DE69723906T2 - Lufttrennung - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise wird aus der Niederdruck-Rektifikationssäule und/oder der Seitensäule ein Strom von Verunreinigungen mit geringerer Flüchtigkeit als Sauerstoff enthaltender Flüssigkeit ausgeschleust.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Abtrennung eines ersten Sauerstoffprodukts mit weniger als 3,5 Vol.-% Argon-verunreinigungen 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 Seiterektifikationssäule 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man den zweiten Sauerstoffstrom in flüssigem Zustand aus der Niederdruck-Rektifikationssäule abzieht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem, man aus der Seitenrektifikationssäule einen Verunreinigungen mit geringerer Flüchtigkeit als Sauerstoff enthaltenden Flüssigkeitsstrom abläßt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man aus der Niederdruck-Rektifikationssäule einen Verunreinigungen mit geringerer Flüchtigkeit als Sauerstoff enthaltenden Flüssigkeitsstrom abläßt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich unterhalb der Stelle in der Niederdruck-Rektifikationssäule, an der der zweite Sauerstoffstrom abgezogen wird, keine Dampf-Flüssigkeit-Stoffaustauscheinrichtungen befinden.
  6. 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 (12) zur derartigen Fraktionierung eines Luftstroms, daß sich eine dampfförmige Stickstoffkopffraktion und eine sauerstoffangereicherte flüssige Sumpffraktion bildet, einer Niederdruck-Rektifikationssäule (14) zum Trennen eines Stroms der Sumpffraktion, einem Kondensator-Verdampfer (10) zum Kondensieren eines Stroms der dampfförmigen Stickstofffraktion durch indirekten Wärmeaustausch mit einer in der Niederdruck-Rektifikationssäule (14) abgetrennten flüssigen Sauerstofffraktion, wobei der Kondensator-Verdampfer (10) so angeordnet ist, daß er im Betrieb einen durch die Niederdruck-Rektifikationssäule (14) nach oben strömenden Dampfstrom und einen Strom der kondensierten dampfförmigen Stickstofffraktion als Rücklauf für die Hochdruck-Fraktionierungssäule (2) liefert, einem Einlaß in die Hochdruck-Fraktionierungssäule (2) für den Rücklauf, der zwecks Zufuhr eines Stroms der kondensierten dampfförmigen Stickstofffraktion als Rücklauf in die Niederdruck-Rektifikationssäule (14) direkt oder indirekt mit der Niederdruck-Rektifikationssäule (14) in Verbindung steht, einem ersten Auslaß (38) für das erste Sauerstoffprodukt aus einem Zwischenbereich der Niederdruck-Rektifikationssäule (2), einem Füllkörperteil (40) in der Niederdruck-Rektifikationssäule (2), 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 (44) für einen zweiten Sauerstoffstrom mit weniger als 100 Vol.-ppm Argonverunreinigungen, der mit dem Sumpf des Füllkörperteils (40) in Verbindung steht, wobei die Kondensationspassagen des Kondensator-Verdampfers (10) an ihrem Einlaßende mit einer einzigen Heizflüssigkeitsquelle in Verbindung stehen, bei welcher es sich um einen Sumpfbereich der Niederdruck-Rektifikationssäule (2) handelt, und der zweite Auslaß (44) mit einer Seitenrektifikationssäule (48) zum Abtrennen von Verunreinigungen mit geringerer Flüchtigkeit als Sauerstoff in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf der Seitenrektifikationssäule (48) mit einem Kondensator (30) mit einem Auslaß für entstehenden kondensierten Kopfdampf assoziiert ist, wobei der Auslaß des Kondensators (30) mit einem Auslaß (54) aus der Vorrichtung für das zweite hochreine Sauerstoffprodukt und einem Einlaß in die Seitenrektifikationssäule. (48) für Rücklauf in Verbindung steht.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der mit der Seitenrektifikationssäule (48) ein Verdampfer assoziiert ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Seitenrektifikationssäule (48) einen Auslaß (46) zum Ablassen eines Verunreinigungen mit geringerer Flüchtigkeit als Sauerstoff enthaltenden Flüssigkeitsstroms aus der Vorrichtung aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Niederdruck-Rektifikationssäule (14) einen Auslaß (46) zum Ablassen eines Verunreinigungen mit geringerer Flüchtigkeit als Sauerstoff enthaltenden Flüssigkeitsstroms aus der Vorrichtung aufweist.
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