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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung eines ersten Sauerstoffprodukts,
das in der Regel normale Reinheit aufweist, und eines zweiten, besonders
reinen Sauerstoffprodukts mit weniger als 1 Vol.-ppm aller Verunreinigungen
aus Luft mit den Merkmalen des ersten Teils von Anspruch 1 bzw.
Anspruch 6. Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist
aus der US-A-5 425 241 bekannt.
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Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Abtrennung
von Sauerstoff aus Luft geht man so vor, daß man die Luft durch Entfernung
von Waserdampf- und Kohlendioxidverunreinigungen reinigt, die gereinigte
Luft auf eine für
ihre Zerlegung durch Tieftemperaturrektifikation geeignete Temperatur
abkühlt und
die abgekühlte
Luft in einer Doppelrektifikationssäule mit einer Hochdruck-Rektifikationssäule und
einer Niederdruck-Rektifikationssäule rektifiziert.
Dabei findet in der Regel ein Wärmeaustausch
zwischen dem Kopf der Hochdruck-Rektifikationssäule und dem Sumpf der Niederdruck-Rektifikationssäule statt,
wodurch in der Hochdruck-Rektifikationssäule abgetrennter Stickstoff
kondensiert und in der Niederdrucksäule abgetrennter flüssiger Sauerstoff
verdampft wird. Die Niederdrucksäule
weist in der Regel einen Sumpfteil auf, in dem Argon von Sauerstoff
abgetrennt wird. So kann man ein Sauerstoffprodukt mit weniger als
3 Vol.-% Argon erzeugen. Auch die Erzeugung eines Sauerstoffprodukts
mit höchstens
0,1 Vol.-% Argon stellt an sich keine Schwierigkeit dar. Ist jedoch
ein Sauerstoffprodukt mit wesentlich höherer Reinheit gefordert, so
muß man
durch Verwendung einer oder mehrerer zusätzlicher Rektifikations- oder Fraktionierungssäulen Verunreinigungen
aus einem aus der Niederdruck-Rektifikationssäule abgezogenen
sauerstoffhaltigen Strom entfernen. Dabei kann nicht nur Bedarf
an der Entfernung von Verunreinigungen mit höherer Flüchtigkeit als Sauerstoff, wie Argon,
sondern auch Bedarf an der Entfernung von Verunreinigungen mit geringerer
Flüchtigkeit
als Sauerstoff, wie Methan, bestehen.
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Gemäß der US-A-5 049 173 entnimmt
man aus einem Bereich der Niederdrucksäule, in dem die Sauerstoffkonzentration
im Bereich von 1–35
Vol-% liegt, einen Einsatzstrom und strippt in einer Seitensäule Argon
und andere Verunreinigungen mit geringer Flüchtigkeit aus dem Strom aus.
Durch die Entnahme des Einsatzstroms aus einem Bereich der Niederdrucksäule, in
dem die Sauerstoffkonzentration im Bereich von 1 bis 35 Vol-% liegt,
wird die Konzentration an Verunreinigungen mit verhältnismäßig geringer
Flüchtigkeit,
beispielsweise Methan, im Einsatzstrom minimal gehalten. Daher ist
aus der Seitensäule
ein flüssiges
Sauerstoffprodukt mit insgesamt weniger als 1 Vol.-ppm Verunreinigungen
erhältlich.
Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß in der Seitensäule eine
verhältnismäßig große Zahl
theoretischer Trennstufen erforderlich ist. In einem Beispiel werden
ungefähr
64 Stufen verwendet. Nachteilig ist ferner, daß die Maximalproduktion von
hochreinem Sauerstoff in einem typischen Beispiel auf 19% der Gesamtsauerstoffproduktion
beschränkt
ist. Nachteilig ist außerdem,
daß dann,
wenn die Niederdrucksäule
zusätzlich
zu einer aus dem Sumpf der Hochdruck-Rektifikationssäule abgezogenen,
zumindest teilweise verdampften Fraktion einen Strom flüssiger Luft
zerlegen muß,
der Einsatz für
die Seitensäule
weniger Sauerstoff enthält
und sich daher der Gesamtanteil der in hoher Reinheit produzierbaren Sauerstoffprodukte
verringert.
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In der US-A-4 560 397 wird ein Verfahren
beschrieben, bei dem das einzige Sauerstoffprodukt hochrein ist
und in einem Beispiel 10 ppm Argon, 1,3 Krypton und 8 ppm Methan
enthält.
Dabei verwendet man eine primäre
Hochdruck-Rektifikationssäule
und eine sekundäre Niederdruck-Rektifikationssäule. Aus der
Primärsäule kann
einige Böden
oberhalb des untersten Bodens ein sauerstoffangereicherter Strom abgezogen
werden, um zu gewährleisten,
daß seine Konzentration
an Verunreinigungen mit geringerer Flüchtigkeit als Sauerstoff geringer
ist, als wenn er aus dem Sumpf der Primärsäule abgezogen würde. Der
sauerstoffangereicherte Strom wird dem Kopf der Sekundärsäule zugeführt, in
der die Argonverunreinigungen entfernt werden. Ein dampfförmiger Strom
hochreinen Sauerstoffs wird aus der Sekundärsäule an einer mindestens einen
theoretischen Boden über
dem Sumpf dieser Säule
liegenden Stelle abgezogen. Die Sekundärsäule ist mit einem Verdampfer
ausgestattet, der durch in der Primärsäule abgetrennten Stickstoff
angewärmt
wird. Der Stickstoff wird so kondensiert und als Rücklauf in
die Primärsäule zurückgeführt. Um
für einen
hinreichenden Rücklauf
für die
Primärsäule zu sorgen,
muß man
jedoch eine zusätzliche
Einrichtung zum Kondensieren des Stickstoffs bereitstellen. Daher
wird ein zweiter Kondensator bereitgestellt. Dieser Sekundärkondensator
wird durch einen aus dem Sumpf der Primärsäule abgezogenen Strom von sauerstoffangereicherter
Flüssigkeit
gekühlt.
Der resultierende sauerstoffangereicherte Dampf wird durch indirekten
Wärmeaustausch
mit der eintretenden Luft angewärmt, zur
Bereitstellung von Kälte
für das
Verfahren in einer Turbine entspannt und dann durch indirekten Wärmeaustausch
mit der eintretenden Luft wieder auf Umgebungstemperatur angewärmt. Infolgedessen wird
die erzielbare Maximalausbeute an hochreinem Sauerstoff beträchtlich
verringert, da ein erheblicher Teil des eintretenden Sauerstoffs
im Endeffekt in dem wieder angewärmten
Strom aus dem Verfahren ausgeschleust wird.
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Die US-A-5 425 241 betrifft ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Luftzerlegung, die neben einem ersten Sauerstoffprodukt
mit normaler Reinheit ein zweites hochreines Sauerstoffprodukt ergeben. Hierbei
wird eine Doppelrektifikationssäule
verwendet, deren Niederdrucksäule
unterhalb der Höhe
eines Auslasses für
das Sauerstoffprodukt mit normaler Reinheit einen Argonstrippteil
aufweist. Von unterhalb des Argonstrippteils wird ein argonabgereicherter
dampfförmiger
Sauerstoffstrom abgezogen und einer Hilfsdestillationssäule zugeführt. Aus
einem Zwischenbereich dieser Hilfsdestillationssäule wird ein hochreines Sauerstoffprodukt
in dampfförmigem Zustand
abgezogen. Der Oberbegriff der nachstehenden Ansprüche 1 und
6 basiert auf der Offenbarung der US-A-5 425 241.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung
eines ersten Sauerstoffprodukts mit weniger als 3,5 Vol.-% Argonverunreinigungen
aus Luft bereitzustellen, bei dem bzw. der eine weitere Rektifikationssäule zur
Porduktion eines zweiten Sauerstoffprodukts mit insgesamt weniger
als 1 Vol.-ppm Verunreinigungen verwendet wird.
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Gegenstand der Erfindung ist ein
Verfahren zur Abtrennung eines ersten Sauerstoffprodukts mit weniger
als 3,5 Vol.-% Argonverunreinigungen und eines zweiten hochreinen
Sauerstoffprodukts mit insgesamt weniger als 1 Vol.-ppm an Argon
und anderen Verunreinigungen aus Luft, bei dem man einen Luftstrom
in einer Hochdruck-Rektifikationssäule so fraktioniert,
daß sich
eine sauerstoffangereicherte flüssige
Sumpffraktion und eine dampfförmige
Stickstoffkopffraktion bildet, einen Strom der Sumpffraktion zwecks
Trennung in eine Niederdruck-Rektifikationssäule einträgt, einen
Strom der dampfförmigen Stickstofffraktion
durch indirekten Wärmeaustausch mit
einer in der Niederdruck-Rektifikationssäule abgetrennten
flüssigen
Sauerstofffraktion kondensiert und dadurch mindestens einen Teil
der flüssigen Sauerstofffraktion
zum Sieden bringt und einen durch die Niederdruck-Rektifikationssäule nach
oben strömenden
Dampfstrom erzeugt, mindestens einen Teil des so gebildeten Kondensats
als Rücklauf
in der Hochdruck-Rektifikationssäule
einsetzt und einen Strom des Kondensats aus der Hochdruck-Fraktionierungssäule der
Niederdruck-Rektifikationssäule als
Rücklauf
zuführt,
wobei das erste Sauerstoffprodukt aus einem Zwischenbereich der
Niederdruck-Rektifikationssäule
abgezogen wird, es einen Füllkörperteil
der Niederdruck-Rektifikationssäule gibt,
der Flüssigkeit
aus dem Zwischenbereich empfängt
und in dem aus der so empfangenen Flüssigkeit Argonverunreinigungen
ausgestrippt werden, die gesamte Abkühlung zur Bildung des Kondensats
durch die flüssige
Sauerstofffraktion geliefert wird, ein zweiter Sauerstoffstrom mit
weniger als 100 Vol.-ppm Argonverunreinigungen aus dem Sumpf des
Füllkörperteils
in eine Seitenrektifikationssäule
geleitet und von Verunreinigungen mit geringerer Flüchtigkeit
als Sauerstoff befreit wird, dadurch gekennzeichnet, daß man am
Kopf der Seitenrektifikationssäule
einen Dampf entnimmt und kondensiert, einen Teil des kondensierten
Kopfdampfes als zweites hochreines Sauerstoffprodukt abzieht und
den Rest des kondensierten Kopfdampfes als Rücklauf in die Seitenrektifikationssäule zurückführt.
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Gegenstand der Erfindung ist auch
eine Vorrichtung zur Abtrennung eines ersten Sauerstoffprodukts
mit weniger als 3,5 Vol.-% Argonverunreinigungen und eines zweiten
hochreinen Sauerstoffprodukts mit insgesamt weniger als 1 Vol.-ppm
an Argon und anderen Verunreinigungen aus Luft mit einer Hochdruck-Fraktionierungssäule zur
derartigen Fraktionierung eines Luftstroms, daß sich eine dampfförmige Stickstoffkopffraktion
und eine sauerstoffangereicherte flüssige Sumpffraktion bildet,
einer Niederdruck-Rektifikationssäule zum Trennen eines Stroms der
Sumpffraktion, einem Kondensator-Verdampfer zum Kondensieren eines
Stroms der dampfförmigen Stickstofffraktion
durch indirekten Wärmeaustausch mit
einer in der Niederdruck-Rektifikationssäule abgetrennten flüssigen Sauerstofffraktion,
wobei der Kondensator-Verdampfer so angeordnet ist, daß er im
Betrieb einen durch die Niederdruck-Rektifikationssäule nach
oben strömenden
Dampfstrom und einen Strom der kondensierten dampfförmigen Stickstofffraktion
als Rücklauf
für die
Hochdruck-Fraktionierungssäule
liefert, einem Einlaß in
die Hochdruck-Fraktionierungssäule für den Rücklauf,
der zwecks Zufuhr eines Stroms der kondensierten dampfförmigen Stickstofffraktion
als Rücklauf
in die Niederdruck-Rektifikationssäule direkt
oder indirekt mit der Niederdruck-Rektifikationssäule in Verbindung
steht, einem ersten Auslaß für das erste
Sauerstoffprodukt aus einem Zwischenbereich der Niederdruck-Rektifikationssäule, einem
Füllkörperteil
in der Niederdruck-Rektifikationssäule, der
so angeordnet ist, daß er
Flüssigkeit
aus dem Zwischenbereich empfängt
und das Ausstrippen von Argonverunreinigungen aus der herabströmenden Flüssigkeit
ermöglicht,
und einem zweiten Auslaß für einen
zweiten Sauerstoffstrom mit weniger als 100 Vol.-ppm Argonverunreinigungen,
der mit dem Sumpf des Füllkörperteils
in Verbindung steht, wobei die Kondensationspassagen des Kondensator-Verdampfers an ihrem
Einlaßende
mit einer einzigen Heizflüssigkeitsquelle
in Verbindung stehen, bei welcher es sich um einen Sumpfbereich
der Niederdruck-Rektifikationssäule handelt,
und der zweite Auslaß mit
einer Seitenrektifikationssäule
zum Abtrennen von Verunreinigungen mit geringerer Flüchtigkeit
als Sauerstoff in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf
der Seitenrektifikationssäule
mit einem Kondensator mit einem Auslaß für entstehenden kondensierten
Kopfdampf assoziiert ist, wobei der Auslaß des Kondensators mit einem
Auslaß aus
der Vorrichtung für
das zweite hochreine Sauerstoffprodukt und einem Einlaß in die
Seitenrektifikationssäule
für Rücklauf in
Verbindung steht.
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Der mit dem Kopf der Seitenrektifikationssäule assoziierte
Kondensator kann durch einen beliebigen zweckmäßigen Strom gekühlt werden.
Hierzu kann man beispielsweise einen Strom von sauerstoffangereicherter
Flüssigkeit
aus dem Sumpf der Hochdruck-Fraktionierungssäule verwenden.
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Der zweite Sauerstoffstrom kann aus
der Niederdruck-Rektifikationssäule in flüssigem oder dampfförmigem Zustand
abgezogen werden. Beim Abziehen in flüssigem Zustand wird die Seitensäule, sofern
sie zum Einsatz kommt, mit einem Verdampfer ausgestattet.
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Vorzugsweise wird aus der Niederdruck-Rektifikationssäule und/oder
der Seitensäule ein
Strom von Verunreinigungen mit geringerer Flüchtigkeit als Sauerstoff enthaltender
Flüssigkeit ausgeschleust.
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Gegebenenfalls kann man aus der Luft
neben dem ersten und zweiten Sauerstoffprodukt auch noch ein Argonprodukt
abtrennen. Hierzu kann eine zweite Seitensäule einen argonhaltigen Sauerstoffstrom
aus der Niederdruck-Rektifikationssäule empfangen und so ausgelegt
sein, daß daraus
ein Argonprodukt abgetrennt wird.
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Eine Rektifikationssäule bedeutet
im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Destillations- oder Fraktionierungssäule, eine
Destillations- oder Fraktionierungszone bzw. Destillations- oder
Fraktionierungszonen, in der bzw. denen flüssige und dampfförmige Phasen
im Gegenstrom kontaktiert werden, um eine Trennung oder Reinigung
eines Fluidgemischs zu bewirken, wie beispielsweise durch Kontaktieren
der flüssigen
und dampfförmigen
Phasen an Füllkörperelementen
oder einer Reihe von vertikal beabstandeten Böden oder Trennstufen, die in
der Säule,
der Zone bzw. den Zonen angebracht sind. Eine Rektifikationssäule kann
mehrere Zonen in separaten Behältern
umfassen, damit man nicht mit einem einzigen Behälter übermäßiger Höhe arbeiten muß. So ist
es beispielsweise bekannt, in einer Argonrektifikationssäule eine
Packungshöhe
zu verwenden, die 200 theoretischen Trennstufen gleichkommt. Wäre die gesamte
Packung in einem einzigen Behälter
untergebracht, so hätte
dieser Behälter in
der Regel eine Höhe
von mehr als 50 Meter. Es ist daher offensichtlich wünschenswert,
die Argonrektifikationssäule
in zwei separaten Behältern
zu konstruieren, damit man nicht mit einem einzigen, außergewöhnlich hohen
Behälter
arbeiten muß.
Das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglichen
die Abtrennung eines zweiten Sauerstoffprodukts, das in der Regel
insgesamt höchstens
100 Vol.-ppb Verunreinigungen enthält. Gegebenenfalls kann der
Anteil des Sauerstoffprodukts, das in hochreiner Form entnommen
werden kann, größer als
bei dem Verfahren gemäß US-A-5 049
173 sein. Des weiteren sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
nicht so anfällig
für einen
Rückgang
der Sauerstoffrückgewinnung
mit zunehmender Sauerstoffproduktion oder zunehmendem Bedarf an
flüssigen
Produkten wie das Verfahren und die Vorrichtung gemäß US-A-5
049 173. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Dampf/Flüssigkeits-Beladung
in der Seitensäule für einen
gegebenen eintretenden Luftstrom bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
geringer ist als bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß US-A-5
049 173. Vorteilhaft ist ferner, daß der Dampfstrom durch die
Seitensäule
in der Regel weniger als halb so groß ist wie derjenige in der
entsprechenden Säule
des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß US-A-5 049 173 und die Zahl
der in dieser Säule
eingesetzten theoretischen Trennstufen in Regel weniger als ein
Drittel beträgt.
Allerdings nimmt die Höhe
der Niederdruck-Rektifikationssäule
durch die Notwendigkeit des Füllkörper-Argonstrippteils
zu.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
werden nun anhand der beigefügten
Zeichnung, bei der es sich um ein schematisches Fließbild einer
Anordnung von Rektifikationssäulen,
die Teil einer Luftzerlegungsanlage ist, handelt, beispielhaft beschrieben.
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Die Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnung
wird ein Strom druckbeaufschlagter, gereinigter, dampfförmiger Luft
bei ungefähr
ihrer Sättigungstemperatur durch
einen Einlaß 4
einer Hochdruck-Rektifikationssäule
2 zugeführt.
Der Einlaß 4
befindet sich unterhalb von allen Böden oder anderen Flüssigkeit-Dampf-Kontakteinrichtungen
6 in der Säule
2. Der Luftstrom wird in der Regel auf an sich gut bekannte Art
und Weise gebildet, d. h. er wird verdichtet, durch Adsorption von
Wasserdampf- und Kohlendioxidverunreinigungem daraus gereinigt und
dann durch indirekten Wärmeaustausch
mit Rückführungsströmen aus
der nachstehend beschriebenen Säulenanordnung
abgekühlt.
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Die Hochdruck-Rektifikationssäule 2 weist einen
zweiten Einlaß 8
auf einer Höhe,
die über
einigen Flüssigkeit-Dampf-Kontakteinrichtungen
6 in der Säule
2, aber unter anderen liegt. Die Bildung des flüssigen Luftstrom erfolgt in
der Regel durch Verflüssigung
eines Stroms gereinigter Luft, der in der Regel der gleichen Quelle
entnommen wird wie der über den
Einlaß 4
in die Säule
2 eintretende Luftstrom. Die Luft kann auf an sich gut bekannte
Art und Weise verflüssigt
werden.
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In der Hochdruck-Rektifikationssäule 2 wird die
Luft in eine Stickstoffdampffraktion und eine sauerstoffangereicherte
Flüssigluftfraktion
zerlegt. Der Druck am Kopf der Hochdruck-Rektifikationssäule liegt
in der Regel im Bereich von 4 bis 6 bar.
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Stickstoffdampf strömt vom Kopf
der Hochdruck-Rektifikationssäule 2 in
einen Kondensator-Verdampfer 10 und wird darin kondensiert. Ein Teil
des Kondensats wird als Rücklauf
in die Hochdruck-Rektifikationssäule
2 zurückgeführt. Ein
anderer Teil strömt
durch ein Joule-Thomson- oder Drosselventil 12 und gelangt über einen
Einlaß 16
in einem Kopfbereich einer Niederdruck-Rektifikationssäule 14 in diese Säule. So
wird Flüssigstickstoffrücklauf für die Niederdruck-Rektifikationssäule 14 bereitgestellt.
Ein Strom sauerstoffangereicherter Flüssigkeit wird aus der Hochdruck-Rektifikationssäule 2 über einen
Auslaß 18
abgezogen. Der Strom sauerstoffangereicherter Flüssigkeit wird geteilt. Ein Teil
geht durch ein Joule-Thomson- oder Drosselventil 20 und wird über einen
auf einem oberen Niveau der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 angeordneten Einlaß 22 der
Niederdruck-Rektifikationssäule
14 zugeführt.
Es gibt einen Teil 24 mit Füllkörpern oder anderen
Flüssigkeit-Dampf-Kontakteinrichtungen, der
sich von gerade oberhalb des Einlasses 22 bis in die Nähe des Kopfes
der Niederdruck-Rektifikationssäule
14 erstreckt. Der andere Teil des Stroms der sauerstoffangereicherten
flüssigen
Luft strömt
durch ein Joule-Thomson- oder Drosselventil 26 in einen Behälter 28,
in dem ein weiterer Kondensator-Verdampfer 30 untergebracht ist.
Die sauerstoffangereicherte flüssige
Luft wird in dem Kondensator-Verdampfer 30 in der Regel vollständig verdampft.
Der resultierende Dampf strömt über einen
Einlaß 32
auf einer unter der Höhe
des Einlasses 22 liegenden Höhe
in die Niederdruck-Rektifikationssäule 14. Es gibt einen Zwischenteil
34 mit Füllkörpern oder
anderen Flüssigkeit-Dampf-Kontakteinrichtungen,
der sich von gerade oberhalb des Einlasses 32 bis gerade unterhalb
des Einlasses 22 erstreckt.
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In der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 gibt
es einen weiteren Zwischenteil 36 mit Füllkörpern oder anderen Flüssigkeit-Dampf-Kontakteinrichtungen,
der sich von gerade unterhalb des Einlasses 32 bis gerade oberhalb
eines Auslasses 38 der Säule
14 für
ein dampfförmiges
Sauerstoffprodukt, das in der Regel 99,5 Vol.-% Sauerstoff enthält, erstreckt.
In der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 gibt
es einen Sumpfteil 40 mit Füllkörpern. Der
Teil 40 erstreckt sich von gerade unterhalb des Auslasses 38 bis
etwas oberhalb der Spitze des Verdampfer-Kondensators 10 (der im
Sumpf der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 untergebracht ist).
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Die Niederdruck-Rektifikationssäule 14 weist drei
weitere Auslässe
auf. Erstens gibt es einen Auslaß 42 für Stickstoffdampf am Kopf der
Niederdruck-Rektifikationssäule 14.
Zweitens gibt es einen Auslaß 44
für verdampften
flüssigen
Sauerstoff vom Kondensator-Verdampfer 10. Drittens gibt es einen Auslaß 46 aus
dem Sumpf der Niederdruck-Rektifikationssäule 14,
durch den ein Ablaßstrom
aus dem Verfahren ausgeschleust werden kann.
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Die Niederdruck-Rektifikationssäule 14 wird in
der Regel bei einem Druck (am Kopf) im Bereich von 1 bis 1,5 bar
betrieben. Die durch die Einlässe
22 und 32 in die Säule
14 eingeleitete sauerstoffangereicherte Luft wird darin zerlegt
. Am Kopf der Säule
14 wird über
den Auslaß 42
ein Stickstoffstrom abgezogen. Gegebenenfalls kann dieser Stickstoffstrom
42 zum Unterkühlen
der Ströme
von flüssigem
Stickstoff und sauerstoffangereicherter flüssiger Luft aus der Hochdruck-Rektifikationssäule 2 in
einem oder mehreren (nicht gezeigten) Wärmetauschern verwendet werden.
Wird eine derartige Unterkühlung
durchgeführt,
so erfolgt sie vor dem Durchgang der Flüssigkeitsströme durch
ihre jeweiligen Joule-Thomson-Ventile. Aus der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 wird über Auslaß 38 ein
Hauptsauerstoffprodukt und erstes Sauerstoffprodukt mit 99,5 Vol.-%
Sauerstoff abgezogen. Dieses Hauptsauerstoffprodukt enthält weniger
als 0,5 Vol.-% Argon.
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Im Abschnitt 40 in der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 werden
Argon und jede andere Verunreinigung mit größerer Flüchtigkeit als Sauerstoff aus der
in den Säulen
14 nach unten strömenden
Flüssigkeit
ausgestrippt. Der Teil 40 ist in der Regel so ausgeführt, daß er 20
bis 30 theoretische Böden
aufweist. Demgemäß enthält die vom
Boden des Teil's 40
kommende Flüssigkeit
weniger als 1 Vol.-ppm und in der Regel weniger als 5 Vol.-ppb Argonverunreinigungen.
Der größte Teil
dieser Flüssigkeit
wird im Verdampfer-Kondensator
10 verdampft, wodurch die notwendige Kühlung für die darin stattfindende Kondensation
von flüssigem
Stickstoff geliefert wird. Aus der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 strömt ein resultierender
Sauerstoffdampfstrom mit weniger als 1 Vol.-ppm und in der Regel
weniger als 10 Vol.-ppb Argon über
Auslaß 44
aus.
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Der Sauerstoffstrom durch den Auslaß 44 ist in
der Regel im Vergleich mit demjenigen durch Auslaß 38 verhältnismäßig klein.
Gegebenenfalls können jedoch
bis zu 40% des über
die Auslässe
38 und 44 abgezogenen gesamten Sauerstoffprodukts durch den Auslaß 44 strömen. Da über den
Auslaß 38
Sauerstoff in dampfförmigem
Zustand abgezogen wird, können
im Teil 40 verhältnismäßig hohe
Rücklaufverhältnisse
aufrechterhalten werden, wodurch das Ausstrippen der Argonverunreinigungen
aus der Flüssigkeit
erleichtert wird. Würde
das Hauptsauerstoffprodukt in flüssigem
Zustand aus der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 abgezogen, so müßte man
die Zahl der theoretischen Trennstufen im Teil 40 wesentlich erhöhen oder
den durch den Auslaß 44
strömenden
Anteil an Sauerstoffprodukt wesentlich verringern.
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Der Strom von im wesentlichen argonfreiem Sauerstoff
durch Auslaß 44
gelangt über
einen Einlaß 50
in einem Sumpfbereich einer Seitenrektifikationssäule 48 in
diese Säule
48. Die Seitenrektifikationssäule
48 enthält
einen einzigen Teil 52 mit Füllkörpern oder
anderen Flüssigkeit-Dampf-Kontakteinrichtungen.
In der Seitensäule
48 werden aus dem argonfreien Sauerstoffdampf diejenigen Verunreinigungen
absorbiert, die eine geringere Flüchtigkeit als Sauerstoff aufweisen.
Die wichtigste dieser Verunreinigungen ist in der Regel Methan.
Daneben liegen üblicherweise
auch noch Krypton und Xenon als weniger flüchtige Verunreinigungen vor.
Der Druck am Kopf der Seitenrektifikationssäule 48 liegt in der Regel im
Bereich von 1 bis 1,5 bar. In diesem Druckbereich ist der Teil 52
normalerweise so ausgeführt,
daß er
10 bis 20 theoretische Trennstufen aufweist. Der Dampf am Kopf der
Säule,
aus dem die weniger flüchtigen
Verunreinigungen absorbiert worden sind, enthält weniger als 1 Vol.-ppm und
vorzugsweise wesentlich weniger als 10 Vol.-ppb dieser weniger flüchtigen
Verunreinigungen. Das Gesamtvolumen an Verunreinigungen im Dampf
am Kopf der Seitensäule beläuft sich
vorzugsweise auf weniger als 10 Vol.-ppb. Ein Strom dieses Dampfs
strömt
durch den Kondensator-Verdampfer 30 und wird dadurch kondensiert.
Ein Teil des Kondensats wird als zweites (ultra)hochreines flüssiges Sauerstoffprodukt
durch einen Auslaß 54
entnommen. Der Rest wird als Rücklauf
in die Seitensäule
zurückgeführt. In
der Regel ist der Strom von argonfreiem gasförmigem Sauerstoff in den Einlaß 50 der
Seitenrektifikationssäule
48 etwa 1,5mal so groß wie
der Strom von ultrahochreinem flüssigem
Sauerstoffprodukt durch den Auslaß 54. Ein Strom von flüssigem Sauerstoff
mit erhöhtem Gehalt
an weniger flüchtigen
Verunreinigungen einschließlich
Methan wird über
eine Leitung 56 vom Sumpf der Seitenrektifikationssäule 48 in
den Sumpf der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 zurückgeführt. Durch den aus der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 über den
Auslaß 46
abgezogenen Ablaßstrom
werden weniger füchtige
Verunreinigungen aus dem Verfahren ausgeschleust. Gegebenenfalls kann
der Ablaßstrom
mit dem Hauptsauerstoffproduktstrom vermischt werden. Man kann aber
auch den Ablaßstrom
aus dem aus der Seitenrektifikationssäule 48 in die Niederdruck-Rektifikationssäule 14 zurückgeführten flüssigen Sauerstoff
entnehmen.
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An dem unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
beschriebenen Verfahren und der unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
beschriebenen Vorrichtung können
verschiedene Modifikationen vorgenommen werden. Wenn es lediglich
gefordert ist, daß das
durch den Auslaß 44
aus der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 abgezogene Sauerstoffprodukt
argonfrei ist, so kann man die Seitenrektifikationssäule 48 weglassen.
In diesem Fall tritt der gesamte sauerstoffangereicherte Flüssigluftstrom
aus dem Sumpf der Hochdruck-Rektifikationssäule 2 in flüssigem Zustand
in die Niederdruck-Rektifikationssäule 14 ein (sofern kein Argonprodukt
produziert wurde; in diesem Fall kann ein Teil dieses Stroms zum
Kondensieren des Argonprodukts verwendet werden). Es ist auch möglich, wenngleich
nicht bevorzugt, Methanverunreinigungen aus dem argonfreien Sauerstoffstrom
nicht mit Hilfe der Rektifikationssäule 48, sondern durch katalytische
Oxidation und anschließende
Adsorption des anfallenden Kohlendioxids zu entfernen. Bei einer
anderen Modifikation kann man in der von der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 zur
Seitenrektifikationssäule
48 führenden
Leitung ein (nicht gezeigtes) Drosselventil einsetzen. Eine weitere
Modifikation besteht darin, zur Kühlung des Kondensator-Verdampfers
30 eine andere Flüssigkeit
als sauerstoffangereicherte flüssige Luft
zu verwenden.
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Bei noch einer weiteren Modifikation
wird im wesentlichen argonfreier Sauerstoff aus der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 in
flüssigem
Zustand abgezogen. In diesem Fall kann die Seitenrektifikationssäule 48 bei
dem gleichen, einem höheren
oder einem niedrigeren Druck als die Niederdruck-Rektifikationssäule 19 arbeiten. Ist ein höherer Betriebsdruck
gefordert, so kann man zum Transfer der Flüssigkeit eine Pumpe oder eine
Flüssigkeitsdruckhöhe verwenden.
Ist ein niedrigerer Betriebsdruck gefordert, so kann man die Flüssigkeit
vor ihrem Eintritt in die Seitenrektifikationssäule 48 drosseln. Wenn die Seitenrektifikationssäule 48 keinen
flüssigen
Einsatz empfängt,
ist sie in ihrem Sumpfbereich mit einem (nicht gezeigten) Verdampfer
versehen, damit der notwendige Dampfstrom durch die Säule nach
oben erzeugt wird. Des weiteren wird es bei Verwendung eines flüssigen Einsatzes
für die
Seitenrektifikationssäule
48 zweckmäßig, den
Ablaßstrom
nicht aus dem Sumpf der Niederdruck-Rektifikationssäule 14,
sondern direkt aus dem Sumpf der Säule 48 zu, entnehmen. Der (nicht
gezeigte) Verdampfer im Sumpf der Seitenrektifikationssäule kann
durch das gleiche Fluid, das zur Kühlung des Kondensators 30 verwendet wird,
oder ein anderes Fluid angewärmt
werden.
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Neben den obigen Modifikationen kann
man die Niederdruck-Rektifikationssäule 14 auf herkömmlcihe
Art und Weise zur Bereitstellung eines argonangereicherten Einsatzes
für eine
oder mehrere (nicht gezigte) Rektifikationssäulen verwenden, die ein Argonprodukt
produzieren und/oder neben der aus der Hochdruck-Rektifikationssäule 2 gelieferten sauerstoffangereicherten
flüssigen
Luft entweder einen Strom flüssiger
Luft, der in der Regel der gleichen Quelle entnommen wird, die den
Einlaß 8
zur Hochdruck-Rektifikationssäule 2 speist,
oder einen Sauerstoff und Stickstoff enthaltenden Flüssigkeitsstrom,
dessen Sauerstoffkonzentration unter derjenigen der sauerstoffangereicherten
flüssigen
Luft liegt und der einer Zwischenhöhe der Hochdruck-Rektifikationssäule 2 entommen
wird, abtrennen.
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Neben den oben beschriebenen Modifikationen
kann man in der Niederdruck-Rektifikationssäule 14 zwischen der Spitze
des Kondensator-Verdampfers 10 und der Höhe, in der der argonfreie Sauerstoff aus
der Säule
14 entnommen wird, einen weiteren Teil mit Füllkörpern oder anderen Flüssigkeit-Dampf-Kontakteinrichtungen
anordnen. Ein derartiger weiterer Teil ist in der Regel so ausgelegt,
daß er
nur einen oder zwei theoretische Böden liefert, aber trotzdem
den Gehalt an Methan und anderen weniger flüchtigen („schweren") Verunreinigungen in dem argonfreien
Sauerstoff verringert. Eine derartige Modifikation kann besonders
nützlich
sein, wenn man keine Seitenrektifikationssäule einsetzen will.
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Bei den in den Säulen verwendeten Füllkörpern kann
es sich um eine beliebige Art von Füllkörpern handeln, die (im Vergleich
mit Siebplatten) einen verhältnismäßig geringen
Druckverlust pro theoretischen Boden aufweist.