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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftzerlegung mit den im Oberbegriff
von Anspruch 1 bzw. Anspruch 7 angegebenen Merkmalen. Ein derartiges
Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist aus der US-A-S 469 710
bekannt.
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Die Zerlegung von Luft durch Rektifikation (bei
kryogenen Temperaturen) ist gut bekannt. Dabei erfolgt die Luftzerlegung
in der Regel in einer Doppelrektifikationssäule mit einer Hochdruck-Rektifikationssäule, einer
Niederdruck-Rektifikationssäule und einem
Kondensator-Verdampfer, der die Hochdruck-Rektifikationssäule mit
der Niederdruck-Rektifikationssäule
in Wärmeaustauschbeziehung
bringt. Bei einer derartigen Anordnung kann aus einem Sumpfbereich
der Niederdruck-Rektifikationssäule ein
Sauerstoffprodukt abgezogen werden. Außerdem wird in der Regel am
Kopf der Niederdruck-Rektifikationssäule ein Stickstoffprodukt entnommen.
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Normalerweise kann man durch Rektifikation der
Luft in einer Doppelrektifikationssäule eine verhältnismäßig hohe
Sauerstoffausbeute oder -rückgewinnung
erzielen. Die Sauerstoffrückgewinnung kann
jedoch aufgrund von verschiedenen, an die Zerlegung gestellten Anforderungen
fallen. Derartige Anforderungen sind u. a. die Produktion von flüssigen Produkten
in einer Menge von mehr als 5% der Gesamtsauerstoffproduktion, wenn
die Kälte
bei dem Verfahren durch Turboexpansion von Luft in die Niederdruck-Rektifikationssäule bereitgestellt
wird, eine Forderung nach einem flüssigen Stickstoffprodukt und
eine Forderung nach einem gasförmigen
Stickstoffprodukt nicht nur aus der Niederdruck-Rektifikationssäule, sondern
auch aus der Hochdruck-Rektifikationssäule. Die an das Zerlegungsverfahren
gestellten Anforderungen nehmen zu, wenn durch Abziehen eines Argon
enthaltenden Sauerstoff stroms aus der Niederdruck-Rektifikationssäule und
Abtrennung von Argon daraus in einer Seitenrektifikationssäule ein
Argonprodukt gewonnen wird. Ferner kann sich bei der Gewinnung eines
Argonprodukts aus der Hochdruck-Rektifikationssäule die gleichzeitige Gewinnung
eines Stickstoffprodukts aus der Hochdruck-Rektifikationssäule oder die gleichzeitige
Produktion verhältnismäßig großer Anteile
an flüssigen Produkten
drastisch auf die Argonrückgewinnung auswirken.
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Die
US-PS
5 469 710 betrifft ein Luftzerlegungsverfahren unter Verwendung
einer Doppelrektifikationssäule
und einer Seitensäule,
in der ein Argonprodukt produziert wird, bei dem man aus dem Sumpf
der Hochdruck-Rektifikationssäule
mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit
abzieht, durch ein Drosselventil in einen Kondensator leitet, in
welchem Argon kondensiert wird, wodurch die mit Sauerstoff angereicherte
Flüssigkeit
verdampft, und einen Strom des erhaltenen Dampfs unter Leistung äußerer Arbeit
entspannt und der Niederdruck-Rektifikationssäule zuführt. Eine derartige Anordnung
ist insofern vorteilhaft, als sie einen brauchbaren Weg zur Bereitstellung
zusätzlicher
Kälte für die Zerlegung darstellt
und somit die Flexibilität
des Verfahrens hinsichtlich der Fähigkeit, flüssige Produkte ohne unannehmbare
Rückgewinnungswerte
oder unannehmbaren Energieverbrauch bereitzustellen, erhöht. Das Verfahren
wird jedoch dadurch eingeschränkt,
daß der
Argonkondensator bei einem Druck von weniger als 2 bar betrieben
werden muß,
damit sich die für
die Kondensation von Argon notwendige Temperaturdifferenz ergibt;
daher ist die Kältemenge,
die durch Entspannung auf den Druck der Niederdruck-Rektifikationssäule erzeugt
werden kann, streng begrenzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen,
das bzw. die eine Verbesserung der Sauerstoffrückgewinnung und gegebenenfalls
der Argonrückgewinnung
ermöglicht.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist ein Verfahren zur Zerlegung von Luft in einer Doppelrektifikationssäule mit
einer Hochdruck-Rektifikationssäule, einer
Niederdruck-Rektifikationssäule und einem
Kondensator-Verdampfer, der die Hochdruck-Rektifikationssäule mit
der Niederdruck-Rektifikationssäule
in Wärmeaustauschbeziehung
bringt, bei dem man der Doppelrektifikationssäule mindestens einen Luftstrom
zuführt,
einen Strom von auf Druck gebrachter, Sauerstoff und Stickstoff
enthaltender Flüssigkeit
einer Druckminderung unterwirft und teilweise oder vollständig verdampft
und aus der Niederdruck-Rektifikationssäule ein
Sauerstoffprodukt abzieht, wobei man den Strom von auf Druck gebrachter,
Sauerstoff und Stickstoff enthaltender Flüssigkeit der Hochdruck-Rektifikationssäule entnimmt und/oder
es sich dabei um einen Strom von Luft, der in indirektem Wärmeaustausch
mit einem oder mehreren, der Doppelrektifikationssäule entnommenen Flüssigkeitsströmen verflüssigt oder
kondensiert wird, handelt, dadurch gekennzeichnet, daß man einen
Strom des bei der teilweisen oder vollständigen Verdampfung erhaltenen
Dampfs bei kryogener Temperatur verdichtet und der Hochdruck-Rektifikationssäule zuführt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist auch eine Vorrichtung zur Zerlegung von Luft, enthaltend eine
Doppelrektifikationssäule
mit einer Hochdruck-Rektifikationssäule, einer
Niederdruck-Rektifikationssäule und
einem Kondensator-Verdampfer, der die Hochdruck-Rektifikationssäule mit
der Niederdruck-Rektifikationssäule
in indirekte Wärmeaustauschbeziehung
bringt; mindestens einen Einlaß in die
Doppelrektifikationssäule
für mindestens
einen zu zerlegenden Luftstrom; einen Verdampfer-Kondensator mit
Verdampfungspassagen, die über
eine Druckminderungseinrichtung mit einer Quelle von auf Druck gebrachter,
Sauerstoff und Stickstoff enthaltender, teilweise oder vollständig zu
verdampfender Flüssigkeit
in Verbindung stehen, wobei es sich bei dieser Quelle entweder um
die Hochdruck-Rektifikationssäule und/oder
einen Strom von Luft, der in indirektem Wärmeaustausch mit einem oder
mehreren, der Doppelrektifikationssäule im Betrieb entnommenen
Flüssigkeitsströmen verflüssigt oder
kondensiert wird, handelt; und einen Auslaß für Sauerstoffprodukt aus der
Niederdruck-Rektifikationssäule,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung ferner einen Tieftemperaturverdichter mit einem mit
einem Auslafl für
verdampfte auf Druck gebrachte Flüssigkeit aus dem Verdampfer-Kondensator
in Verbindung stehenden Einlaß und
einem mit der Hochdruck-Rektifikationssäule in Verbindung stehenden
Auslaß umfaßt.
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Der Strom von auf Druck gebrachter,
Sauerstoff und Stickstoff enthaltender Flüssigkeit wird vorzugsweise
bei einem Druck bereitgestellt, der nicht unter dem Betriebsdruck
der Hochdruck-Rektifikationssäule
liegt; vorzugsweise wird er bei dem Betriebsdruck der Hochdruck-Rektifikationssäule bereitgestellt
und kann daraus entnommen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglichen
die Verarbeitung von mehr Dampf in der Hochdrcuk-Rektifikationssäule, wodurch mehr Flüssigstickstoff-Rücklauf für die Niederdruck-Rektifikationssäule bereitgestellt
und die Sauerstoffrückgewinnung
und gegebenenfalls die Argonrückgewinnung
erhöht
wird und gleichzeitig eine verhältnismäßig große Stickstoffmenge
als Produkt der Niederdruck-Rektifikationssäule in dampfförmigem oder
flüssigem
Zustand entnommen werden kann. Diese Vorteile werden im Vergleich
mit einer Anordnung erhalten, in der der auf Druck gebrachte Flüssigkeitsstrom
der Hochdruck-Rektifikationssäule zugeführt oder
erst gar nicht daraus entnommen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
vermeiden auch den thermodynamischen Verlust von Arbeit, der mit
dem für konventionelle
Recyclierungsverfahren charakeristischen Wiederanwärmen eines
aus den Rektifikationssäulen
entnommenen Fluidstroms auf Umgebungstemperatur und Wiederabkühlen dieses Stroms
auf eine kryogene Temperatur einhergeht.
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Vorzugsweise wird ein anderer Strom
des erhaltenen Dampfs in einer Turbine entspannt und der Niederdruck-Rektifikationssäule zugeführt. Somit weist
die Entspannungsturbine einen mit einem Auslaß für verdampfte auf Druck gebrachte
Flüssigkeit aus
dem Verdampfer-Kondensator in Verbindung stehenden Einlaß und einen
mit der Niederdruck-Rektifikationssäule in Verbindung stehenden Auslafl
auf. Mit einer derartigen bevorzugten Anordnung kann man gewünschtenfalls
die oben beschriebenen Vorteile ohne zusätzlichen Kältebedarf und somit ohne zusätzlichen
Energieverbrauch erzielen. So können
beispielsweise der Tieftemperaturverdichter und die Entspannungsturbine
auf derselben Welle montiert und so angeordnet sein, daß die durch
die Entspannung erzeugte Kälte
die über
den Verdichter zugeführte
Arbeit genau ausgleichen kann. Alternativ dazu können der Verdichter und die
Entspannungsturbine separate Wellen aufweisen, oder die Entspannungsturbine
kann ferner an eine Wärmeableiteinrichtung,
wie eine Bremse, oder einen Motor oder einen Stromgenerator gekoppelt
sein. Wenn die Entspannungsturbine mehr Energie erzeugen würde als
von dem Verdichter verbraucht wird, ergäbe sich eine Nettokälteproduktion,
was die Produktion von mehr Flüssigkeit
oder die Bildung von mehr Hochdruck-Stickstoffgasprodukt oder eine Verringerung des
Gesamtenergieverbrauchs ermöglichen
würde. Wenn
der Tieftemperaturverdichter mehr Energie verbrauchen würde als
von der Entspannungsturbine erzeugt wird, würde durch Verarbeitung von
mehr Dampf in der Hochdruck-Rektifikationssäule mehr Rücklauf für die Niederdruck-Rektifikationssäule produziert,
aber auf Kosten eines größeren Kältebedarfs zum
Ausgleich der zusätzlichen
Energiezufuhr zum Tieftemperaturverdichter, so daß der Gesamtenergieverbrauch
zunehmen würde.
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Es ist daher einzusehen, daß diese
bevorzugten Beispiele für
das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
besonders flexibel sind, insbesondere wenn man einen Strom von Argon
enthaltendem Sauerstoff aus der Niederdruck-Rektifikationssäule entnimmt und in der Seitenrektifikationssäule zerlegt,
und einen Tausch zwischen elektrischer Energie, Argon und Stickstoff je
nach Bedarf ermöglicht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann eine herkömmliche
Doppelrektifikationssäule
zum Einsatz kommen, d. h. im Kondensator-Verdampfer wird eine in
der Niederdruck-Rektifikationssäule abgetrennte Sumpfflüssigkeitsfraktion
verdampft, und zwar durch indirekten Wärmeaustausch mit einer Stickstoffdampffraktion,
die in der Hochdruck-Rektifikationssäule abgetrennt wird. In derartigen
Beispielen wird der bei kryogener Temperatur verdichtete Dampfstrom
vorzugsweise der Hochdruck-Rektifikationssäule zugeführt. In diesen Beispielen erfolgt
die teilweise oder vollständige
Verdampfung des Stroms von auf Druck gebrachter Flüssigkeit
vorzugsweise bei einem Druck von mehr als 2 bar in einem Verdampfer-Kondensator,
welcher von jeglichem Kondensator, in dem argonreicher Dampf mit
mindestens 90 Molprozent Argon kondensiert wird, getrennt ist.
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Bei dem Strom von auf Druck gebrachter Flüssigkeit
handelt es sich vorzugsweise um eine aus einem Sumpfbereich der
Hochdruck-Rektifikationssäule
abgezogene, mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit. Bei einem Druck im
Sumpf der Niederdruck-Rektifikationssäule in der
Größenordnung
von 1,4 bar kann die auf Druck gebrachte Flüssigkeit in der Regel bei einem
Druck von etwa 2,6 bar teilweise verdampft werden. Einen höheren Verdampfungsdruck
kann man erzielen, wenn es sich bei dem Strom von auf Druck gebrachter
Flüssigkeit
um einen aus einem Stoffaustauschzwischenbereich der Hochdruck-Rektifikationssäule abgezogenen
Flüssigkeitsstrom,
der in der Regel 20 bis 22 Molprozent Sauerstoff enthält, oder
um einen Strom von Luft, der in indirektem Wärmeaustausch mit einem oder
mehreren, der Doppelrektifikationssäule entnommenen Flüssigkeitsströmen verflüssigt oder
kondensiert wird, handelt. Man kann auch eine auf Druck gebrachte
Flüssigkeit
verwenden, bei der es sich um ein Gemisch von Flüssigkeiten aus zwei oder mehr
der Quellen handelt, beispielsweise ein Gemisch aus einem aus einem
Sumpfbereich der Hochdruck-Rektifikationssäule abgezogenen, mit Sauerstoff
angereicherten Flüssigkeitsstrom
und einem aus einem Stoffaustauschzwischenbereich der Hochdruck-Rektifikationssäule abgezogenen
Flüssigkeitsstrom
handeln.
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Wenn das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
keine zusätzliche Abtrennung
eines Argonprodukts beinhalten, erfolgt die teilweise oder vollständige Verdampfung
vorzugsweise durch indirekten Wärmeaustausch
mit einem in der Hochdruck-Rektifikationssäule abgetrennten Stickstoffstrom,
der dadurch kondensiert. Der erhaltene flüssige Stickstoff kann als Produkt entnommen
oder als Rücklauf
in der Doppelrektifikationssäule
zur Ersetzung von daraus entnommenem Flüssigstickstoffprodukt oder
aus der Hochdruck-Rektifikationssäule entnommenem gasförmigem Stickstoff
verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
sind auch von Nutzen wenn die Doppelrektifikationssäule mehrere
Verdampfer aufweist.
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In einer derartigen Anordnung wird
im Kondensator-Verdampfer
eine in der Niederdruck-Rektifikationssäule abgetrennte Zwischenfraktion
durch indirekten Wärmeaustausch
mit einem in der Hochdruck-Rektifikationssäule abgetrennten
Stickstoffstrom verdampft.
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Eine Sumpfflüssigkeitsfraktion wird von
einem zusätzlichen
Kondensator-Verdampfer durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Strom
von dampfförmiger
Luft verdampft, wodurch der Strom von dampfförmiger Luft teilweise oder
vollständig kondensiert.
Gegebenenfalls kann man als Strom von auf Druck gebrachter Flüssigkeit
einen Kondensatstrom verwenden. Wenn die Doppelrektifikationssäule mehrere
Verdampfer aufweist, kann die teilweise oder vollständige Verdampfung
des Stroms von auf Druck gebrachter Flüssigkeit bei einem Druck von weniger
als 2 bar durchgeführt
werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
sind nichtsdestotrotz besonders gut zur Verwendung geeignet, wenn
ein Argonprodukt abzutrennen ist, beispielsweise indem man aus einem
Stoffaustauschzwischenbereich der Niederdruck-Rektifikationssäule einen dampfförmigen Sauerstoffstrom,
der in der Regel Argon in einer Menge im Bereich von 5 bis 15 Vol.-%
enthält,
abzieht und in einer Seitenrektifikationssäule zerlegt. In derartigen
Beispielen für
das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann die teilweise oder vollständige
Verdampfung durch indirekten Wärmeaustausch
mit einem der Hochdruck-Rektifikationssäule entnommenen Stickstoffstrom
durchgeführt
werden. Vorzugsweise wird die teilweise oder vollständige Verdampfung
jedoch durch indirekten Wärmeaustausch
des Stroms von auf Druck gebrachter Flüssigkeit mit einem oder mehreren
der folgenden Ströme
durchgeführt:
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- a) einem aus demselben Bereich der Niederdruck- Rektifikationssäule, aus
dem der argonhaltige Sauerstoffdampfstrom zur Zerlegung in der Seitensäule abgezogen
wird, abgezogenen Dampfstrom;
- b) einem aus einem oberhalb des Bereichs, aus dem der argonhaltige
Sauerstoffdampfstrom zur Zerlegung in der Seitensäule abgezogen
wird, aber unterhalb des Bereichs, in dem der Niederdruck-Rektifikationssäule mit
Sauerstoff angereicherter Dampf zur Zerlegung zugeführt wird,
liegenden Bereich der Niederdruck-Rektifikationssäule abgezogenen
Strom von mit Sauerstoff angereichertem Dampf und
- c) einem aus der Seitenrektifikationssäule, insbesondere aus einem
aus einem Stoffaustauschzwischenbereich davon, abgezogenen Dampfstrom.
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In jedem der obigen Beispiele a)
bis c) wird der Dampfstrom, der dem Wärmeaustausch mit dem verdampfenden
auf Druck gebrachten Flüssigkeitsgemisch
unterworfen wird, in der Regel dadurch kondensiert. Ein Strom des
erhaltenen Kondensats wird vorzugsweise in den Bereich, aus dem
der Dampf vor seiner Kondensation entnommen wird, zurückgeführt. Wird
der Dampf von auf Druck gebrachter Flüssigkeit teilweise verdampft,
so wird vorzugsweise ein Strom von restlicher auf Druck gebrachter
Flüssigkeit durch
Durchgang durch ein Ventil einer Druckminderung unterworfen, verdampft,
vorzugsweise in indirektem Wärmeaustausch
mit in der Seitenrektifikationssäule
abgetrenntem kondensierendem Argon, und der erhaltene Dampf einem
ausgewählten
Bereich der Niederdruck-Rektifikationssäule zugeführt, der oberhalb des Bereichs
liegt, aus dem der argonhaltige Sauerstoffdampfstrom zur Zerlegung
in der Seitenrektifikationssäule
entnommen wird. Da durch die teilweise Verdampfung die restliche
Flüssigkeit mit Sauerstoff
angereichert wird, hat der der Niederdruck-Rektifikationssäule zugeführte verdampfte Restflüssigkeitsstrom
einen höheren
molaren Sauerstoffanteil als bei vergleichbaren herkömmlichen
Verfahren. Infolgedessen kann ein "Pinch" in dem Bereich, in dem
der verdampfte Restflüssigkeitsstrom der
Niederdruck-Rektifikationssäule zugeführt wird, so
arrangiert werden, daß er
eine höhere
Sauerstoffkonzentration aufweist als der entsprechende Punkt bei
einem vergleichbaren herkömmlichen
Verfahren. Demgemäß kann man
das Flüssigkeit/Dampf-Verhältnis in
dem Abschnitt einer Niederdruck-Rektifikationssäule, der sich unmittelbar oberhalb
des Bereichs, aus dem der Argon-Sauerstoff
enthaltende Sauerstoffdampfstrom zur Zerlegung in der Seitenrektifikationssäule entnommen
wird, erstreckt, größer machen
als bei dem herkömmlichen
Verfahren. Daher kann man die Zufuhrrate zur Seitenrektifikationssäule erhöhen. Somit
kann man die Argonkonzentration in der Dampfzufuhr zur Seitenrektifikationssäule verringern
(im Vergleich mit einem vergleichbaren herkömmlichen Verfahren), ohne Einbußen bei
der Argonrückgewinnung
hinnehmen zu müssen.
Infolgedessen benötigt
die Niederdruck-Rektifikationssäule zur
Erzielung einer gegebenen Argonrückgewinnung
weniger Verdampfungsanteil. So kann man beispielsweise die Produktionsrate
oder die Reinheit eines flüssigen
Produkts aus der Niederdruck-Rektifikationssäule oder
die Produktionsrate eines gasförmigen
Stickstoffprodukts aus der Hochdruck-Rektifikationssäule erhöhen.
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Zur Erfüllung des Kältebedarfs eines erfindungsgemäßen Verfahrens
und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann man zusätzlich
zu der Entspannungsturbine jedes beliebige herkömmliche Kältesystem einsetzen. Dieser
Kältebedarf
wird beispielsweise dem Verhältnis
der Summe der Produktionsraten flüssiger Produkte zur Gesamtproduktionsrate
von Sauerstoffprodukt entsprechend variieren. Wenn dieses Verhältnis über z. B.
0,15 bis 1 beträgt, enthält das Kältesystem
vorzugsweise eine Turbine mit einem mit der Quelle von zu zerlegender
Luft in Verbindung stehenden Einlaß und einem mit der Hochdruck-Rektifikationssäule in Verbindung
stehenden Auslaß.
Wird durch Verdampfen und Anwärmen eines
auf Druck gebrachten Flüssigsauerstoffstroms in
indirekter Wärmeaustauschbeziehung
mit einem oder mehreren Rückführungsströmen aus
der Doppelrektifikationssäule
ein auf Druck gebrachtes gasförmiges
Sauerstoffprodukt gebildet, so muß auch ein Luftstrom bei einem
entsprechend hohen Druck produziert werden.
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In der Regel wird der Hochdruck-Rektifikationssäule dampfförmige Luft
zugeführt,
die vorzugsweise einer Quelle von durch Abtrennung von Wasserdampf,
Kohlendioxid und gegebenenfalls Kohlenwasserstoffen gereinigter
und in indirektem Wärmeaustausch
mit Produkten der Luftzerlegung abgekühlten Druckluft entnommen wird.
In der Regel wird auch der Hochdruck-Rektifikationssäule und/oder der Niederdruck-Rektifikationssäule verflüssigte Luft zugeführt, die
vorzugsweise ganz analog gebildet wird.
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Jede Rektifikationssäule kann
eine oder mehrere Destillations- oder Fraktionierungszonen aufweisen,
in denen Flüssigkeits-
und Dampfphasen im Gegenstrom in Berührung gebracht werden, um eine
Zerlegung des Fluidgemischs zu bewirken, wie beispielsweise durch
Inberührungbringen
der Dampf- und Flüssigkeitsphasen
auf Packungselementen oder einer Reihe von vertikal beabstandeten
Böden oder
Trennstufen, die in der Säule,
der Zone oder den Zonen montiert sind. Eine Rektifikationssäule kann mehrere
Zonen in separaten Behältern
umfassen, damit man nicht mit einem einzigen Behälter mit 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 wünschenswert, die Argonrektifikationssäule so zu
konstruieren, daß man nicht
mit einem einzigen, außergewöhnlich hohen Behälter arbeiten
muß.
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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
Luftzerlegungsanlage handelt, beispielhaft beschrieben.
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Die Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnung
wird ein Luftstrom in einem Hauptluftverdichter 2 verdichtet
und im Nachkühler 4 von
der Verdichtungswärme befreit.
Der erhaltene nachgekühlte,
verdichtete Luftstrom wird in Einheit 6 durch Entfernung
von Wasserdampf, Kohlendioxid und in der Regel Kohlenwasserstoffen
gereinigt. Diese Reinigung kann in der Einheit 6 durch
Temperaturwechseladsorption, Druckwechseladsorption oder ein anderes
adsorptives Gasreinigungsverfahren erfolgen. Der erhaltene Strom
gereinigter Luft wird in zwei Ströme geteilt. Ein Strom durchläuft einen
Hauptwärmetauscher 8 von
seinem warmen Ende 10 zu seinem kalten Ende 12 und
wird dadurch auf eine in der Nähe
seines Taupunkts liegende Temperatur abgekühlt, so daß der Strom durch Rektifikation
bei kryogener Temperatur zerlegt werden kann. Der so abgekühlte Luftstrom
wird in dampfförmigem
Zustand durch einen Einlaß 14 einem
Sumpfbereich einer Hochdruck-Rektifikationssäule 16 zugeführt. Die
Hochdruck-Rektifikationssäule 16 bildet
mit einer Niederdruck-Rektifikationssäule 18 und
einem Kondensator-Verdampfer 20 eine Doppelrektifikationssäule, die
allgemein durch die Bezugszahl 22 bezeichnet wird.
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Der andere Strom gereinigter Luft
wird einem ersten Booster-Verdichter 24 mit den Verdichtungsstufen 26, 28 und 30 zugeführt. Hinter
der Stufe 26 wird der andere Strom gereinigter Luft zur
Entfernung der Verdichtungswärme
in einem Nachkühler 32 abgekühlt. Dieser
nachgekühlte
Strom verdichteter Luft wird wiederum in zwei Unterströme geteilt.
Der erste dieser Unterströme
strömt
zu einem zweiten Booster-Verdichter 34, in dem er noch
weiter verdichtet wird. Der erhaltene, noch weiter verdichtete Unterluftstrom
wird zur Entfernung der Verdichtungswärme in einem Nachkühler 36 abgekühlt und
durchströmt den
Hauptwärmetauscher 8 von
seinem warmen Ende 10 zu einem Zwischenbereich davon. Der
noch weiter verdichtete erste Unterstrom wird aus dem Hauptwärmetauscher 8 bei
einer ersten Zwischentemperatur, die in der Regel in der Größenordnung von
150 K liegt, abgezogen und unter Leistung äußerer Arbeit in einer Entspannungsturbine
oder Entspannungsmaschine 38 entspannt. Der so entspannte
Luftstrom tritt aus der Entspannungsturbine 38 bei im wesentlichen
dem Druck im Sumpf der Hochdruck-Rektifikationssäule 16 und
bei einer geringfügig über seinem
Taupunkt liegenden Temperatur aus. Dieser Luftstrom wird mit dem
durch den Einlaß 14 in die
Hochdruck-Rektifikationssäule 16 eintretenden Luftstrom
vermischt. Die von der Turbine 38 geleistete äußere Arbeit
wird zum Antrieb des zweiten Booster-Verdichters 34 verwendet.
Hierzu kann der (nicht gezeigte) Rotor der Entspannungsturbine auf
derselben Welle wie der (nicht gezeigte) Rotor des zweiten Booster-Verdichters 34 montiert
sein.
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Der zweite Unterluftstrom aus dem
Nachkühler 32 strömt zur Verdichtungsstufe 28 des
ersten Booster-Verdichters 24 und wird darin wiederum weiter
verdichtet. Die erhaltene Luft tritt aus der zweiten Stufe 28 aus
und wird zur Entfernung der Verdichtungswärme in einem Nachkühler 40 abgekühlt. Der Luftstrom
aus dem Nachkühler 40 wird
erneut in zwei Teile geteilt. Ein Teil durchströmt den Wärmetauscher 8 von
seinem warmen Ende 10 zu seinem kalten Ende 12 und
gelangt von dort zu einem Drosselventil 42. Dieser Luftstrom
tritt aus dem Drosselventil 42 zumindest teilweise in flüssigem Zustand
aus und wird über
einen Einlaß 44 einem
Stoffaustauschzwischenbereich der Hochdruck-Rektifikationssäule 16 zugeführt.
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Der andere Teil der aus dem Nachkühler 40 austretenden
Luft duchströmt
die letzte Stufe 30 des ersten Booster-Verdichters 24, in der er auf
den höchsten
Druck, der beim Betrieb der in der beigefügten Zeichnung gezeigten Vorrichtung
erhalten wird, verdichtet wird. Der erhaltene Strom verdichteter
Luft wird zur Entfernung der Verdichtungswärme in einem Nachkühler 46 abgekühlt. Die
abgekühlte
Luft strömt von
dem Nachkühler 46 durch
den Hauptwärmetauscher 8 von
seinem warmen Ende 10 zu seinem kalten Ende 12 und
strömt
von dort zu einem anderen Drosselventil 48. Der Luftstrom
tritt aus dem Drosselventil 48 zumindest teilweise in flüssigem Zustand aus
und tritt über
einen Einlaß 50,
der sich in der Regel auf der gleichen Höhe der Säule 16 wie der Einlaß 44 befindet,
in die Hochdruck-Rektifikationssäule 16 ein.
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Die in die Hochdruck-Rektifikationssäule 16 eintretende
Luft wird darin in eine im Sumpf anfallende, mit Sauerstoff angereicherte
flüssige
Luftfraktion und eine am Kopf anfallende, dampfförmige Stickstofffraktion zerlegt.
Ein erster Strom der dampfförmigen
Stickstofffraktion gelangt in den Kondensator-Verdampfer 20 und
wird darin kondensiert. Ein Teil des erhaltenen Kondensats wird
als Rücklauf zum
Kopf der Hochdruck-Rektifikationssäule 16 zurückgeführt. Ein
anderer Teil des Kondensats durchströmt einen weiteren Wärmetauscher 52,
in dem er unterkühlt
wird. Zumindest ein Teil des erhaltenen unterkühlten flüssigen Stickstoffkondensats
gelangt durch ein Drosselventil 54 in einen Kopfbereich
der Niederdruck-Rektifikationssäule
und liefert Rücklauf für die Säule 18.
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Ein Strom der im Sumpf anfallenden,
mit Sauerstoff angereicherten flüssigen
Luftfraktion wird über
einen Auslaß 56 unter
Druck aus der Hochdruck-Rektifikationssäule 16 abgezogen,
durch Hindurchleiten durch den Wärmetauscher 52 unterkühlt und
durch ein Drosselventil 58 geleitet und strömt in einen
Verdampfer-Kondensator 60 bei einem Druck von mehr als
2 bar. Der Verdampfer-Kondensator weist
einen Behälter 62 auf,
in dem sich ein Wärmeaustauschblock 64 befindet.
In dem Behälter 62 wird ein
so großes
Volumen von mit Sauerstoff angereicherter flüssiger Luft aufrechterhalten,
daß der
Wärmeaustauschblock
darin eingetaucht ist. Flüssigkeit strömt dank
eines Thermosiphon-Effekts durch (nicht gezeigte) Siedepassagen
im Wärmeaustauschblock 64.
Infolgedessen wird Flüssigkeit
teilweise verdampft. Die erhaltene Dampfphase trennt sich von der
restlichen Flüssigkeit.
Durch die teilweise Verdampfung wird die Flüssigkeit im Behälter 62 weiter mit
Sauerstoff angereichert, während
die Dampfphase in bezug auf die in den Behälter 62 eintretende Flüssigkeit
an Sauerstoff abgereichert wird. Ein Strom der weiter angereicherten
flüssigen
Luft strömt aus
dem Sumpf des Behälters 62 aus
und wird durch Hindurchleiten durch ein Drosselventil 66 einer
weiteren Druckminderung unterworfen. Die erhaltene gedrosselte weiter
angereicherte Flüssigkeit
gelangt in einen Kondensator 68, der mit einer Seitenrektifikationssäule 70 in
Wirkverbindung steht und in der Seitenrektifikationssäule 70 abgetrennten
Argondampf kondensiert. Infolge dieser Kondensation wird der weiter
angereicherte flüssige
Strom entweder teilweise oder vollständig verdampft. Wie in der
Zeichnung gezeigt ist, gelangt ein Strom des erhaltenen Dampfs vom
Kondensator 68 über
einen Einlaß 72 zu
einer ausgewählten
Zwischenstelle der Niederdruck-Rektifikationssäule 18 und
ein Strom von Restflüssigkeit vom
Kondensator 68 über
einen Einlaß 74 zu derselben
Stelle der Niederdruck-Rektifikationssäule 18.
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Ein erster Gasphasenstrom aus dem
Verdampfer-Kondensator 60 gelangt
vom Kopf des Behälters 62 in
einen Tieftemperaturverdichter 120 und wird darin wieder auf im
wesentlichen den Druck im Sumpf der Hochdruck-Rektifikationssäule 16 verdichtet.
Der erhaltene wieder verdichtete Dampf wird mit dem vom kalten Ende 12 des
Hauptwärmetauschers 8 zum
Einlaß 14 der
Hochdruck-Rektifikationssäule 16 strömenden Luftstrom
vermischt. Der wiederverdichtete Dampfstrom dient somit zur Vergrößerung der
in der Hochdruck-Rektifikationssäule abgetrennten
Stickstoffmenge mit den damit verbundenen Vorteilen, wie sie oben
beschrieben werden.
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Ein zweiter Dampfphasenstrom aus
dem Verdampfer-Kondensator 60 strömt vom Kopf
des Behälters 62 durch
dem Hauptwärmetauscher 8 von seinem
kalten Ende 12 zu einem ausgewählten Zwischenbereich davon,
in dem seine Temperatur in der Größenordnung von 105 K liegt.
Der zweite Dampfstrom wird bei dieser Temperatur aus dem Hauptwärmetauscher
abgezogen und unter Leistung äußerer Arbeit
in einer zweiten Entspannungsturbine 76 entspannt. Ein
Dampfstrom tritt aus der Turbine 76 bei im wesentlichen
dem Betriebsdruck der Niederdruck-Rektifikationssäule 18 und ungefähr bei ihrem Taupunkt
aus. Dieser Dampfstrom gelangt durch einen Einlaß 78, der sich in
der Regel auf der gleichen Höhe
wie der Einlaß 72 und 74 befindet,
aber gegebenenfalls einige theoretische Böden höher liegen kann, in die Niederdruck-Rektifikationssäule 18.
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Da die Entspannungsturbine 76 in
die Niederdruck-Rektifikationssäule 18 abbläst, bläst die Entspannungsturbine 38 nicht
in diese Säule,
sondern stattdessen in die Hochdruck-Rektifikationssäule ab.
Dieser Faktor dient ebenfalls zur Vergrößerung der in der Hochdruck- Rektifikationssäule abgetrennten
Stickstoffmenge und somit der produzierten Rücklaufmenge.
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Die zweite Entspannungsturbine 76 und
der Tieftemperaturverdichter 120 teilen sich eine gemeinsame
Antriebswelle 122. Vorzugsweise ist auf der Welle 122 außerdem eine
separate Vorrichtung 124 montiert, welche die Form einer
wärmeableitenden Bremse
oder eines Stromgenerators annehmen kann. Es kann daher dafür gesorgt
werden, daß die durch
die zweite Entspannungsturbine 76 erzeugte Arbeit größer oder
kleiner als die zum Antrieb des Tieftemperaturverdichters 120 benötigte Arbeit
ist.
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Der Verdampfer-Kondensator 60 ist
nicht die einzige Quelle für
Sauerstoff/Stickstoff/Argon-Gemisch zur Zerlegung in der Niederdruck-Rektifikationssäule 18.
Ein flüssiger
Strom, der in der Regel im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung
wie Luft hat, wird über
einen Auslaß 80 aus
einem Stoffaustauschzwischenbereich der Hochdruck-Rektifikationssäule 16 abgezogen
und strömt
durch den Wärmetauscher 52,
wodurch er unterkühlt
wird. Dieser unterkühlte
flüssige
Luftstrom durchströmt
ein Drosselventil 82 und wird über einen Einlaß 84,
der sich in der Regel oberhalb der Höhe des Einlasses 72 und 74 befindet,
einem ausgewählten
Stoffaustauschzwischenbereich der Niederdruck-Rektifikationssäule 18 zugeführt. Dieser
flüssige
Strom verbessert das Rücklaufverhältnis in
dem unmittelbar unter der Höhe des
Einlasses 84 liegenden Bereich der Niederdruck-Rektifikationssäule 18.
Die Luft wird in der Niederdruck-Rektifikationssäule 18 in eine im
Sumpf anfallende flüssige
Sauerstofffraktion und eine am Kopf anfallende dampfförmige Stickstofffraktion
zerlegt. Die im Sumpf anfallende flüssige Sauerstofffraktion wird
im Kondensator-Verdampfer 20 durch indirekten Wärmeaustausch
mit dem darin kondensierenden Stickstoff teilweise verdampft. Dadurch
wird ein durch die Säule 18 nach
oben strömender
Dampfstrom erzeugt. Durch Abziehen eines Stroms des Stickstoffkopfdampfs
aus der Niederdruck-Rektifikationssäule 18 über einen
Auslaß 86 wird
ein gasförmiges
Stickstoffprodukt gebildet. Dieser Stickstoffstrom durchströmt den Wärmetauscher 52 im Gegenstrom
zu den darin unterkühlten
Strömen
und wird dadurch angewärmt.
Durch Hindurchgehen durch den Hauptwärmetauscher 8 von
seinem kalten Ende 12 zu seinem warmen Ende 10 wird
der Stickstoffstrom weiter angewärmt.
Aus dem Sumpf der Niederdruck-Rektifikationssäule 18 wird über einen Auslaß 88 ein
Flüssigsauerstoffstrom
abgezogen. Der Strom wird geteilt. Ein Teil strömt über die Leitung 90 zu
einer (nicht gezeigten) Flüssigsauerstoff-Speichereinrichtung.
Der Rest des Flüssigsauerstoffstroms
wird durch eine Pumpe 92 auf einen gewählten erhöhten Druck gebracht und durchströmt den Hauptwärmetauscher 8 von
seinem kalten Ende 12 zu seinem warmen Ende 10.
Dadurch wird ein unter verhältnismäßig hohem
Druck stehendes gasförmiges
Sauerstoffprodukt gebildet. Gegebenenfalls kann, wie in der Zeichnung
gezeigt, ein zusätzliches Hochdruck-Sauerstoffprodukt
unter noch höherem Druck
gebildet werden, indem ein Teil des auf Druck gebrachten Flüssigsauerstoffstroms
stromaufwärts des
kalten Endes 12 des Hauptwärmetauschers abgezogen und
in einer weiteren Pumpe 94 auf einen noch höheren Druck
gebracht wird. Der auf noch höheren
Druck gebrachte Flüssigsauerstoffstrom durchströmt den Hauptwärmetauscher 8 von
seinem kalten Ende 12 zu seinem warmen Ende 10 und
wird am warmen Ende 10 als Hochdruck-Sauerstoffgasprodukt
entnommen.
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Zur Herstellung eines Argonprodukts
wird ein mit Argon angereicherter Sauerstoffstrom aus einem ausgewählten Bereich
der Niederdruck-Rektifikationssäule 18,
an dem die Argonkonzentration im Bereich von 5 bis 15 Vol.-% liegt,
entnommen und über
Leitung 96 dem Sumpf der Seitenrektifikationssäule 70 zugeführt. Dort
wird ein Argonprodukt mit mindestens 90 Molprozent Argon abgetrennt.
Das Argonprodukt enthält
vorzugsweise mindestens 97 Vol.-% Argon und besonders bevorzugt
weniger als 10 Volumenteile pro Million Sauerstoff und andere Verunreinigungen.
Zur Erzielung eines derart hohen Reinheitsniveaus enthält die Seitenrektifikationssäule 70 in
der Regel ungefähr
200 theoretische Trennstufen, die zwar in der Zeichnung nicht gezeigt
sind, aber vorzugsweise auf dem Fachmann bekannte Art und Weise
in zwei separaten Behältern
untergebracht sind.
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In der Regel strömt der Argondampf vom Kopf
der Seitenrektifikationssäule 70 in
den Kondensator 68 und wird darin kondensiert. Ein Teil
des erhaltenen Kondensats wird als Rücklauf in die Säule 70 zurückgeführt, und
der Rest wird über
Leitung 102 als Produkt entnommen. Gegebenenfalls kann
dieses Flüssigargonprodukt
nach einem beliebigen an sich bekannten Verfahren weiter gereinigt
werden, beispielsweise durch weitere Rektifikation zum Abstrippen
der Stickstoffverunreinigung. Bei einer alternativen Anordnung,
die in der Zeichnung nicht gezeigt ist, kann ein Teil des Argondampfs
als Produkt entnommen und das gesamte kondensierte Argon als Rücklauf in
die Seitenrektifikationssäule 70 zurückgeführt werden.
Bei noch einer weiteren Anordnung, die ebenfalls in der Zeichnung
nicht gezeigt ist, kann man sowohl gasförmiges als auch kondensiertes
Argonprodukt entnehmen.
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Vom Sumpf der Seitenrektifikationssäule 70 wird über eine
Leitung 98 ein Argon enthaltender Flüssigsauerstoffstrom in den
Bereich der Niederdruck-Rektifikationssäule 18 zurückgeführt, aus
dem der mit Argon angereicherte Sauerstoffstrom abgezogen wird.
Des weiteren wird aus einem Stoffaustauschzwischenbereich der Seitenrektifikationssäule über Leitung 99 ein
Dampfstrom abgezogen, zur Bereitstellung der zum Anwärmen des
Wärmeaustauschblocks 64 notwendigen
Wärme zur
teilweisen Verdampfung des mit Sauerstoff angereicherten Flüssigluftstroms,
der dem Verdampfer-Kondensator zugeführt wird,
verwendet und über
eine Leitung 101 in denselben Bereich der Seitenrektifikationssäule 70 zurückgeführt, aus
dem der Dampfstrom abgezogen wird.
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Gegebenenfalls kann die in der Zeichnung gezeigte
Anlage auch ein Flüssigkstickstoffprodukt liefern.
Hierzu kann man einen Teil des unterkühlten Flüssigstickstoffstroms nicht
dem Drosselventil 54 zuführen, sondern durch ein weiteres
Drosselventil 104 in einen Flüssigstickstoff-Speicherbehälter 106 mit
einem Bodenauslaß 108 leiten.
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Gegebenenfalls kann die in der Zeichnung gezeigte
Anlage auch ein unter verhältnismäßig hohem
Druck stehendes Stickstoffgasprodukt liefern. Hierzu strömt ein Teil
des in der Hochdruck-Rektifikationssäule 16 abgetrennten
Stickstoffdampfs über eine
Leitung 110 zum Hauptwärmetauscher 8 und wird
darin durch Hindurchgehen von seinem kalten Ende 12 zu
seinem warmen Ende 10 angewärmt.
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In einem typischen Beispiel für den Betrieb der
in der Zeichnung gezeigten Anlage hat der Hauptverdichter 2 einen
Auslaßdruck
von ungefähr 5,8
bar, die Booster-Verdichter-Stufe 26 einen
Auslaßdruck
von 12 bar, die Booster-Verdichter-Stufe 28 einen Auslaßdruck von
32 bar und die Booster-Verdichter-Stufe 30 einen Auslaßdruck von
80 bar. In diesem Beispiel kann der Booster-Verdichter 34 einen
Auslaßdruck
von 16 bar haben. Die Hochdruck-Rektifikationssäule 16 wird bei einem
Druck von 5,5 bar im Sumpf betrieben, sowohl die Niederdruck-Rektifikationssäule 18 als
auch die Seitenrektifikationssäule 70 haben
einen Sumpfdruck von ungefähr
1,4 bar, und der Verdampfer-Kondensator 60 wird bei einem
Druck von etwa 2,6 bar betrieben. Sauerstoffgasprodukte werden bei
Drücken
von 13 und 60 bar produziert, und Flüssigargon- und Stickstoff gasprodukte
werden ebenfalls produziert. Die Produktion von Flüssigargonprodukt
beläuft
sich auf 4,3 Molprozent der Gesamtproduktion von Sauerstoffprodukt,
und die Produktion von Druckstickstoffprodukt über Leitung 110 beträgt 71 Molprozent
der Gesamtproduktion von Sauerstoffprodukt. Die Argonrückgewinnung
beläuft
sich auf ungefähr
96%. Die Dampfbeladung der Hochdruck-Rektifikationssäule war gegenüber einem ähnlichen
System ohne den Kaltverdichter 120 um 20% erhöht.