DE60026000T2

DE60026000T2 - Mehrkomponenten-Fluid-Destillationsverfahren zur Herstellung eines Argon-angereicherten Stroms in einem Tieftemperaturluftzerlegungsverfahren

Info

Publication number: DE60026000T2
Application number: DE60026000T
Authority: DE
Inventors: Rakesh Agrawal; Donn Michael Fogelsville Herron; Jung Soo Gwynedd Valley Choe
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: JP2001224901A; EP1108965A1; CA2327751A1; ES2254110T3; CN1300930A; ATE317965T1; US6240744B1; CA2327751C; JP3495329B2; EP1108965B1; DE60026000D1; CN1175234C

Description

Die Erfindung betrifft die Zerlegung einer Mehrkomponenten-Zuführung durch Destillation in wenigstens drei Ströme, wobei wenigstens einer mit einer volatilsten bzw. flüchtigsten Komponente, wenigstens einer mit einer am wenigsten volatilen bzw. flüchtigen Komponente und wenigstens einer mit einer Komponente einer Zwischen-Volatilität bzw. Flüchtigkeit angereichert ist. Die Zerlegung wird mittels einer Destillationssäule mit einer abgeteilten bzw. unterteilten Sektion ausgeführt, um eine Komponente mit einer Zwischen-Flüchtigkeit zurückzugewinnen. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die Herstellung eines mit Argon angereicherten Stroms anhand eines kryogenen bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegungsverfahrens mittels einer unterteilten Sektion in einer Primär-Destillationssäule, um einen Argon tragenden Strom zu rektifizieren und anzureichern.
Das herkömmliche Verfahren zur Rückgewinnung von Argon aus Luft ist die Verwendung eines Doppelsäulen-Destillationssystems mit einer Säule mit höherem Druck und einer Säule mit niedrigerem Druck, die mit einem Reboiler/Kondensator und einer Nebenarm-Rektifiziersäule thermisch verbunden sind, die an der Säule mit niedrigerem Druck befestigt ist. Ein Sauerstoffprodukt wird vom Boden der Säule mit niedrigerem Druck abgezogen, wobei wenigstens ein mit Stickstoff angereicherter Strom vom oberen Ende der Säule mit niedrigerem Druck abgezogen wird. Durch den Reboiler der Säule mit niedrigerem Druck zur Verfügung gestellter Dampf steigt durch die Bodensektion von der Säule auf und teilt sich dann in zwei Teile auf. Ein erster Teil steigt in der Säule mit niedrigerem Druck in eine Zwischen-Destillationssektion darüber weiter auf. Ein zweiter Teil wird von der Säule mit niedrigerem Druck abgezogen und zur Nebenarm-Säule geführt. Dieser Teil, der im Allgemeinen zwischen 5% und 15% Argon, Spuren von Stickstoff und als Rest Sauerstoff enthält, wird in der Seitenarm-Säule rektifiziert, um einen mit Argon angereicherten Strom zu erzeugen, der im Wesentlichen von Sauerstoff gereinigt ist. Typischerweise wird dieser mit Argon angereicherte Strom, der üblicherweise als Roh-Argon bezeichnet wird, vom oberen Ende der Nebenarm-Säule mit einem Sauerstoffgehalt, der von Pegeln weniger Teile pro Million (parts per million – ppm) bis zu 3 Mol% reicht, abgezogen. Die Rektifikation in der Nebenarm-Säule wird durch die zur Verfügungstellung eines flüssigen Rückflusses über einen Kondensator erreicht, der sich am oberen Ende der Nebenarm-Säule befindet.
Da Dampf von der Säule mit niedrigerem Druck abgezogen wird, um ihn der Nebenarm-Säule zuzuführen, ist die Dampfströmung zur Zwischensektion der Säule mit niedrigerem Druck relativ zur Dampfströmung in der Bodensektion der Säule mit niedrigerem Druck notwendigerweise verringert. Üblicherweise müssen Schritte vorgenommen werden, um ein richtiges Stoffübergangsverhalten in der Zwischensektion aufrechtzuerhalten, wie die Verringerung des Durchmessers der Säule in der Zwischensektion, um eine angemessene Dampfgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, und/oder die Verringerung der Packungsdichte, um eine angemessene Flüssigkeitsladung aufrechtzuerhalten.
Im Allgemeinen werden, immer wenn ein Neben-Rektifizierer oder eine Nebenkolonne verwendet wird, Dampf- und Flüssigkeits-Strömungsraten in der Zwischen-Destillationssektion der Hauptsäule (z. B. einer Säule mit niedrigerem Druck) relativ zu den Strömungsraten in der Destillationssektion darunter und/oder der Destillationssektion darüber verringert.
Es wurden in der Literatur Säulen mit geteilter Wand als ein Mittel vorgeschlagen, um einen vorgegebenen Säulendurchmesser besser zu nutzen, wobei dadurch Investitionskosten verringert werden. Säulen mit geteilter Wand enthaltenen im Wesentlichen mehrere Destillationssektionen auf der gleichen Höhe in einer einzigen Säulenhülle. Ein frühes Beispiel der Nutzung einer Säule mit geteilter Wand ist in der Druckschrift US-A-2 471 134 (Wright) offenbart. Wright zeigt, wie eine Teilungswand verwendet werden kann, um drei Produkte aus einer einzigen Destillationssäule zu erzeugen. Bei Wright bildet die Teilung eine Trennungszone, deren oberes Ende und Boden mit der Haupt-Destillationssäule in Verbindung stehen. Säulen mit geteilter Wand von der durch Wright offenbarten Art werden das weiteren von Lestak und Collins in "Advanced Destillation Saves Energy and Capital", Chemical Engineering, Seiten 72–76, Juli 1997, erörtert. Christiansen, Skogestad und Lien offenbaren des Weiteren Anmeldungen für Säulen mit geteilter Wand in "Partitioned Petlyuk Arrangements for Quaternary Separations", Distillation and Absorption '97, Institute of Chemical Engineers, Symposium Series Nr. 142, Seiten 745–756, 1997.
In "Multicomponent Distillation – Theory and Practice" von Petluyuk und Cerifimow (S. 198, Fig. VI-4e, veröffentlicht von Moscow Chemie, 1983) offenbaren die Autoren eine Konfiguration für eine Säule mit geteilter Wand, in der die Teilungswand zylindrisch ist und eine ringförmige Trennungszone bildet, deren oberes Ende und Boden mit der Haupt-Destillationssäule in Verbindung stehen.
Die Druckschrift US-A-5 946 942 (Wong et al.) offenbart eine Anwendung von Grundsätzen der geteilten Wand für die Luftzerlegung. Wong offenbart eine Vorrichtung, in der die Säule mit niedrigerem Druck eine innere, ringförmige Wand enthält. Der Bereich, der zwischen der inneren, ringförmigen Wand und der äußeren Hülle der Säule mit niedrigerem Druck enthalten ist, bildet eine Sektion für die Herstellung eines Argon-Produktes. Ein Nachteil dieser Säule mit geteilter Wand zur Rückgewinnung von Argon stammt von der Form der verwendeten Vorrichtung, wie unten erläutert wird.
Die Querschnittsform der von Wong gezeigten Argon-Rektifikationssektion ist ringförmig. Am oberen Ende der ringförmigen Sektion muss der aufsteigende Dampf gesammelt und abgezogen werden. Wenn ein einzelnes Auslassrohr verwendet wird, muss der Dampf von der entferntesten Stelle im Ring einen bedeutend weiteren Weg zurücklegen, als der Dampf von der nächsten Stelle. Dies eröffnet eine falsche Dampfverteilung der Strömung in der darunter liegenden Zerlegungssektion. Ähnlich dazu ist auch die falsche Flüssigkeitsverteilung von Interesse, speziell wenn die darunter liegende Zerlegungssektion eine Packung verwendet. Es ist möglich, die falsche Verteilung zu mildern, indem Schritte wie die Verwendung mehrerer Auslass- und Einlassrohre vorgenommen werden, wobei das Ergebnis aber eine kompliziertere und kostspieligere Ausführung ist. Darüber hinaus erzeugt die Verwendung einer ringförmige Geometrie einen relativ großen Wandflächenbereich. Ein großer Wandflächenbereich ist hemmend, wenn eine Packung verwendet wird, da Flüssigkeit dazu neigt, zu den Wänden zu wandern, wodurch eine falsche Verteilung der Flüssigkeitsströmung eingeführt wird.
Die Druckschrift US-A-3 844 898 offenbart die Zerlegung eines Mehrkomponenten-Fluids mittels einer Anordnung, in der etwa eine Hälfte einer Destillationssäule mit einem kleinen Durchmesser durch den Boden einer Säule mit einem größeren Durchmesser eingeführt wird, wobei dadurch die Fraktionierung des Zuführungsstroms ermöglicht wird, der in die kleine Säule in wenigstens drei getrennten Strömen von hoher Reinheit in einem Behälter zugeführt wird. Der ringförmige Raum zwischen den zwei Säulen wirkt als eine Abreicherungssektion, die einen reinen Strom aus einem Zwischenmaterial im Siedebereich erzeugt, wobei die offene Verbindung zwischen den Säulen am oberen Ende der kleinen Säule die Anforderung eines getrennten Rückflusssystems für die kleine Säule beseitigt.
Nach einem Ausführungsbeispiel (US-A-3 844 898 1) zum Zerlegen eines Vier-Komponenten-Gemisches ist die kleine Säule in der größeren Säule von einer konzentrischen Wand umgeben, die sich über die kleine Säule hinaus erstreckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein mit der flüchtigsten Komponente angereichertes Produkt vom oberen Ende der größeren Säule entnommen, ein mit der am wenigsten flüchtigen Komponente angereichertes Produkt wird vom Boden der kleinen Säule entnommen, wobei jeweilige mit den zwei Komponenten der Zwischen-Flüchtigkeit angereicherte Produkte von den Räumen zwischen der kleinen Säule und der konzentrischen Wand und zwischen der konzentrischen Wand und der größeren Säule zurückgewonnen werden.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel (US-A-3 844 898 2) verbindet die Säule mit kleinem Durchmesser zwei vertikal ausgerichtete größere Säulen, wobei dadurch jeweilige mit den zwei flüchtigsten Komponenten angereicherte Produkte eines Vier-Komponenten-Gemisches vom oberen Teil der größeren Säulen zurückgewonnen werden und jeweilige mit den zwei weniger flüchtigen Komponenten angereicherte Produkte vom unteren Teil der größeren Säulen zurückgewonnen werden.
Die EP-A-0 755 707 offenbart eine integrierte Abreicherungs-/Destillationssäule, in der die Abreicherungssektion durch eine vertikale Wand in eine Neben-Abreicherungssektion und eine Haupt-Abreicherungssektion geteilt wird. Das zu zerlegende Gemisch wird dem oberen Ende der Neben-Abreicherungssektion zugeführt. Dampf vom oberen Ende der Neben-Abreicherungssektion gelangt in die Rektifikationssektion, von der kondensierte Flüssigkeit in die Haupt-Abreicherungssektion gelangt.
Die EP-A-0 755 707 offenbart außerdem eine integrierte Abreicherungs-/Destillationssäule, in der die Rektifikationssektion durch eine vertikale Wand in eine Neben-Rektifikationssektion und eine Haupt-Rektifikationssektion geteilt wird. Das zu zerlegende Gemisch wird dem Boden der Neben-Rektifikationssektion zugeführt. Die Flüssigkeit vom Boden der Neben-Rektifikationssektion gelangt in die Abreicherungssektion, von der Dampf in die Haupt-Rektifikationssektion gelangt.
Die EP-A-1 042 040 (als WO 00/25 881 am 11. Mai 2000 veröffentlicht, aber mit einem Anmeldedatum vom 1. Oktober 1999) offenbart eine Extraktiv-Destillationssäule mit einer unteren Abreicherungssektion, die von einer Raffinat-Sektion durch eine Hauptsektion mit zwei parallelen Kammern getrennt ist. Eine Kammer ist sowohl am oberen Ende als auch am Boden offen und steht demzufolge mit der Raffinat-Sektion und der Abreicherungssektion in Fluidverbindung. Die andere Kammer ist durch eine Stirnwand an ihrem oberen Ende verschlossen, aber an ihrem Boden geöffnet, und steht demzufolge nur mit der Abreicherungssektion in Fluidverbindung. Die zwei Kammern sind durch eine vertikale Wand getrennt. Von der geschlossenen Kammer wird ein Nebenstrom abgezogen. Es wird ein Bezug zur Verwendung eines geschlossenen, zylindrischen Einsatzes hergestellt, der in der Mitte der Hauptsektion angeordnet ist, um die geschlossene Kammer zur Verfügung zu stellen. Es werden keine Daten über die relativen Querschnittsgrößen der zwei Kammern zur Verfügung gestellt, es werden lediglich die Querschnitte erwähnt, die von den relativen, aufsteigenden Dampfströmungen abhängen.
Die einzigen Destillationsverfahren, auf die sich die Druckschriften EP-A-0 755 707, US-A-3 844 898 und EP-A-1 042 040 beziehen, sind thermische Kohlenwasserstoff-Destillationen.
Es wird ein Verfahren gewünscht, das das Konzept einer geteilten Wand verwendet und das die falsche Dampf- und Flüssigkeitsverteilung in der Argon-Sektion einer Destillationssäule minimiert.
Es wird des Weiteren ein Verfahren gewünscht, das das Konzept einer geteilten Wand verwendet und das die falsche Dampf- und Flüssigkeitsverteilung in einer beliebigen unterteilten Sektion minimiert, die verwendet wird, um eine mit einer Zwischenflüchtigkeits-Komponente angereicherte Komponente zurückzugewinnen.
Es wird außerdem ein Verfahren zur Zerlegung eines Mehrkomponenten-Fluids gewünscht, dass die Schwierigkeiten und Nachteile nach dem Stand der Technik überwindet, um bessere und vorteilhaftere Ergebnisse zur Verfügung zu stellen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Destillation eines Mehrkomponenten-Fluids mit wenigstens drei Komponenten, wobei jede Komponente eine unterschiedliche Volatilität bzw. Flüchtigkeit hat, in wenigstens drei Produktströme zur Verfügung.
Das Verfahren verwendet ein Destillationssäulensystem mit einer Destillationssäule mit wenigstens zwei Destillationssektionen, die durch eine Zwischen-Destillationssektion getrennt sind, die sich zwischen und in Fluidverbindung mit beiden Destillationssektionen befindet, und eine nicht ringförmige, abgeteilte bzw. unterteilte Sektion in der Nähe der Zwischen-Destillationssektion. Ein vertikales Trennungselement und ein in der Nähe befindliches End-Trennungselement isolieren die unterteilte Sektion von der Zwischen-Destillationssektion. Ein Äquivalenzdurchmesser (De für equivalent diameter) der unterteilten Sektion beträgt wenigstens 60% des idealen Durchmessers (Di für ideal diameter) der unterteilten Sektion. Das Mehrkomponenten-Fluid wird dem Destillationssäulensystem zugeführt, wobei ein erster Teil eines Fluid-Stroms in die Zwischen-Destillationssektion und ein zweiter Teil des Fluid-Stroms in die unterteilte Sektion strömt. Ein mit der volatilsten bzw. flüchtigsten Komponente angereicherter Strom wird von einer Stelle über wenigstens einer Destillationssektion über der Zwischen-Destillationssektion abgezogen, wobei ein mit der am geringsten volatilen Komponente angereicherter Strom von einer Stelle unter wenigstens einer Destillationssektion unter der Zwischen-Destillationssektion abgezogen wird und ein mit einer Zwischen-Komponente angereicherter Nebenstrom von der unterteilten Sektion abgezogen wird.
Der Äquivalenzdurchmesser (De) ist viermal so groß wie der Querschnitts-Strömungsbereich, der von dem vertikalen Trennungselement umgeben ist, das durch den durch das vertikale Trennungselement gebildeten Umfang geteilt ist, wobei der ideale Durchmesser (Di) der Durchmesser eines Kreises ist, der den gleichen Querschnitts-Strömungsbereich hat wie der Querschnitts-Strömungsbereich, der vom vertikalen Trennungselement umgeben ist.
Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren eine kryogene bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit mit einem Destillationssäulensystem zur Zerlegung eines Mehrkomponenten-Fluids zur Verfügung, das wenigstens drei Komponenten durch ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung enthält, wobei das System eine Destillationssäule mit zwei Destillationssektionen, die durch eine Zwischen-Destillationssektion getrennt sind, die sich zwischen und in Fluidverbindung mit beiden Destillationssäulen befindet, und eine nicht ringförmige, unterteilte Sektion in der Nähe der Zwischen-Destillationssäule aufweist. Die unterteilte Sektion hat ein vertikales Trennungselement und ein End-Trennungselement in der Nähe des vertikalen Trennungselements, wobei das vertikale und das End-Trennungselement die unterteilte Sektion von der Zwischen-Destillationssektion isolieren und der Äquivalenzdurchmesser (De) der unterteilten Sektion wenigstens 60% des idealen Durchmessers (Di) der unterteilten Sektion beträgt,
eine Leitungsanordnung für die Zuführung des Mehrkomponenten-Fluids zur Destillationssäule,
eine Leitungsanordnung für das Abziehen eines Stroms von dem oberen Ende der Säule, der mit einer Komponente angereichert ist, die die höchste Flüchtigkeit hat, und permanentes Entfernen wenigstens eines Teils hiervon von aus der Säule,
eine Leitungsanordnung für das Abziehen eines Stroms von dem Boden der Säule, der mit einer Komponente angereichert ist, die die geringste Flüchtigkeit hat, und das permanente Entfernen wenigstens eines Teils hiervon aus der Säule (121), und
eine Leitungsanordnung für das Abziehen eines Neben- bzw. Seiten-Stroms aus der unterteilten Sektion, der mit einer Komponente angereichert ist, die eine Zwischen-Flüchtigkeit hat, und permanentes Entfernen wenigstens eines Teils hiervon aus der Säule.
Ein mit einer Komponente mit der höchsten Flüchtigkeit angereicherter Strom wird von der Stelle über wenigstens einer Destillationssektion über der Zwischen-Destillationssektion abgezogen, wobei ein mit einer Komponente mit der niedrigsten Flüchtigkeit angereicherter Strom von einer Stelle unter wenigstens einer Destillationssektion unter der Zwischen-Destillationssektion abgezogen wird.
Der Fluid-Strom kann ein Dampf sein, der von einer Destillationssektion aufsteigt, wobei eine Flüssigkeit in die unterteilte Sektion an einer Stelle in der Nähe des oberen Endes der unterteilten Sektion zugeführt werden kann. Die Flüssigkeit kann durch wenigstens teilweises Kondensieren wenigstens eines Teils eines Dampfes erzeugt werden, der die unterteilte Sektion verlässt.
Alternativ kann der Fluid-Strom eine Flüssigkeit sein, die von einer Destillationssektion über der Zwischen-Destillationssektion herabfließt, wobei ein Dampf der unterteilten Sektion an einer Stelle in der Nähe des Bodens der unterteilten Sektion zugeführt werden kann. Der Dampf kann durch wenigstens teilweises Verdampfen eines Teils der Flüssigkeit erzeugt werden, der die unterteilte Sektion verlässt.
Das vertikale Trennungselement kann zylindrisch oder eine vertikale Wand sein, die an einer zylindrischen Wand der Destillationssäule befestigt ist.
Der Neben- bzw. Seitenstrom kann zu wenigstens einer anderen Destillationssäule übertragen werden.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Destillation von verschiedenen Mehrkomponenten-Fluiden anwendbar, die wenigstens drei Komponenten enthalten. Zum Beispiel kann das Mehrkomponenten-Fluid aus Gemischen Benzol/Toluol/Xylol, Gemischen Stickstoff/Kohlenmonoxid/Methan, Kombinationen aus drei oder mehr Komponenten aus C₁ bis C₅ Alkoholen und Kohlenwasserstoffgemischen ausgewählt werden, wobei die Kohlenwasserstoffgemische aus Pentan/Hexan/Heptan, Isopentan/Pentan/Hexan, Butan/Isopentan/Pentan, Isobutan/n-Butan/Benzin und Kombinationen von drei oder mehr Komponenten aus C₁ bis C₆ Kohlenwasserstoffen oder C₄ Isomeren bestehen.
Als ein weiteres Beispiel kann das Mehrkomponenten-Fluid ein Gemisch Stickstoff/Sauerstoff/Argon, speziell Luft sein, wobei die wenigstens drei Komponenten Stickstoff mit einer höchsten Flüchtigkeit, Sauerstoff mit einer niedrigsten Flüchtigkeit und Argon mit einer Zwischen-Flüchtigkeit zwischen der höchsten Flüchtigkeit und der niedrigsten Flüchtigkeit sind.
Vorzugsweise hat der mit Argon angereicherte Strom, der von der unterteilten Sektion abgezogen wurde, einen Sauerstoffgehalt von weniger als 60 Mol%.
Der mit Argon angereicherte Strom kann zu wenigstens einer weiteren Destillationssäule oder zu einem Adsorptions-Zerlegungssystem übertragen werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Zerlegung einer Mehrkomponenten-Zuführung in einem Destillationssystem bereit, das wenigstens eine Destillationssäule hat, die wenigstens einen mit der volatilsten bzw. flüchtigsten Komponente angereicherten Strom vom oberen Ende der Säule, wenigstens einen mit der am wenigsten volatilen bzw. flüchtigen Komponente angereicherten Strom vom Boden der Säule und wenigstens einen Strom erzeugt, der mit einer Komponente einer Zwischen-Volatilität bzw. Flüchtigkeit von einer nicht ringförmigen, unterteilten Sektion in der Säule angereichert ist. In dem Verfahren

a) wird ein Fluid-Strom aus wenigstens einer Destillationssäule in wenigstens zwei Teile aufgeteilt,
b) strömt ein erster Teil von Schritt a) in eine Zwischen-Destillationssektion der wenigstens einen Destillationssäule,
c) strömt ein zweiter Teil von Schritt a) in eine abgeteilte bzw. unterteilte Sektion der wenigstens einen Destillationssäule, wobei die unterteilte Sektion ein vertikales Trennungselement und ein End-Trennungselement aufweist, um die unterteilte Sektion von der Zwischen-Destillationssektion an allen Stellen außer dem Einlass der unterteilten Sektion zu isolieren,
d) strömt der zweite Teil durch die unterteilte Sektion und wird von der unterteilten Sektion als ein mit einer Komponente einer Zwischen-Flüchtigkeit angereicherter Strom entnommen,
e) beträgt der Äquivalenzdurchmesser der unterteilten Sektion wenigstens 60% des idealen Durchmessers der unterteilten Sektion.

Das Verfahren findet besondere Anwendung auf die kryogene bzw. Tieftemperatur-Zerlegung von Luft, um wenigstens einen mit Stickstoff angereicherten Strom vom oberen Ende der Säule, einen Sauerstoff-Produkt-Strom vom Boden der Säule und einen mit Argon angereicherten Strom von einer abgeteilten bzw. unterteilten Sektion in der Säule zu erzeugen.
Das Folgende ist eine nur beispielhafte Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen von gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2A eine schematische, isometrische Ansicht einer abgeteilten bzw. unterteilten Sektion in einer nach der vorliegenden Erfindung verwendeten Destillationssäule;
2B eine schematische Draufsicht einer abgeteilten bzw. unterteilten Sektion in einer nach der vorliegende Erfindung verwendeten Säule;
3 verschiedene Draufsichten von unterschiedlichen Arten von abgeteilten bzw. unterteilten Sektionsformen;
4 verschiedene Draufsichten von zusätzlichen Arten von abgeteilten bzw. unterteilten Sektionsformen;
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zur Zerlegung eines Vier-Komponenten-Gemisches; und
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zur Zerlegung eines Vier-Komponenten-Gemisches.
Um das Konzept des Äquivalenzdurchmessers zu veranschaulichen und die vorliegende Erfindung weiter zu beschreiben, wird ein Beispiel auf der Basis der Zerlegung von Luft in 1 (die das Verfahren veranschaulicht) gezeigt, wobei 2A und 2B die Form der abgeteilten bzw. unterteilten Sektion veranschaulichen. Zum Zweck der Veranschaulichung weist die Mehrkomponenten-Zuführung Stickstoff, die flüchtigste Komponente, Sauerstoff, die am wenigsten flüchtige Komponente, und Argon, die Komponente mit Zwischen-Flüchtigkeit, auf.
In 1 wird ein komprimierter Zuführungs-Luftstrom, der frei von schweren Komponenten (wie Wasser oder Kohlendioxid) und auf eine geeignete Temperatur gekühlt ist, als Strom 101 in den Boden einer Säule mit höherem Druck 103 eingeführt. Der Druck dieses Zuführungs-Luftstroms ist im Allgemeinen größer als 3,5 Atmosphären (0,35 MPa) und kleiner als 24 Atmosphären (2,4 MPa), bei einem bevorzugten Bereich von 5 bis 10 Atmosphären (0,5 bis 1 MPa). Die Zuführung zur Säule mit höherem Druck wird in einen Stickstoff-Dampfstrom mit höherem Druck 105 am oberen Ende einer Säule und einen flüssigen Roh-Sauerstoffstrom 115 am Boden der Säule destilliert. Der Stickstoff-Dampfstrom 105 wird im Reboiler/Kondensator 113 kondensiert, um einen flüssigen Strom 107 zu erzeugen, der nachfolgend in zwei Ströme 109 und 111 geteilt wird. Der Strom 109 wird zur Säule mit höherem Druck als Rückfluss zurückgeführt, wobei der Strom 111 durch Ventil 112 im Druck verringert und auf ein oberes Ende der Säule mit niedrigerem Druck 121 als Rückflussstrom 117 gerichtet wird. Obwohl (der Einfachheit halber) nicht dargestellt, wird der Rückflussstrom der Säule mit niedrigerem Druck 111/117 häufig durch indirekten Wärmeaustausch mit einem anderen Strom vor der Einführung in die Säule mit niedrigerem Druck 121 gekühlt. Der flüssige Roh-Sauerstoffstrom 115 wird einem optionalen, indirekten Wärmeaustausch unterzogen, durch Ventil 116 im Druck verringert und in die Säule mit niedrigerem Druck als Strom 119 eingeführt.
Die Zuführungen zur Säule mit niedrigerem Druck 121 werden in einen Stickstoff-Dampfstrom mit niedrigerem Druck 151 am oberen Ende der Säule und in einen Sauerstoffstrom 153 am Boden der Säule destilliert. Der Dampfstrom 133 verlässt die Boden-Destillationssektion 123 der Säule mit niedrigerem Druck und kann zwischen 3% und 25% Argon, typischerweise aber zwischen 5% bis 15% Argon enthalten. Der Strom 133 wird in zwei Fraktionen aufgeteilt: einen ersten Teil 135 und einen zweiten Teil 137.
Der erste Teil 135 strömt in eine Zwischen-Destillationssektion 127. Der zweite Teil 137 strömt in eine abgeteilte bzw. unterteilte Sektion 125, die ein vertikales Trennungselement 129 und ein End-Trennungselement 131 aufweist, um die unterteilte Sektion 125 von der Zwischen-Destillationssektion 127 zu isolieren. Der Dampfstrom 137 steigt durch die unterteilte Sektion 125 auf und wird rektifiziert, um einen mit Argon angereicherten Strom 139 zu erzeugen. Der Strom 139 wird wenigstens teilweise im Wärmetauscher 147 kondensiert, so dass ein Strom 141 erzeugt wird, der nachfolgend in zwei Ströme 143 und 145 aufgeteilt wird. Der Strom 143 wird zur unterteilten Sektion 125 als Rückfluss zurückgeführt, wobei der Strom 145 vom Destillationssystem entnommen wird. Die Kälteerzeugung für den Wärmetauscher 147 wird durch teilweises Verdampfen des flüssigen Roh-Sauerstoffstroms 115 zur Verfügung gestellt, nachdem er im Druck durch Ventil 116 verringert wurde.
Idealerweise erfordert die Zwischensektion 127 näherungsweise 20 bis 25 Stufen der Zerlegung. Wenn die unterteilte Sektion 125 eine ähnliche Anzahl von Zerlegungsstufen aufweist, dann beträgt der Sauerstoffgehalt im mit Argon angereicherten Strom nominell 10 Mol%, kann aber im Bereich zwischen 3 Mol% und 60 Mol% liegen. Die Reinheit dieses mit Argon angereicherten Stroms ist ausreichend, um vom Destillationssystem ohne bedeutendes Ansteigen des Sauerstoffverlustes ausgeschieden zu werden. Tatsächlich wird der Betrieb in einem solchen "Argon ausscheidenden" Modus die Sauerstoff-Rückgewinnung des Destillationssystems erhöhen, da der Einschluss der unterteilten Säule die Sauerstoff-Argon-Zerlegung in der Boden-Destillationssektion 123 der Säule mit niedrigerem Druck leichter macht.
2A und 2B zeigen eine mögliche Konfiguration der abgeteilten bzw. unterteilten Sektion. Mit Bezug auf 2A umfasst das vertikale Trennungselement 129 eine vertikale Platte und den Teil der Säulenwand, der mit der unterteilten Sektion 125 in Kontakt ist. Von oben betrachtet (2B) bildet die vertikale Platte eine Linie der Länge L, wobei der Teil der Säulenwand in Kontakt mit der unterteilten Sektion einen Bogen der Länge C bildet. Das End-Trennungselement 131 hat von oben betrachtet (2B) eine Fläche A. Der mit Argon angereicherte Dampfstrom 139 und der Rückflussstrom der unterteilten Sektion 143 (zur unterteilten Sektion) werden beim Verlassen/Eindringen aus/in die Säule über Dampf-Auslassrohr 138 und Leitung 142 gezeigt. Alternativ können diese Ströme durch das End-Trennungselement 131 eindringen/austreten.
Der Querschnitts-Strömungsbereich, der durch das vertikale Trennungselement umgeben ist, wird als der schattierte Bereich in 2B gezeigt und als A gekennzeichnet. Der durch das vertikale Trennungselement gebildete Umfang ist die projizierte Länge L der vertikalen Platte plus der projizierten Länge C längs der Säulenwand. Der Äquivalenzdurchmesser (De) ist ein Ausdruck, der gewöhnlich bei der Fluid-Strömung verwendet wird, und beträgt vier (4) mal den Querschnitts-Strömungsbereich geteilt durch den Umfang. Für dieses Beispiel: De = 4A/(L + C)
Der Äquivalenzdurchmesser stellt ein Maß der "Rundung" zur Verfügung. Idealerweise wäre es für die Draufsicht (2B) der unterteilten Sektion wünschenswert, wenn sie kreisförmig wäre. Diese Form würde dazu neigen, den Dampf-Strömungspfad von den verschiedenen Stellen in der unterteilten Sektion zur Auslassdüse (Dampf-Auslassrohr 138) gleichförmiger zu machen und dadurch die falsche Dampfströmungsverteilung zu verringern. Zusätzlich hat eine kreisförmige Form den minimalen Umfang und ist am geeignetsten, um die Strömung von Flüssigkeit die Wand hinunter zu minimieren. Wenn die Draufsicht (2B) der unterteilten Sektion kreisförmig und die Fläche der Projektion A ist, dann wäre der ideale Durchmesser (Di): Di = (4A/π)½.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung muss das Verhältnis des Äquivalenzdurchmessers zum idealen Durchmesser (De/Di) größer sein als 0,6.
Die Querschnittsfläche des Dampf-Auslassrohrs 138 für den mit Argon angereicherten Strom 139 beträgt typischerweise 10% der Querschnittsfläche A. Man beachte, dass der Klarheit halber das Dampf-Auslassrohr gemäß 2 unverhältnismäßig klein ist.
3 und 4 veranschaulichen Draufsichten von unterschiedlichen Arten der unterteilten Sektionsformen. 3 und 4 sind mit der Querschnittsfläche des Auslassrohrs, das als durchgehender schwarzer Kreis gezeigt wird, 10% des Querschnittsbereiches der unterteilten Sektion entspricht und als schraffierter Bereich gezeigt wird, maßstabsgerecht gezeichnet. 3 entspricht einer unterteilten Sektion mit einer Querschnittsfläche, die 25% der gesamten Säulen-Querschnittsfläche beträgt. 4 entspricht einer unterteilten Sektion mit einer Querschnittsfläche, die 50% der gesamten Säulen-Querschnittsfläche beträgt. Querschnittsflächen, die erforderlich sind, um die vorliegende Erfindung zu praktizieren, liegen typischerweise im durch 3 und 4 gezeigten Bereich.
3(a) zeigt eine zylindrische, unterteilte Sektion, die sich in der Mitte des Säulenquerschnitts befindet. 3(b) zeigt die gleiche zylindrische, unterteilte Sektion an einer Stelle, die von der Mitte der Säule versetzt ist. 3(c) zeigt eine unterteilte Sektion, die zwischen einer Profiltiefe und der Säulenwand begrenzt ist. 3(d), 3(e) und 3(f) zeigen einen Sektor, ein gleichseitiges Dreieck bzw. ein Quadrat. 3(g) zeigt eine unterteilte Sektion, die durch zwei Profiltiefen begrenzt ist. Schließlich zeigt 3(h) die Konfiguration nach dem Stand der Technik, die in der Druckschrift US-A-5 946 942 (Wong et al.) gezeigt wird.
Das Verhältnis des Äquivalenzdurchmessers zum idealen Durchmesser (De/Di) wird ebenfalls für jede Konfiguration gezeigt. Für die durch 3(a) bis 3(f) dargestellten Konfigurationen befinden sich die meisten Bereiche der schraffierten Fläche in einem Rohrdurchmesser der Düse (Dampf-Auslassrohr). In 3(g) befinden sich die meisten Bereiche der schraffierten Fläche in zwei Rohrdurchmessern der Düse (Dampf-Auslassrohr). Für die in 3(h) gezeigte Konfiguration nach dem Stand der Technik sind zwei Merkmale zu sehen. Erstens ist es nicht möglich, die Düse auf der Querschnittsfläche zu projizieren. Zweitens variieren die Pfadlängen wesentlich, durch die sich die Dampfelemente, die die schraffierten Flächen verlassen, bewegen müssen.
Wie zuvor angedeutet wurde, reflektiert 3 eine relativ kleine, unterteilte Sektion (d. h. 25% der gesamten Säulen-Querschnittsfläche). 4 zeigt die gleichen Konfigurationen für den Fall, wenn die unterteilte Sektion 50% der gesamten Säulen-Querschnittsfläche einnimmt. Hier veranschaulichen 4(a) bis 4(g), dass sich die meisten Bereiche der schraffierten Fläche innerhalb zweier Rohrdurchmesser der Düse (Dampf-Auslassrohr) befinden. Die Konfiguration in 4(h) nach dem Stand der Technik unterliegt wiederum den gleichen Begrenzungen, wie denen, die für 3(h) erörtert wurden.
Von den in 3(a) bis 3(g) und 4(a) bis 4(g) gezeigten Konfigurationen veranschaulichen einige einen gewissen Teil der unterteilten Sektion in Kontakt mit der äußeren Wand der Haupt-Destillationssäule. Dies macht es möglich, dass Zwischen-Zuführungen in die Zwischen-Destillationssektion eingeführt und/oder Zwischen-Produkte davon abgezogen werden, ohne die unterteilte Sektion zu durchdringen oder zu passieren.
Beim Erörtern des Ausführungsbeispiels nach 1 wurde angemerkt, dass der Sauerstoffgehalt des mit Argon angereicherten Stroms 139 ziemlich wesentlich sein kann und zur Lieferung an den Kunden nicht geeignet sein muss. Die Reinheit des mit Argon angereicherten Stroms kann erhöht werden, indem die unterteilte Sektion nach oben in der Kolonne über die Stelle hinaus erweitert wird, wo die Zwischensektion 127 endet. Dies führt Stufen der Zerlegung für die unterteilte Sektion hinzu und ermöglicht die Erzeugung eines Argonstroms mit höherer Reinheit. Es kann in bestimmten Fällen wünschenswert sein, die unterteilte Sektion den ganzen Weg bis zum oberen Ende der Destillationssäule 121 auszudehnen, wobei dadurch das End-Trennungselement ein Teil des Kopfes der Säule 121 sein kann. Es kann in anderen Fällen auch wünschenswert sein, das Ausführungsbeispiel gemäß 5 zu verwenden.
Gemäß 5 wurde eine zusätzliche Destillationssäule 541 dem Verfahren hinzugefügt. Diese Säule nimmt einen mit Argon angereicherten Dampfstrom 139 als eine Zuführung auf und erzeugt vom oberen Ende einen von Sauerstoff abgereicherten Strom 545. Der Strom 545 wird wenigstens teilweise im Wärmetauscher 147 kondensiert, um einen Strom 549 zu bilden, der nachfolgend in zwei Teile 551 und 553 geteilt wird. Der Strom 553 ist letzten Endes einen Argon-Produkt, kann aber Stickstoff und Sauerstoff enthalten und daher weiteren Reinigungsschritten unterzogen werden. Der Strom 551 wird zur Säule 541 als Rückfluss zurückgeführt, strömt nach unten durch die Säule, verlässt den Boden, wird, wenn notwendig, in der Pumpe 543 gepumpt, und dann zur unterteilten Sektion 125 als Strom 143 zurückgeführt. Die Säule 541 kann einen breiten Bereich von Zerlegungsstufen zur Verfügung stellen. Typischerweise werden abhängig vom gewünschten Sauerstoffgehalt des Stroms 545 20 bis 200 Stufen der Zerlegung verwendet.
Alternativ kann man wählen, den mit Argon angereicherten Strom 139 mittels einer anderen Anordnung als der Destillation zu reinigen. Zum Beispiel kann der mit Argon angereicherte Strom vom Verfahren entnommen und zu einem Adsorptions-Zerlegungssystem (nicht dargestellt) zur Entfernung von Sauerstoff, Stickstoff oder beiden geführt werden. Eine solche Adsorptions-Zerlegung kann in einem Einzelbett oder in Mehrfachbetten stattfinden und kann bei kalten, warmen oder sogar heißen Temperaturen ausgeführt werden. Sauerstoff kann vom mit Argon angereicherten Strom genauso über eine katalytische Oxidationsstufe entfernt werden. Es könnte auch eine Membran-Zerlegungsanlage ein geeigneter Ersatz für die Reinigung durch Destillation sein. Kombinationen aus Destillation und einer der drei oben erwähnten Alternativen können in Verbindung verwendet werden, um den mit Argon angereicherten Strom 139 weiter zu reinigen.
In den vorhergehenden Erörterungen hat die unterteilte Sektion 125 den Dampfstrom 137 als eine Boden-Zuführung aufgenommen. Gemäß 6 ist es auch möglich, die unterteilte Sektion so zu konfigurieren, dass sie eine Flüssigkeit als eine obere Zuführung aufnimmt. Die Zuführungen zu und von der Säule mit höherem Druck 103 sind die gleichen wie für 1 und 5. Der flüssige Strom 633 jedoch, der die obere Destillationssektion 623 der Säule mit dem niedrigeren Druck 121 verlässt, wird in zwei Ströme aufgeteilt: einen ersten Teil 635 und einen zweiten Teil 637. Der erste Teil 635 strömt in die Zwischen-Destillationssektion 127. Der zweite Teil 637 strömt in die unterteilte Sektion 125, die durch das vertikale Trennungselement 129 und das End-Trennungselement 131 definiert wird. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich die Endsektion 131, anders als in den Ausführungsbeispielen nach 1 und 5 (wo sie sich am oberen Ende befindet), am Boden des vertikalen Trennungselements 129. Der flüssige Strom 637 fließt durch die unterteilte Sektion 125 hinab und wird destilliert, um einen mit Argon angereicherten Strom 639 zu erzeugen. Der Strom 639 wird wenigstens teilweise im Wärmetauscher 147 verdampft, um einen Strom 641 zu erzeugen, der nachfolgend in zwei Ströme 643 und 645 aufgeteilt wird. Der Strom 643 wird zur unterteilten Sektion 125 als aufgekochter Teil zurückgeführt, wobei der mit Argon angereicherte Strom 645 vom Destillationssystem entnommen wird. Die Wärmeeingabe für den Wärmetauscher 147 wird durch Kühlen des flüssigen Roh-Sauerstoffstroms 115 zur Verfügung gestellt. In diesem Betriebsmodus ist der Strom 637 im Wesentlichen frei von Sauerstoff, wobei die unterteilte Sektion eine Stickstoff-Argon-Zerlegung durchführt.
Nach 1 und 5 wird die Kälteerzeugung für den Wärmetauscher 147 durch teilweises Verdampfen des flüssigen Roh-Sauerstoffstroms 115 abgeleitet. Der Fachmann wird erkennen, dass ein beliebiger flüssiger Strom, der eine geeignete Temperatur-Triebkraft in dem Wärmetauscher 147 zulässt, ein geeigneter Ersatz für den flüssigen Roh-Sauerstoffstrom sein würde. Beispiele solcher Ströme beinhalten einen kondensierten Luftstrom oder einen flüssigen Stickstoffstrom.
Nach 1, 5 und 6 wird der Sauerstoff-Produktstrom 153 so dargestellt, dass er von der Säule mit niedrigerem Druck als ein Dampf abgezogen wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf einen solchen Betrieb beschränkt. Der Fachmann wird erkennen, dass der Sauerstoff-Produktstrom 153 von der Säule mit niedrigerem Druck als eine Flüssigkeit abgezogen, auf einen höheren Druck gepumpt und dann verdampft und erwärmt werden kann. Auf diese Weise hergestellter, gasförmiger Sauerstoff kann außerdem optional komprimiert werden, bevor er an den Endverbraucher geliefert wird. Dieses Verfahren wird allgemein als gepumpter LOX bezeichnet. Um die Verdampfung des gepumpten Sauerstoffstroms zu erleichtern, ist es üblich, ein geeignetes Gas zu komprimieren, es zu kühlen und es dann durch indirekten Wärmeaustausch mit dem flüssigen Sauerstoff zu kondensieren. Beispiele von für diesen Zweck verwendeten Gasen beinhalten Zuführungsluft und von der Luftzerlegungseinheit wieder verwerteten Stickstoffdampf. Wenn Luft für diesen Zweck verwendet wird, wird die kondensierte Hochdruckluft als Zuführung für die Säule mit höherem Druck 103, die Säule mit niedrigerem Druck 121 oder beide verwendet.
In der vorliegenden Erfindung kann auch kondensierte Luft in einer Weise analog zum flüssigen Rohsauerstoff verwendet werden. Zum Beispiel kann kondensierte Luft gekühlt werden, um die Wärmeeingabe für den Wärmetauscher 147 nach 6 zur Verfügung zu stellen. Desgleichen kann kondensierte Luft, nachdem sie gekühlt und/oder angemessen im Druck verringert ist, verwendet werden, um für den Wärmetauscher 147 nach 1 und 5 eine Kälteerzeugung zur Verfügung zu stellen. Wie kondensierte Luft kann ein beliebiger Flüssigkeitsstrom alternativ von der Säule mit höherem Druck abgezogen und für den Wärmetauscher 147 nach 1, 5 und 6 genutzt werden.
Nach 6 wird die Wärmeeingabe für den Wärmetauscher 147 durch Kühlen von flüssigem Rohsauerstoff zur Verfügung gestellt. Wie oben angemerkt, können andere angemessen warme Fluide gekühlt werden. Zusätzlich kann ein Fluid im Wärmetauscher 147 nach 6 kondensiert werden, um eine Wärmeeingabe zur Verfügung zu stellen. Beispiele solcher Fluide beinhalten einen Teil vom Dampf des Stickstoffs von der Säule mit höherem Druck oder einen Teil vom Dampf der Luft.
Nach 1, 5 und 6 wird kein Bezug zum Wesen der Masseaustauschvorrichtungen in einer beliebigen der Destillationssektionen hergestellt. Der Fachmann wird erkennen, dass jede der Siebböden, Glockenböden, Ventilböden, regellosen Füllung oder Mehrschichtfüllung einzeln oder in Kombinationen für die Anwendung der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Die Ausführungsbeispiele nach 1, 5 und 6 veranschaulichen die Anwendung der vorliegenden Erfindung in einem Doppelsäulen-Destillationssystem. Es wird für den Fachmann verständlich sein, dass die in diesen Abbildungen gezeigten Doppelsäulen-Verfahren der Klarheit halber vereinfacht sind. Es gibt häufig andere Zuführungen zum Doppelsäulen-System. Zum Beispiel: 1) ein Teil des Zuführungsluftstroms kann zur Kälteerzeugung expandiert und der Säule mit niedrigerem Druck 121 zugeführt werden; 2) von der Säule mit niedrigerem Druck können mehrere Sauerstoff-Produkte abgezogen werden; und 3) ein zusätzlicher mit Stickstoff angereicherter Strom kann von einer Stelle über dem Zuführungsstrom 119 in der Säule mit niedrigerem Druck 121 oder von der Säule mit höherem Druck 103 abgezogen werden.
Obwohl Doppelsäulen-Konfigurationen die üblichsten für die Rückgewinnung von Sauerstoff und Argon aus Luft sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf solche Konfigurationen beschränkt. Zum Beispiel gibt es Einzelsäulen-Verfahren für die Sauerstoff-Rückgewinnung aus Luft. Solche Verfahren können ohne weiteres eine unterteilte Sektion zur Erzeugung eines mit Argon angereicherten Stroms enthalten, wobei in einem solchen Fall die vorliegende Erfindung anwendbar sein würde.
Nach 1, 5 und 6 wird der Wärmetauscher 147 so dargestellt, dass er außerhalb der Säule mit niedrigerem Druck 121 existiert. Es ist jedoch möglich und in einigen Fällen bevorzugt, den Wärmetauscher 147 im Inneren der Säule mit niedrigerem Druck 121 anzuordnen.
Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um eine Mehrkomponenten-Zuführung, die mehr als drei Komponenten aufweist, zu trennen. Beispiele werden in 7 und 8 gezeigt und sind unten beschrieben.
7 zeigt ein Beispiel für die Zerlegung eines Vier-Komponenten-Gemisches. Komponente A ist am volatilsten bzw. flüchtigsten, Komponente D ist am wenigsten volatil bzw. flüchtig, wobei die Komponenten B und C eine Zwischen-Volatilität bzw. Flüchtigkeit haben. Die Mehrkomponenten-Zuführung 709 wird in die Destillationssäule 701 mit einem Kondensator 702, einem Reboiler 704, einer Zwischen-Destillationssektion 705 und einer unterteilten Sektion 703 eingeführt. Ein mit der flüchtigsten Komponente A angereicherter Strom wird vom oberen Ende der Säule 701 als Strom 715 abgezogen. In diesem Beispiel enthält der Strom 715 außerdem eine der Komponenten mit einer Zwischen-Flüchtigkeit B. Der mit der am wenigsten flüchtigen Komponente D angereicherte Strom 711 wird vom Boden der Säule 701 abgezogen. Der mit einer Komponente mit einer Zwischen-Flüchtigkeit C angereicherte Strom 713 wird in der unterteilten Sektion 703 erzeugt. Ein Teil dieses Stroms wird im Reboiler 706 verdampft und als ein aufgekochter Teil zur unterteilten Sektion zurückgeführt. Der Strom 715 wird anschließend einer stromabwärts gelegenen Destillationssäule 707 zugeführt, die einen Kondensator 708 und einen Reboiler 710 hat. Die Säule 707 erzeugt ein mit der Komponente A vom oberen Ende der Säule angereichertes Fluid als Strom 719 und ein mit der Komponente B vom Boden der Säule angereichertes Fluid als Strom 717.
8 zeigt ein weiteres Beispiel für die Zerlegung eines Vier-Komponenten-Gemisches. Komponente A ist am flüchtigsten, Komponente D ist am wenigsten flüchtig, wobei die Komponenten B und C eine Zwischen-Flüchtigkeit haben. Die Mehrkomponenten-Zuführung 809 wird in die Destillationssäule 801 mit einem Kondensator 802, einem Reboiler 804, einer Zwischen-Destillationssektion 805 und einer unterteilten Sektion 803 eingeführt. Ein mit der flüchtigsten Komponente A angereicherter Strom wird vom oberen Ende der Säule 801 als Strom 815 abgezogen. Ein mit der am wenigsten flüchtigen Komponente D angereicherter Strom wird vom Boden der Säule 801 als Strom 811 abgezogen. In diesem Beispiel enthält der Strom 811 außerdem eine der Komponenten mit einer Zwischen-Flüchtigkeit C. Der mit einer Komponente mit einer Zwischen-Flüchtigkeit B angereicherte Strom 813 wird von der unterteilten Sektion 803 erzeugt. Ein Teil dieses Stroms wird im Kondensator 806 kondensiert und zur unterteilten Sektion 803 als Rückfluss zurückgeführt. Der Strom 811 wird anschließend einer stromabwärts gelegenen Destillationssäule 807 zugeführt, die einen Kondensator 808 und einen Reboiler 810 hat. Die Säule 807 erzeugt ein mit der Komponente C vom oberen Ende der Säule angereichertes Fluid als Strom 819 und ein mit der Komponente D vom Boden der Säule angereichertes Fluid als Strom 817.
Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass die Konfigurationen gemäß 7 und 8 auch auf Zuführungsströme angewendet werden können, die mehr als vier Komponenten enthalten.
Obwohl hier mit Bezug auf bestimmte spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben, soll die Erfindung nichtsdestotrotz nicht auf die gezeigten, genauen Details beschränkt sein. Stattdessen können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Verfahren zur Destillation eines wenigstens drei Komponenten enthaltenden Mehrkomponenten-Fluids, wobei jede Komponente eine unterschiedliche Volatilität bzw. Flüchtigkeit hat, zu wenigstens drei Produktströmen unter Verwendung eines Destillationssäulensystems mit einer Destillationssäule mit wenigstens zwei Destillationssektionen, die durch eine Zwischen-Destillationssektion getrennt sind, die sich zwischen und in Fluidverbindung mit beiden Destillationssektionen befindet, und mit einer abgeteilten bzw. unterteilten Sektion in der Nähe der Zwischen-Destillationssektion, die von der Zwischen-Destillationssektion durch ein vertikales Trennungselement isoliert, an einem Ende durch ein End-Trennungselement verschlossen ist und einen Äquivalenzdurchmesser (De für equivalent diameter) hat, der wenigstens 60% des idealen Durchmessers (Di für ideal diameter) der unterteilten Sektion beträgt, wobei ein Strom des Mehrkomponenten-Fluids der Destillationssäule zugeführt wird; ein erster Teil eines Fluid-Stroms in der Destillationssäule in die Zwischen-Destillationssektion fließt und ein zweiter Teil des Fluid-Stroms in die unterteilte Sektion fließt; wobei ein Produkt-Strom, der mit der Komponente mit der höchsten Flüchtigkeit angereichert ist, von einer Stelle über wenigstens einer Destillationssektion über der Zwischen-Destillationssektion abgezogen wird; und ein Produkt-Strom, der mit der Komponente mit der niedrigsten Flüchtigkeit angereichert ist, von einer Stelle unter wenigstens einer Destillationssektion unter der Zwischen-Destillationssektion abgezogen wird und ein Neben-Produkt-Strom, der mit einer Komponente mit einer Zwischen-Flüchtigkeit angereichert ist, von der unterteilten Sektion abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das End-Trennungselement sich an dem oberen Ende der unterteilten Sektion befindet und der Fluid-Strom ein Dampf ist, der von einer Destillationssektion unter der Zwischen-Destillationssektion aufsteigt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der unterteilten Sektion an einer Stelle in der Nähe des oberen Endes der unterteilten Sektion eine Flüssigkeit zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Flüssigkeit durch wenigstens teilweises Kondensieren wenigstens eines Teils eines Dampfes erzeugt wird, der die unterteilte Sektion verlässt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die unterteilte Sektion sich nach oben über das Niveau der Zwischensektion hinaus erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das End-Trennungselement sich an dem Boden der unterteilten Sektion befindet und der Fluid-Strom eine Flüssigkeit ist, die von einer Destillationssektion über der Zwischensektion herabfließt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der unterteilten Sektion an einer Stelle, die sich in der Nähe des Bodens der unterteilten Sektion befindet, ein Dampf zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Dampf durch wenigstens teilweises Verdampfen eines Teils der Flüssigkeit erzeugt wird, die die unterteilte Sektion verlässt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei sich die unterteilte Sektion nach unten unter das Niveau der Zwischensektion erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das vertikale Trennungselement zylindrisch ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das vertikale Trennungselement eine vertikale Wand aufweist, die an einer zylindrischen Wand der Destillationssäule befestig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Nebenstrom zu wenigstens einer anderen Destillationssäule übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zerlegung eine kryogene bzw. Tieftemperatur Zerlegung ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Mehrkomponenten-Fluidgemisch eine Mischung aus Stickstoff/Sauerstoff/Argon ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Mehrkomponenten-Fluid Luft ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der mit Argon angereicherte Strom, der aus der unterteilten Sektion abgezogen wird, einen Sauerstoff-Gehalt von weniger als 60 Mol% hat.
Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, wobei der mit Argon angereicherte Strom, der von der unterteilten Sektion abgezogen wird, zu wenigstens einer anderen Destillationssäule übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Mehrkomponenten-Fluid aus Gemischen Benzol/Toluol/Xylol, Gemischen Stickstoff/Kohlenmonoxid/Methan, Kombinationen von drei oder mehr Komponenten aus C₁ bis C₅ Alkoholen und Kohlenwasserstoffgemischen ausgewählt wird, wobei die Kohlenwasserstoffgemische aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Pentan/Hexan/Heptan, Isopentan/Pentan/Hexan, Butan/Isopentan/Pentan, Isobutan/N-Butan/Benzin und Kombi-nationen von drei oder mehr Komponenten aus C₁ bis C₆ Kohlenwasserstoffen oder C₄ Isomeren besteht.
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit mit einem Destillationssäulensystem zur Zerlegung eines Mehrkomponenten-Fluids, das wenigstens drei Komponenten enthält, durch ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei das System aufweist: eine Destillationssäule (121) mit zwei Destillationssektionen (123, –) die durch eine Zwischen-Destillationssektion (127) getrennt sind, die sich zwischen und in Fluid-Verbindung mit beiden Destillationssektionen befindet, und einer nicht- ringförmigen, unterteilten Sektion (125) in der Nähe der Zwischen-Destillationssektion (127) die von der der Zwischen-Destillationssektion (127) durch ein vertikales Trennungselement (129) isoliert und an einem Ende durch ein End-Trennungselement (131) verschlossen ist und einen Äquivalenzdurchmesser (De für equivalent diameter) hat, der wenigstens 60% des idealen Durchmessers (Di für ideal diameter) der unterteilten Sektion beträgt; eine Leitungsanordnung (119) für die Zuführung des Mehrkomponenten-Fluid zu der Destillationssäule (121); eine Leitungsanordnung (151) für das Abziehen eines Stroms von dem oberen Ende der Säule (121), der mit einer Komponente angereichert ist, die die höchste Flüchtigkeit hat, und permanentes Entfernen wenigstens eines Teils (715) hiervon aus der Säule (121); eine Leitungsanordnung (153) für das Abziehen eines Stroms von dem Boden der Säule (121) der mit einer Komponente angereichert ist, die die geringste Flüchtigkeit hat, und das permanente Entfernen wenigstens eines Teils (711) hiervon aus der Säule (121); und eine Leitungsanordnung (139) für das Abziehen eines Neben- bzw. Seiten-Stroms aus der unterteilten Sektion, der mit einer Komponente angereichert ist, die eine Zwischen-Flüssigkeit hat, und permanentes Entfernen wenigstens eines Teils (713) hiervon aus der Säule (121).
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit nach Anspruch 19, wobei sich das End-Trennungselement (131) an dem oberen Ende der unterteilten Sektion (125) befindet.
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit nach Anspruch 20 mit einer Leitungsanordnung (143) für die Zuführung einer Flüssigkeit zu der unterteilten Sektion (125) an einer Stelle in der Nähe des oberen Endes der unterteilten Sektion (125).
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit nach Anspruch 21 mit einem Wärmetauscher (147) zum wenigstens teilweise Kondensieren eines Teils eines Dampfes, der die unterteilte Sektion (125) verlässt, wobei die Leitungsanordnung (143) Flüssigkeit von diesem Wärmetauscher (147) der unterteilten Sektion (125) zuführt.
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die unterteilte Sektion (125) sich nach oben über das Niveau der Zwischensektion (127) hinaus erstreckt.
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit nach Anspruch 19, wobei das End-Trennungselement (131) sich an dem Boden der unterteilten Sektion (125) befindet.
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit nach Anspruch 24 mit einer Leitungsanordnung (643) für die Zuführung eines Dampfes zu der unterteilten Sektion (125) an einer Stelle in der Nähe des Bodens der unterteilten Sektion (125).
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit nach Anspruch 25 mit einem Wärmetauscher (147) für das wenigstens teilweise Verdampfen eines Teils der die unterteilte Sektion (125) verlassenden Flüssigkeit, wobei die Leitungsanordnung (143) Dampf von dem Wärmetauscher (147) der geteilten Sektion (125) zuführt.
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei sich die unterteilte Sektion (125) nach unten unter das Niveau der Zwischensektion (127) erstreckt.
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei das vertikale Trennungselement (129) zylindrisch ist.
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei das vertikale Trennungselement (129) eine vertikale Wand aufweist, die an einer zylindrischen Wand der Destillationssäule (121) angebracht ist.
Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 28 mit mindestens einer weiteren Destillationssäule (541), wobei die Zwischen-Leitungsanordnung (139) den Nebenstrom zu der wenigstens einen weiteren Destillationssäule (541) überträgt.