssigkeit 81 vom Oberteil der Niederdrucksäule 103 gekühlt, die mindestens 95 mol.% Stickstoff und vorzugsweise mindestens 98 mol.% Stickstoff enthält. Die verdampfte Flüssigkeit wird im Unterkühler 83 und dann im Wärmeaustauscher 100 erwärmt, um Niederdruckstickstoff 85 zu bilden.
  • Alternativ kann stickstoffangereicherte Flüssigkeit vom Oberteil der Mitteldrucksäule oder vom Oberteil der Hochdrucksäule oder die Kombination beider stickstoffangereicherter Flüssigkeiten benutzt werden, um den Kondensator 27 zu kühlen. Eine andere alternative Technik ist es, das stickstoffangereicherte Gas vom Oberteil der Niederdrucksäule zum Bodenverdampfer der Argonsäule zu leiten, wobei es kondensiert wird, um eine stickstoffangereicherte Flüssigkeit zu bilden. Mindestens ein Teil dieser stickstoffangereicherten Flüssigkeit kann zu dem Kondensator der Argonsäule geleitet werden, wobei er durch Austauschen von Wärme mit dem Oberteilgas der Säule verdampft wird, um die erforderliche Rückflusswirkung zu erzeugen.
  • Stickstoffangereichertes Gas vom Oberteil der Niederdrucksäule wird auch in den Austauschern 83, 100 erwärmt, um Mitteldruckstickstoff 72 zu bilden.
  • Hochdruckstickstoff 93 wird aus der Hochdrucksäule entnommen und zum Wärmeaustauscher 100 geleitet.
  • Zusätzlich oder alternativ kann flüssiger Stickstoff aus einer der Säulen entnommen werden, in den Wärmeaustauscher 100 gepumpt und dort verdampft werden. Flüssiges Argon kann aus der Argonsäule 104 entnommen werden.
  • Beispiel: um das Verfahren in 1 zu veranschaulichen, wurde eine Simulation durchgeführt, um die Schlüsselströme darzustellen.
  • Figure 00140001
  • Das Verfahren in 2 unterscheidet sich von dem in 1 darin, dass die Rückverdampfung in der Rohargonsäule 104 durch weiteres Komprimieren eines Teils des Stroms 85 (oder des Stickstoffproduktes der Niederdrucksäule) im Kompressor 81 bei Umgebungstemperatur erreicht wird, wobei der komprimierte Strom im Austauscher 100 gekühlt wird, und dieser Rückführstrom am Bodenverdampfer 23 der Rohargonsäule kondensiert wird. Der Strom 85 enthält mindestens 90 % Stickstoff. Die kondensierte Flüssigkeit wird dem Oberteil der Niederdrucksäule 103 zugeführt. Diese Situation tritt auf, wenn der Zufuhrluftdruck niedrig ist, was zu niedrigerem Druck in der Niederdrucksäule führt, so dass es nicht länger möglich ist, in der Rohargonsäule mit dem stickstoffreichen Gas am Oberteil die Niederdrucksäule rückzuverdampfen.
  • Das Verfahren in 3 unterscheidet sich von dem in 2 darin, dass, anstatt den vierten sauerstoffreichen Strom 36 als Produkt zu gewinnen, dieser Strom zur weiteren Destillation zu der Niederdrucksäule gepumpt und zurückgeführt wird, auf demselben Niveau wie der Entnahmepunkt des Stroms 33. Der erste argonangereicherte Strom 33 wird zum Boden der Argonsäule 104 geleitet.
  • In dem Verfahren in 4 wird zurückgeführter Stickstoff benutzt, um die Argonsäule 104 rückzuverdampfen. Der vierte sauerstoffangereicherte Strom 36 wird in den Wärmeaustauscher gepumpt und dort verdampft, ohne mit einem anderen Strom vermischt zu werden. Anstatt das hochreine Sauerstoffprodukt aus der Niederdrucksäule herzustellen, wird der Sauerstoff-Argon-Strom 41 vom Boden der Niederdrucksäule entnommen und zu einem mittleren Niveau der Rohargonsäule geleitet, wo er zu hochreinem Sauerstoff 36 am Boden und einem Rohargonstrom 80 am Oberteil destilliert wird.
  • Anstatt den gesamten Sauerstoff in hoher Reinheit herzustellen, ist es möglich, ein Schema zu haben, in dem nur ein Teil 31 in hoher Reinheit (z.B. über 98 % Sauerstoff) bereitgestellt wird, und ein anderer Teil wird in niedrigerer Reinheit (zum Beispiel 93 % O2) hergestellt. In dieser Situation (siehe 1) kann der Sauerstoffstrom niederer Reinheit direkt aus dem Strom 33 entnommen werden oder an der Niederdrucksäule 103 in Nachbarschaft des Bodens, an dem Strom 33 entnommen wird. Diese Anordnung lässt es zu, den Energieverbrauch als Funktion der Menge des hergestellten reinen Sauerstoffs zu optimieren.
  • Wenn Argon nicht benötigt wird, kann man die Anzahl der theoretischen Böden der Rohargonsäule oberhalb des Zuführpunktes von Strom 33 verringern. In dieser Situation enthält der Rohargonstrom immer noch eine bedeutende Konzentration an Sauerstoff und kann verworfen werden, zum Kühlen der Zufuhrluft benutzt werden, oder zur Niederdrucksäule zurückgeleitet werden.
  • Die Anzahl der Böden in der Niederdrucksäule kann so eingestellt werden, dass ein Sauerstoff-Argon-Zufuhrstrom zur Rohargonsäule bereitgestellt wird, der weniger als 3 ppm, vorzugsweise weniger als 1 ppm, Stickstoff enthält. Das Rohargonprodukt wird deshalb keinen Stickstoff (ppm-Bereich) enthalten, und es wird keine andere Säule zur Stickstoffentfernung benötigt. Wenn in der Rohargonsäule eine ausreichende Anzahl von Böden eingerichtet ist, kann der Rohargonstrom bis zu einem Sauerstoffgehalt im ppm-Bereich destilliert werden, so dass das endgültige Argonprodukt direkt aus der Rohargonsäule hergestellt werden kann. Diese Rohsäule kann aus einzelnen oder Mehrfachsektionen mit Flüssigkeitstransferpumpen zwischen den Sektionen bestehen.
  • In den Figuren bilden die Hochdruck-, die Niederdruck- und die Argonsäule eine Einzelkonstruktion mit der Mitteldrucksäule als Seitensäule. Es versteht sich, dass die Säulen auch unterschiedlich angeordnet sein könnten, zum Beispiel könnten sich die Hochdruck- und die Niederdrucksäule Seite an Seite befinden, die Mitteldrucksäule könnte eine Einzelkonstruktion mit der Hoch- und/oder der Niederdrucksäule bilden usw. Außerdem kann die Rohargonsäule Seite an Seite mit der Niederdrucksäule angeordnet sein, wobei kondensierende stickstoffangereicherte Flüssigkeit vom Bodenverdampfer der Rohargonsäule zum Beispiel durch Pumpen zurück zu der Niederdrucksäule überführt wird.
  • Die veranschaulichten Versionen zeigen die Verwendung von stickstoffangereichertem Gas aus der Hochdrucksäule zum Rückverdampfen der Niederdrucksäule. Natürlich könnte Luft oder ein anderes Gas von einer der Säulen zum Rückverdampfen der Niederdrucksäule verwendet werden, wenn ein anderer Verdampfer zum Kondensieren des stickstoffangereicherten Gases gegen eine Flüssigkeit von weiter oben in der Niederdrucksäule bereitgestellt wird.
  • Die Hochdrucksäule kann zwischen 10 und 20 bar arbeiten, die Mitteldrucksäule zwischen 6 und 13 bar, die Niederdrucksäule zwischen 3 und 7 bar und die Argonsäule zwischen 1,1 und 2,5 bar.
  • Der sauerstoffreiche Strom vom Boden der Argonsäule enthält mindestens 80 % Sauerstoff, vorzugsweise 90 % Sauerstoff und insbesondere 95 % Sauerstoff.
  • Es ist aus der obigen Beschreibung zu ersehen, dass der dritte und vierte sauerstoffangereicherte Strom als Sauerstoffprodukte entnommen werden können. Für die LOX-gepumpten Zyklen (in denen der flüssige Sauerstoff auf Hochdruck gepumpt wird, dann durch indirekten Wärmeaustausch mit Hochdruckluft oder Stickstoff verdampft wird, um gasförmiges Hochdrucksauerstoff-Produkt zu ergeben) kann man vermeiden, zwei verschiedene Sätze LOX-Pumpen für zwei Produktströme zu haben, indem man den dritten sauerstoffangereicherten Strom in den Sumpf der Argonsäule ausdehnt, damit er sich mit dem vierten sauerstoffangereicherten Material vermischt, und der zusammengesetzte flüssige Sauerstoffstrom wird dann von einem einzelnen Pumpensatz auf höheren Druck gepumpt. Die Pumpenergie ist etwas höher, aber die Pumpenanordnung ist einfacher und weniger kostspielig.
  • Daher wird, wie in 5 dargestellt, der dritte sauerstoffangereicherte Strom zum Boden der Argonsäule im Bereich des Verdampfers geleitet. Er wird dann mit dem Rest der Bodenflüssigkeit entnommen, auf einen Verdampfungsdruck gepumpt und im Austauscher verdampft.
  • Der dritte und vierte sauerstoffangereicherte Strom können in gasförmiger oder flüssiger Form entnommen werden.
  • Das Verfahren kann benutzt werden, um Sauerstoff, Stickstoff oder Argon in flüssiger Form herzustellen, wenn ausreichende Kühlung erreichbar ist.
  • Alle oder einige der Säulen können eine strukturierte Packung des kreuzgewellten Typs oder des Werlen/Lehman-Typs, beschrieben in EP-A-0 845 293, enthalten.
  • Die Luft kann vom Kompressor einer Gasturbine oder dem Gebläse eines Hochofens zu der Luftzerlegungseinheit geleitet werden, möglicherweise nach einem weiteren Kompressionsschritt.

Claims (36)

  1. Verfahren zum Zerlegen von Luft durch Tieftemperaturdestillation mit folgenden Schritten: Zuführen von komprimierter, gekühlter und gereinigter Luft zu einer Hochdrucksäule (101), wo sie in einer ersten stickstoffangereicherten Strom am Oberteil und einen ersten sauerstoffangereicherten Strom am Boden zerlegt wird, Zuführen zumindest eines Teils des ersten sauerstoffangereicherten Stroms zu einer Mitteldrucksäule (102), um einen zweiten stickstoffangereicherten Strom am Oberteil und einen zweiten sauerstoffangereicherten Strom am Boden zu erzielen, Leiten zumindest eines Teils des zweiten stickstoffangereicherten Stroms zu einer Niederdrucksäule (103) und/oder zu einem Oberteilkondensator (27) einer Argonsäule (104), Leiten zumindest eines Teils des zweiten sauerstoffangereicherten Stroms zu der Niederdrucksäule, Zerlegen der Ströme zu der Niederdrucksäule in einen dritten sauerstoffangereicherten Strom am Boden und einen dritten stickstoffangereicherten Strom am Oberteil der Niederdrucksäule, Leiten eines Heizgases zu einem Bodenverdampfer (8) der Niederdrucksäule, Entnehmen zumindest eines Teils des dritten stickstoffangereicherten Stroms (31) an einem Entnahmepunkt, Entnehmen eines ersten argonangereicherten Stroms, der zwischen 3 und 20 Mol% Argon enthält aus der Niederdrucksäule, Leiten des ersten argonangereicherten Stroms (33, 41) zu der Argonsäule, die bei einem Druck von zumindest 0,5 Bar unter dem der Niederdrucksäule arbeitet und die einen Oberteilkondensator aufweist, Gewinnen eines zweiten argonangereicherten Stroms (80), der reicher an Argon ist, als der erste argonangereicherte Strom, am Oberteil der Argonsäule und Entnehmen zumindest eines Teils des vierten sauerstoffangereicherten Stroms (36) am Boden der Argonssäule als sauerstoffreicher Produktstrom, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten und vierten sauerstoffangereicherten Fluide (31, 36) im Wesentlichen die gleiche Reinheit aufweisen und die dritte sauerstoffangereicherte Flüssigkeit (33) zum Boden der Argonssäule geleitet wird und das dritte und vierte sauerstoffangereicherte Fluid gemischt und zusammen auf einen Verdampfungsdruck gepumpt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem Leiten zumindest eines Teils des zweiten stickstoffangereicherten Flüssigkeitsstroms (25) zu der Niederdrucksäule (103), dem zumindest teilweisen Verdampfen eines Teils des zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeitsstroms (20) in einem Oberteilkondensator (13) der Mitteldrucksäule (102), dem Leiten zumindest eines Teils des zumindest teilweise verdampften zweiten sauerstoffangereicherten Stroms und eines Teils der zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit zu der Niederdrucksäule (103).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Argonsäule einen durch einen Gasstrom geheizten Bodenverdampfer (23) aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Gasstrom zumindest 95% Stickstoff enthält.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der den Bodenverdampfer der Argonsäule heizende Gasstrom zumindest ein Teil des ersten, zweiten oder dritten stickstoffangereicherten Stroms ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5 mit einem Komprimieren zumindest eines Teils des dritten stickstoffangereicherten Stroms und dessen Leiten als Heizgas zu dem Bodenverdampfer (23) der Argonsäule.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Entnehmen des ersten argonangereicherten Stroms (33, 41) aus der Niederdrucksäule in flüssiger Form.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Entnehmen des ersten argonangereicherten Stroms (41) am Boden der Niederdrucksäule.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Entnehmen des zweiten argonangereicherten Stroms (80) als Produkt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der dritte sauerstoffangereicherte Strom zumindest 95 Mol% Sauerstoff und/oder der zweite argonangereicherte Strom zumindest 95% Argon enthält.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Entnehmen des ersten argonangereicherten Stroms (33, 41) höchstens 5 theoretische Lagen über dem Boden der Niederdrucksäule.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vierte sauerstoffangereicherte Strom zumindest 95 Mol% Sauerstoff enthält.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Leiten der stickstoffangereicherten Flüssigkeit (81) vom Oberteil der Niederdrucksäule zu dem Oberteilkondensator (27) der Argonsäule.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Leiten der stickstoffangereicherten Flüssigkeit (9) vom Oberteil der Hochdrucksäule zu dem Oberteilkondensator (27) der Argonsäule.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizgas für den Bodenverdampfer (8) der Niederdrucksäule (103) stickstoffangereichertes Gas aus der Hochdrucksäule oder Luft ist.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Niederdrucksäule zwischen 3 und 7 Bar arbeitet.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mitteldrucksäule (102) einen Bodenverdampfer (11) aufweist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17 mit dem Leiten eines stickstoffangereicherten Gases aus der Hochdrucksäule zu dem Bodenverdampfer (11) der Mitteldrucksäule.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem zumindest teilweisen Verdampfen oder Unterkühlen zumindest eines Teils des zweiten stickstoffangereicherten Fluids und/oder zumindest eines Teils des zweiten sauerstoffangereicherten Fluids bevor sie zu der Niederdrucksäule geleitet werden.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem leiten von Luft zu der Mitteldrucksäule (102) und/oder der Niederdrucksäule (103).
  21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Argonsäule höchstens 2% Gaszufuhr empfängt.
  22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Leiten zumindest eines Teils des kondensierten stickstoffangereicherten Stroms aus dem Bodenverdampfer (23) der Argonsäule zu dem Oberteilkondensator (27) der Argonsäule.
  23. Vorrichtung zum Zerlegen von Luft durch Tieftemperaturdestillation mit einer Hochdrucksäule (101), einer Mitteldrucksäule (102), einer Niederdrucksäule (103), die einen Bodenverdampfer (8) aufweist, und einer Argonsäule (104), die einen Oberteilkondensator (27) aufweist, einer Leitung zum Leiten von Luft zu der Hochdruckkammer, einer Leitung zum Leiten von zumindest einem Teil einer ersten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit aus der Hochdrucksäule zu der Mitteldrucksäule, einer Leitung zum Leiten eines zweiten sauerstoffangereicherten Fluids vom Boden der Mitteldrucksäule zur Niederdrucksäule, einer Leitung zum Leiten eines zweiten stickstoffangereicherten Fluids vom Oberteil der Mitteldrucksäule zur Niederdrucksäule und/oder zum Oberteilkondensator der Argonsäule, einer Leitung zum Leiten eines Heizgases zum Bodenverdampfer der Niederdrucksäule, einer Leitung zum Entnehmen eines dritten sauerstoffangereicherten Fluids aus der Niederdrucksäule, einer Leitung zum Leiten einer stickstoffangereicherten Flüssigkeit von der Hochdrucksäule zu der Niederdrucksäule, einer Leitung zum Leiten eines ersten argonanger eicherten Stroms von der Niederdrucksäule zu der Argonsäule, Mitteln zum Expandieren des ersten argonangereicherten Stroms (33, 41) stromaufwärts von der Argonsäule, einer Leitung zur Entnahme eines zweiten argonangereicherten Stroms aus der Argonsäule und einer Leitung zur Entnahme eines vierten sauerstoffangereicherten Stroms aus der Argonssäule und zum Entnehmen zumindest eines Teils des vierten sauerstoffangereicherten Stroms als Produktstrom, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Mischen der dritten und vierten sauerstoffangereicherten Flüssigkeiten und dann zu ihrem Pumpen auf einen Verdampfungsdruck umfasst, wobei die Mittel eine Leitung zum Leiten der dritten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit (33) zum Boden der Argonsäule (104) umfasst.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Argonssäule einen Bodenverdampfer (23) aufweist.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 24 mit einer Leitung zum Leiten eines dritten stickstoffangereicherten Stroms von der Niederdrucksäule zu dem Bodenverdampfer (23) der Argonssäule (104).
  26. Vorrichtung nach Anspruch 25 mit einem Kompressor (81) zum Komprimieren des dritten stickstoffangereicherten Stroms, bevor er zu dem Bodenverdampfer der Argonssäule geleitet wird.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26 mit einer Leitung zum Leiten einer stickstoffangereicherten Flüssigkeit (81) vom Oberteil der Niederdrucksäule zu dem Oberteilkondensator (27) der Argonssäule.
  28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei die Leitung zum Entnehmen des ersten argonangereicherten Stroms (41) an das Unterteil der Niederdrucksäule angeschlossen ist.
  29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 28, wobei die Leitung zum Entnehmen des ersten argonangereicherten Stroms (33) an ein mittleres Niveau der Niederdrucksäule angeschlossen ist.
  30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 29 mit Mitteln zum zumindest teilweisen Verdampfen oder Unterkühlen der zweiten stickstoffangereicherten Flüssigkeit und/oder der zweiten sauerstoffangereichten Flüssigkeit bevor sie zu der Niederdrucksäule geleitet werden.
  31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 30, wobei die zwischendrucksäule einen Bodenverdampfer (11) aufweist.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 31 mit Mitteln zum Leiten eines stickstoffangereicherten Gases von der Hochdrucksäule zu dem Bodenverdampfer (11) des Mitteldrucksäule.
  33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 32, wobei die Mitteldrucksäule einen Oberteilkondensator (13) aufweist.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 33 mit Mitteln zum Leiten zumindest eines Teils des zweiten sauerstoffangereicherten Fluids zu dem Oberteilkondensator der Mitteldrucksäule.
  35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 34 mit Mitteln zum Leiten von Luft zu der Mitteldrucksäule und/oder zu der Niederdrucksäule.
  36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 35, wobei das Expansionsmittel ein Ventil ist.
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