DE69819421T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Argon - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Tieftemperaturgasdestillationssystem zum Erzeugen von Argon und auf ein Verfahren zum Erzeugen von Argon gemäß des Oberbegriffs der Ansprüche 1 bzw. 6. Ein derartiges Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus US-A-5 282 365 bekannt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Argon wird in der metallurgischen Industrie und insbesondere in der Argon-Sauerstoff-Entgasung von rostfreien und speziellen Stahlen sowie beim Schneiden und Schweißen von verschiedenen Metallen verwendet. Plasmastrahlbrenner, die ein auf mehr als 10000°K Temperaturen erhitztes Argongemisch benutzen, werden für Schneidvorgänge und für ein Überziehen von Metallen mit feuerfesten Materialien verwendet. In jüngerer Zeit ist Argon zu einem wichtigen Bestandteil in der Elektronikindustrie als ein Träger-, Spül-, oder Schutzgas zum Ausschließen von Luft von bestimmten Herstellungsverfahren geworden, insbesondere bei dem Wachstum von Kristallen, bei der Ionenzerkleinerung und in anderen Ätzverfahren.
  • Die Herstellung von Argon ist ein wichtiger ökonomischer Faktor in der industriellen Gasindustrie. Im allgemeinen ist Argon ein Nebenprodukt einer Tieftemperatur-Luftzerlegung. Allerdings ist eine Anzahl von zusätzlichen Verarbeitungsschritten erforderlich, um eine notwendige Reinheit von Argon zu erzeugen. Eine der kritischen Reinheitsanforderungen betrifft die Konzentration von enthaltenem Stickstoff. Viele Anwendungen von Argon erfordern ein im wesentlichen stickstofffreies Argon.
  • Die Verwendung von strukturierter Packung in Tieftemperatur-Destillationskolonnen hat eine Möglichkeit geboten, einen Vorteil aus den Packungscharakteristika eines guten Stoffaustauschs in Begleitung mit einem niedrigen Druckabfall zu ziehen (z. B. siehe US-A-4 296 050, Meier). Die Hinzufügung einer großen Anzahl an theoretischen Böden in der Niederdruckkolonne einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage ohne den Effekt eines begleitenden hohen Druckabfalls durch die Verwendung von strukturierter Packung stellt bei der Herstellung von Argon eine signifikante ökonomische Verbesserung dar.
  • In der Vergangenheit beteiligte die Herstellung von hochreinem Argon eine Anzahl von Verarbeitungsschritten zur Erzeugung eines Rohargonstroms, der anschließend in einer Raffinerie veredelt wurde. Die Argonverarbeitung beginnt mit der Niederdruckkolonne einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage. Ein Argonstrom geringer Güte wird von einer Zwischenstelle in der Niederdruckkolonne abgezogen. Anschließend wird der Argonstrom geringer Güte in eine Argonkolonne eingespeist, in der er in einen etwa 97,5% Argon enthaltenden Überkopf-Rohargonstrom und in einen Sumpfstrom getrennt wird, der zu der Niederdruckkolonne zurückgeführt wird. Typischerweise enthält der Überkopfstrom ebenfalls etwa 1,5% Sauerstoff und etwa 1,0% Stickstoff.
  • Der Rohargonstrom von dem Kopf der Argonkolonne wird anschließend bis auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt, dann wird Wasserstoff hinzugefügt und das Gemisch wird verdichtet und in einen Deoxo-Katalysatorofen übertragen, wo der Sauerstoff beseitigt wird. Das verbrannte Argon wird gekühlt, getrocknet und anschließend auf im wesentlichen Verflüssigungstemperatur weiter abgekühlt. Dann wird der kalte Argonstrom zu der Raffineriekolonne übertragen, wo der überschüssige Wasserstoff und restlicher Stickstoff entfernt werden. Die normale Herstellung stellt einen Argonproduktstrom bereit, der weniger als 5 ppm Stickstoff oder Sauerstoff enthält.
  • Das deutsche Patent 1 048 936 beschreibt eine Anordnung zur Reduzierung des Stickstoffgehalts des Einsatzes in eine Argonkolonne. Das vorgeschlagene Verfahren erhöht die Anzahl von in dem Abschnitt der Niederdruckkolonne verwendeten Böden, wobei dieser Abschnitt zwischen einem Einsatz von dem Argonkondensator und derjenigen Stelle liegt, an der der Argonkolonneneinsatz abgezogen wird. Die Verwendung von zusätzlichen Böden in der Niederdruckkolonne für den Zweck einer Reduzierung des Stickstoffgehalts des Einsatzes in die Argonkolonne verursacht einen Druckabfall, der den Ablassdruck des Luftkompressors und somit die Energieanforderungen erhöht. Weiterhin reduziert der erhöhte Druckpegel die relative Flüchtigkeit innerhalb der Kolonnen, was zu einem Absenken der Argonausbeute führt.
  • In US-A-5 133 790, 28.07.1992, Bianchi et al., wird die Verwendung von strukturierter Packung zur Erhöhung der Anzahl von Gleichgewichtsstufen in der Niederdruckkolonne zwischen dem Einsatz von dem Argonkondensator und der Stelle vorgeschlagen, wo der Argonkolonneneinsatz abgezogen wird. Die zusätzliche Rektifikation in der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne wird durch den Einschluss von strukturierter Packung an Stelle von Böden bereitgestellt. Dies verringert die Stickstoffkonzentration wesentlich, während die Argonkonzentration bei oder nahezu bei ihren maximalen Wert gehalten wird, wodurch eine direkte Herstellung von stickstofffreiem Argon ermöglicht wird. Die Verwendung von strukturierter Packung an Stelle von Böden vermeidet die Energieeinbussen und eine verringerte Argonausbeute.
  • Eine Überprüfung des von Bianchi et al. vorgeschlagenen Systems (das strukturierte Packung durch die Niederdruckkolonne hinweg benutzt), in industriellem Maßstab ergab, dass es schwierig ist, niedrige Stickstoffpegel in dem Argonkolonneneinsatz zu bewerkstelligen. Zwecks der Erreichung niedriger Stickstoffpegel wurden Versuche unternommen, ein einzelnes Bett von Packung zwischen dem Einsatz von dem Argonkondensator und der Stelle zu verwenden, wo der Argonkolonneneinsatz abgezogen wird. Die Leistungsfähigkeit erwies sich als nicht zufrieden stellend.
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Argonerzeugungssystems, das eine Niederdruck-Destillationskolonne mit strukturierter Packung verwendet.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Argonerzeugungssystems, bei dem der Einsatz von einer Niederdruckkolonne zu einer Argonkolonne in großem Maß frei von Stickstoff ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Zur Herstellung eines Argonprodukts mit einem niedrigen Pegel an eingeschlossenem Stickstoff (typischerweise 10 ppm), muss ein geringer Stickstoffpegel in einem Abschnitt der Niederdruckkolonne für den Einsatz in die Argonkolonne eines Tieftemperatur-Luftzerlegungssystems bewerkstelligt werden. Dies wird durch die Verwendung zweier Betten von strukturierter Packung mit etwa der gleichen Höhe in der Niederdruckkolonne mit einer Vermischung und Wiederverteilung von Flüssigkeit zwischen ihnen erreicht. Die gepackten Betten sind in dem Kolonnenabschnitt zwischen dem Einsatz von dem Argonkolonnenkondensator und der Stelle angeordnet, wo der Argonkolonneneinsatz abgezogen wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein schematisches Flussdiagramm einer Argonerzeugungseinrichtung, die in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden kann.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung, das die Anordnung von Komponenten in einer Niederdruckkolonne darstellt, welche den Durchfluss eines argonreichen Stroms zu der Argonkolonne mit einem sehr niedrigen Pegel von eingeschlossenem Stickstoff ermöglicht.
  • 3 ist ein Auftrag einer berechneten Leistung eines Kolonnenabschnitts gegenüber einem Prozentsatz von theoretischen Stufen in einem unteren Bett mit strukturierter Packung einer in der Erfindung verwendeten Niederdruckkolonne.
  • Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
  • Vor der Beschreibung der Erfindung ist es lohnend, bestimmte Begriffe zu definieren, die in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet werden. Der Begriff "Kolonne" bezeichnet eine Destillations- oder Fraktionierkolonne oder -zone, d. h. eine Kontaktkolonne oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Trennung eines Fluidgemisches zu bewirken, z. B. indem die dampfförmige und die flüssige Phase an einer Reihe von vertikal in Abstand innerhalb der Kolonne angebrachten Böden oder Platten und/oder an Packungselementen in Kontakt gebracht werden. Für eine weitere Diskussion von Destillationskolonnen sei verwiesen auf das "Chemical Engineers' Handbook", fünfte Ausgabe, herausgegeben von R. H. Perry und C. H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Abschnitt 13, "Destillation", B. D. Smith et. al., Seite 13–3, The Continuous Distillation Process. Der Begriff der Doppelkolonne wird hier so benutzt, dass er eine bei einem höheren Druck arbeitende Kolonne bezeichnet, deren oberes Ende in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem unteren Ende einer bei einem niedrigeren Druck arbeitenden Kolonne steht. Eine nähere Beschreibung von Doppelkolonnen erscheint in Ruheman "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Kapitel VII, Commercial Air Separation.
  • Trennverfahren mit Dampf-/Flüssigkeitskontakt sind abhängig von der Differenz der Dampfdrücke Komponenten. Destillation ist das Trennverfahren, bei dem eine Erwärmung eines Flüssigkeitsgemisches benutzt werden kann, um die flüchtigere(n) Komponente(n) in der Dampfphase und die weniger flüchtige(n) Komponente(n) in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Partielle Kondensation ist das Trennverfahren, bei dem die Kühlung eines Dampfgemisches benutzt werden kann, um die flüchtige(n) Komponente(n) in der Dampfphase und dadurch die weniger flüchtige(n) Komponente(n) in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Rektifikation oder kontinuierliche Destillation ist das Trennverfahren, das aufeinanderfolgende partielle Verdampfungen und Kondensationen kombiniert, wie sie durch eine Gegenstrombehandlung der dampfförmigen und flüssigen Phasen erzielt werden. Das Inkontaktbringen der dampfförmigen und flüssigen Phasen im Gegenstrom ist adiabatisch und beinhaltet einen integralen oder differentiellen Kontakt zwischen den Phasen. Trennverfahrensanordnungen, die die Prinzipien der Rektifikation zum Trennen von Gemischen benutzen, werden oft als Rektifikationskolonnen, Destillationskolonnen oder Fraktionierkolonnen bezeichnet, wobei diese Begriffe untereinander ausgetauscht werden können. Tieftemperatur-Rektifikation ist ein Rektifikationsverfahren, das zumindest teilweise bei Temperaturen bei oder unterhalb 150°K ausgeführt wird.
  • Der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" bezieht sich auf das Verbringen von zwei Fluidströmen in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne jeglichen physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der Fluide miteinander.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Packung" jeden festen oder hohlen Körper mit vorbestimmter Anordnung, Größe und Form, der im Innern von Kolonnen benutzt wird, um Oberfläche für die Flüssigkeit zu schaffen, um einen Stoffübergang an der Grenzfläche von Flüssigkeit und Dampf während eines Gegenstromes der beiden Phasen zu ermöglichen.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "strukturierte Packung" Packung, bei der einzelne Bauteile eine bestimmte Ausrichtung mit Bezug aufeinander und die Kolonnenachse haben.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Argonkolonnensystem" ein System, das eine Kolonne und einen Kopfkondensator aufweist, wobei das System einen Argon aufweisenden Einsatz verarbeitet und ein Produkt mit einer Argonkonzentration erzeugt, die diejenige des Einsatzes übertrifft.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kopfkondensator" eine Wärmeaustauschvorrichtung, die zum Verflüssigen von Dampf verwendet wird, der von dem Kopf der Argonkolonne aufsteigt.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Gleichgewichtsstufe" ein derartiges Kontaktverfahren zwischen Dampf und Flüssigkeit, so dass die austretenden Dampf- und Flüssigkeitsströme in einem Gleichgewicht stehen.
  • Die Erfindung weist allgemein eine Modifizierung einer bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne auf, um zwischen dem Einsatz von einem Argonkolonnen-Kopfkondensator und einer Stelle, an der Argonkolonneneinsatz abgezogen wird (d. h. im allgemeinen bei oder etwas unterhalb der Stelle maximaler Argonkonzentration) zwei Betten strukturierter Packung von etwa gleicher Höhe mit einer Vermischung und Wiederverteilung von Flüssigkeit zwischen ihnen bereitzustellen. Die Modifizierungen für die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne erhöhen die Stoffaustauschwirksamkeit der strukturierten Packung, was der Schlüssel für den Erhalt eines erwünschten niedrigen Stickstoffpegels in dem Argonkolonneneinsatz ist. Um sich gegen die nachteiligen Effekte einer Wandströmung in den gepackten Betten zu schützen, können wahlweise ein oder mehrere Böden unmittelbar über der Stelle angeordnet werden, wo der Argonkolonneneinsatz abgezogen wird.
  • Vor einer weiteren Beschreibung werden die Modifizierungen für die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne und eine Beschreibung des gesamten Luft-Destilations/Argonerzeugungssystems erläutert werden.
  • Auf 1 Bezug nehmend wird ein gereinigter verdichteter Lufteinsatz mittels Durchleitung durch einen Wärmetauscher 12 mittels indirektem Wärmeaustausch mit Rückströmen gekühlt und ein sich ergebender gekühlter Luftstrom 14 wird in eine Kolonne 16 eingespeist, die die bei höherem Druck arbeitende Kolonne eines Doppelkolonnensystems ist und bei einem Druck betrieben wird, der generell in dem Bereich von 2,37·105 Pa bis 3,21·105 Pa (70 bis 95 pound pro inch2 absolut (psia)) liegt. Ein Teil eines Einsatzluftstroms 18 wird durch einen Wärmetauscher 24 geführt, in dem er dazu dient, einen austretenden Sauerstoffproduktstrom zu erwärmen. Anschließend wird ein sich ergebender Luftstrom 26 in eine Kolonne 28 eingeleitet, die die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne des Doppelkolonnensystems ist und bei einem Druck betrieben wird, der geringer als der Druck der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne ist und generell in dem Bereich von 0,58·105 Pa bis 0,85·105 Pa (15 bis 25 psia) liegt.
  • Innerhalb der Kolonne 16 wird die Einsatzluft mittels Tieftemperaturrektifikation in mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit und mit Stickstoff angereicherten Dampf getrennt. Die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird von der Kolonne 16 als ein Strom 30 abgeführt, teilweise durch einen Wärmetauscher 32 geleitet, und ein resultierender Strom 34 wird in einen Argonkolonnen-Kopfkondensator 36 eingespeist, indem er mittels indirektem Wärmeaustausch mit kondensierendem Argonkolonnen-Kopfdampf teilweise verdampft. Das sich ergebende gasförmige und flüssige mit Sauerstoff angereicherte Fluid wird von dem Kopfkondensator 36 als Strom 38 bzw. 40 in die Kolonne 28 eingeleitet.
  • Mit Stickstoff angereicherter Dampf wird von der Kolonne 16 als ein Strom 42 abgezogen und in einen Aufkocher 44 übergeleitet, wo er mittels indirektem Wärmeaustausch mit den aufkochenden Sümpfen der Kolonne 28 kondensiert. Die sich ergebende mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit wird in einen Strom 48 aufgeteilt, der als Rücklauf zu der Kolonne 16 zurückgeführt wird, sowie in einem Strom 50, der teilweise durch den Wärmetauscher 32 geführt und anschließend als ein Strom 52 in die Kolonne 28 eingespeist wird.
  • Innerhalb der Kolonne 28 werden die verschiedenen Einsätze in die Kolonne mittels Tieftemperaturrektifikation in veredelten Stickstoff und Sauerstoff getrennt. Gasförmiger Sauerstoff wird von der Kolonne 28 als ein Strom 54 von einer Stelle oberhalb des Aufkochers 44 abgeführt. Anschließend wird dieser Strom durch den Wärmetauscher 24 geleitet, ein resultierender Strom 56 wird durch den Wärmetauscher 12 geführt und anschließend als ein gasförmiger Sauerstoffproduktstrom 58 gewonnen. Auf Wunsch kann ein flüssiger Sauerstoffstrom 60 von der Kolonne 28 von dem Bereich des Aufkochers 44 abgezogen und als flüssiges Sauerstoffprodukt gewonnen werden. Der Produktsauerstoff weist im allgemeinen eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 99,0% auf.
  • Gasförmiger Stickstoff wird von der Kolonne 28 als ein Strom 62 entfernt und mittels Durchleitung durch den Wärmetauscher 32 erwärmt. Ein sich ergebender Strom 66 wird mittels Durchleitung durch den Wärmetauscher 12 weiter erwärmt und anschließend als gasförmiger Stickstoffproduktstrom 68 mit einer Sauerstoffkonzentration gewonnen, die im allgemeinen weniger als 10 Teile pro Million (ppm) beträgt. Ein Abstrom 70 wird von der Kolonne 28 unterhalb der Produktstickstoff-Abzugsstelle entfernt, mittels Durchleitung durch die Wärmetauscher 32 und 12 erwärmt und von dem System als ein Strom 72 abgeführt. Dieser Abstrom dient zur Kontrolle der Produktreinheit in den Stickstoff- und Sauerstoffproduktströmen.
  • Ein Argonkolonneneinsatz 74, der mindestens 5% Argon und vorzugsweise mindestens 7% Argon und weniger als 50 ppm Stickstoff aufweist, wobei der Rest im wesentlichen aus Sauerstoff besteht, wird von der Kolonne 28 abgezogen und in eine Argonkolonne 76 eingespeist, wo er mittels Tieftemperaturrektifi kation in sauerstoffreiche Flüssigkeit und argonreichen Dampf aufgeteilt wird, der im wesentlichen stickstofffrei ist. Unter stickstofffrei wird das Vorliegen von nicht mehr als 10 ppm Stickstoff, vorzugsweise von nicht mehr als 5 ppm Stickstoff und am bevorzugtesten von nicht mehr als 2 ppm Stickstoff verstanden. Die sauerstoffreiche Flüssigkeit wird von der Kolonne 76 entfernt und zu der Kolonne 28 als ein Strom 78 zurückgeführt. Argonreicher Dampf kann direkt von dem Argonkolonnensystem als stickstofffreies Produktargon in einem Strom 80 gewonnen werden. Ebenfalls kann stickstofffreies Produktargon als Flüssigkeit gewonnen werden. Weiterhin kann die Kolonne 76 über ausreichende Trennstufen verfügen, sodass der Sauerstoffgehalt des Aronprodukts niedrig ist, d. h. weniger als 100 ppm O2 oder vorzugsweise weniger als 10 ppm O2 beträgt.
  • Ein Teil des Argonkolonnendampfes wird als ein Strom 82 von der Kolonne 76 heraus- und in den Kopfkondensator 36 eingeleitet, wo er mittels indirektem Wärmeaustausch gegen teilweise verdampfende mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit kondensiert, wie zuvor beschrieben. Ein sich ergebender Flüssigkeitsstrom 84 wird als Rücklauf zu der Kolonne 76 zurückgeführt. Falls erwünscht und in Abhängigkeit von dem Stickstoffgehalt des Argonkolonneneinsatzes 74 kann ein Teil 79 eines Stroms 82 als ein Ausschussargonstrom entfernt werden. Dies dient dazu, die Stickstoffkonzentration in dem Produktargon weiter zu reduzieren.
  • Zur Erzeugung eines Argonprodukts, das eine Stickstoffeinschluss-Spezifikation von typischerweise 10 ppm oder weniger erfüllen soll, muss ein niedriger Pegel an Stickstoff in dem Abschnitt 100 der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 28 bewerkstelligt werden und insbesondere an derjenigen Stelle, an der der Argonkolonneneinsatzstrom 74 aus der Kolonne 28 austritt. Wie in 2 dargestellt wird ein derart niedriger Stickstoffpegel durch die Bereitstellung separater Betten von strukturierten Packungsabschnitten 102 und 104 erreicht, die zwischen dem Argonkolonnenkondensator-Dampfeinsatz 38 und der Abzugsstelle des Argonkolonneneinsatzstroms 74 vorzugsweise die gleiche Höhe aufweisen. Weiterhin wird eine Vorrichtung 106 zum Sammeln und Verteilen von Flüssigkeit an dem Mittelpunkt zwischen strukturierten Packungsabschnitten 102 und 104 vorgesehen, um eine Wiederverteilung von Flüssigkeit an den Mittelpunkt zu bewirken.
  • Wie sich anhand nachstehender Beschreibung versteht, ist die Vermischung und Wiederverteilung der Flüssigkeit der Schlüssel für den Erhalt der erwünschten niedrigen Stickstoffpegel in dem Argonkolonneneinsatz. Ein derartiges Vermischen kann zusätzlich durch die Anordnung eines oder mehrerer Böden 108 an dem Boden des unteren strukturierten Packungsabschnitts 104 verbessert werden. Die optionale Verwendung der Böden 108 dient dazu, die nachteiligen Effekte jeder Kolonnenwandströmung in dem gepackten Bett 104 zu lindern. Die Böden dienen dazu, die gesamte nach unten strömende Flüssigkeit zu vermischen und die unerwünschten Effekte der Flüssigkeitsumgehung zu vermeiden, welche eine Folge der Kolonnenwandströmung wären. Anschließend wird der Einsatzstrom 74 für die Argonkolonne 76 von dem Sumpf dieses Bodenabschnittes abgezogen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass der Kolonnenabschnitt 100 durch die obere Einsatzstelle 38, die der angereicherte Argondampf von dem Argonkolonnenkondensator 38 ist, und durch den unteren Abzug 74 bestimmt ist, welcher der Dampfeinsatz für die Argonkolonne 76 ist. Die angereicherte Sauerstoffflüssigkeit 40 von der Argonkolonne 76 wird zu der Niederdruckkolonne 28 typischerweise an einer Stelle über dem mit Sauerstoff angereicherten Dampfstrom 38 zugefügt, jedoch wird sie in einigen Fällen auch bei dem gleichen Pegel hinzugefügt. Weiterhin kann in einigen Situationen ein Teil des mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeitsstroms 34 ohne ein Durchleiten durch den Argonkolonnenkondensator direkt zu der Niederdruckkolonne zugefügt werden. Wiederum würde diese Flüssigkeit typischerweise bei einem Pegel über dem mit Sauerstoff angereicherten Dampfstrom 38 hinzugefügt werden.
  • Die Trennleistung von Destillationskolonnenabschnitten mit strukturierter Packung, die nahe bei einem Gleichgewichtszustand arbeiten, wird durch jede schlechte Flüssigkeitsverteilung nachteilig beeinflusst. Es ist bestimmt worden, dass die Empfindlichkeit der Leistung eines gegebenen Kolonnenabschnitts zu einem bestimmten Ausmaß an schlechter Flüssigkeitsverteilung durch ein Vermischen der in der Kolonne an einer gewissen in dem Abschnitt dazwischen liegenden Stelle absteigenden Flüssigkeit reduziert werden kann. Die Verwendung von Böden an der Unterseite eines einzelnen Packungsbetts in einem Kolonnenabschnitt, der eine Verengung zwischen der Arbeits- und der Gleichgewichtslinie aufweist, weist den Gesamteffekt eines Eliminierens der Empfindlichkeit auf die Verengung auf, wodurch die Leistung dieses Abschnittes verbessert wird. Die Leistungsverbesserung stammt von dem Vermischen der von dem gepackten Bett absteigenden Flüssigkeit. Das Vermischen beseitigt örtliche Verengungen, die sich entwickeln, wenn die Flüssigkeitsverteilung von dem Pfropfenstrom abweicht.
  • Dementsprechend wird Flüssigkeit, die von oben in der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 28 absteigt, in einer Vorrichtung 110 zum Sammeln und Verteilen von Flüssigkeit an derjenigen Stelle aufgenommen, wo der Dampf von dem Argonkolonnenkondensator 36 zu der Niederdruckkolonne 28 zugefügt wird. Die Flüssigkeit wird zu dem oberen strukturierten Packungsabschnitt 102 wiederverteilt, wodurch ein intensiver und gleichförmiger Kontakt zwischen der absteigenden Flüssigkeit und aufsteigendem Dampf ermöglicht wird. Aufgrund der physikalischen Unvollkommenheit des oberen strukturierten Packungsabschnitts 102 tritt jedoch eine gewisse schlechte Verteilung der Flüssigkeit innerhalb der Packung zusammen mit einer gewissen Kanalbildung der Flüssigkeit zu der Wand der Kolonne 28 hin auf. Durch ein Abfangen der Flüssigkeit an dem Mittelpunkt des Abschnitts 100 mit der Vorrichtung 106 zum Sammeln und Verteilen von Flüssigkeit wird die schlechte Flüssigkeitsverteilung korrigiert.
  • Der untere strukturierte Packungsabschnitt 104, dessen Höhe in etwa derjenigen des oberen strukturierten Packungsabschnitts 102 entspricht, wird zur Bereitstellung der erforderlichen Packungsmenge für eine Verringerung der Stickstoffkonzentration auf den erwünschten Pegel verwendet.
  • Eine zufrieden stellende Leistungsfähigkeit der Erfindung hängt von dem Aufteilen des Abschnitts 100 der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 28 in zwei Teile ab. Die Auswirkung einer gegebenen schlechten Verteilung der Flüssigkeit in dem Abschnitt 100 ist unter Bezugnahme auf 3 verständlich, die auf einer mathematischen Modellierung des Destillationssystems basiert. 3 ist ein Auftrag der Abschnittsleistungsfähigkeit gegenüber einem Prozentsatz theoretischer Stufen in dem unteren gepackten Bett 104. Der Auftrag zeigt die Auswirkungen des Aufteilens des gepackten Abschnitts 100 in zwei Teile und des Wiedervermischens und -verteilens der in den unteren Abschnitt eingespeisten Flüssigkeit.
  • Wie aus dem Auftrag ersichtlich fällt die Rektifikationsleistung ziemlich schlecht aus, wenn ein Wiedervermischen der Flüssigkeit nur an einer der beiden Extreme, d. h. an dem oberen oder unteren Abschnitt 100 durchgeführt wird. Wenn die Wiedervermischungsstelle gegenüber dem unteren Ende des Abschnitts 100 angehoben wird, verbessert sich die Effektivität der Trennung, bis ein Pegel von etwa einem Drittel der Anzahl an theoretischen Stufen erreicht wird. Bei diesem Pegel wird eine im wesentlichen vollstän dige theoretische Trennleistung für den gesamten gepackten Abschnitt bewerkstelligt. Dieser hohe Pegel an Leistungsfähigkeit hält an, bis ein Pegel von etwa zwei Drittel der strukturierten Packung erreicht ist, und danach fällt die Trennleistung ab. Dies demonstriert die Erwünschtheit einer Aufteilung des strukturierten Packungsabschnitts in zwei Teile mit einer im wesentlichen gleichen Leistungsfähigkeit. Jedoch ist es nicht kritisch, dass diese Teile genau gleich sind. Eine Aufteilung von einem Drittel bis zu etwa zwei Drittel von dem unteren Ende stellt eine nahezu theoretische Leistungsfähigkeit bereit.

Claims (8)

  1. Tieftemperaturgasdestillationssystem zum Erzeugen von Argon (80), welches im wesentlichen frei von Stickstoff ist, mit einer bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (16), einer bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne (28) sowie einer Argondestillationskolonne (76), wobei die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (i) eine Einlassstelle zur Aufnahme eines mit Sauerstoff angereicherten Stroms (38) aus einem Kopfkondensator (36), in welchem Argonkolonnendampf (82) mittels Wärmeaustausch mit mit Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit (34), welche von der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne abgezogen wird, kondensiert wird, und (ii) eine Auslassstelle zum Bereitstellen eines Einsatzstroms (74) für die Argonkolonne aufweist, wobei der kondensierte Argonkolonnendampf (84) als Rückstrom zu der Argonkolonne zurückgeleitet wird, und wobei die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne ferner versehen ist mit: einem ersten Bett (102) mit strukturierter Packung und einem zweiten Bett (104) mit strukturierter Packung, welche beide zwischen der Einlassstelle und der Auslassstelle in der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne angeordnet sind; gekennzeichnet durch eine Anordnung (110) zum Sammeln und Verteilen von Flüssigkeit, die zwischen der Einsatzstelle und dem ersten Bett mit strukturierter Packung angeordnet ist, um einen von oben aufgenommenen Flüssigkeitsstrom wieder zu verteilen, bevor der Flüssigkeitsstrom in das erste Bett mit strukturierter Packung eintritt; eine Anordnung (106) zum Sammeln und Verteilen von Flüssigkeit, die zwischen dem ersten Bett mit strukturierter Packung und dem zweiten Bett mit strukturierter Packung angeordnet ist, um einen Flüssigkeitsstrom von dem ersten Bett mit strukturierter Packung wieder zu verteilen, bevor der Flüssigkeitsstrom in das zweite Bett mit strukturierter Packung eintritt; und eine Anordnung (108) mit Böden zum Aufnehmen und erneuten Verteilen von Flüssigkeit, die zwischen dem zweiten Bett (104) mit strukturierter Packung und der Auslassstelle angeordnet ist.
  2. Tieftemperaturgasdestillationssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Anordnung (106) zur Aufnahme und zum Verteilen von Flüssigkeit einen Boden zur Aufnahme und zum Verteilen von Flüssigkeit aufweist.
  3. Tieftemperaturgasdestillationssystem gemäß Anspruch 1, wobei das erste Bett (102) mit strukturierter Packung und das zweite Bett (104) mit strukturierter Packung zusammen X theoretische Stufen aufweisen, und wobei das zweite Bett mit strukturierter Packung zwischen etwa einem Drittel und etwa zwei Drittel der X theoretischen Stufen aufweist, wobei das erste Bett mit strukturierter Packung den Rest der X theoretischen Stufen aufweist, die das zweite Bett mit strukturierter Packung nicht aufweist.
  4. Tieftemperaturgasdestillationssystem gemäß Anspruch 1, wobei das erste Bett (102) mit strukturierter Packung und das zweite Bett (104) mit strukturierter Packung zusammen X theoretische Stufen aufweisen, und wobei das erste Bett mit strukturierter Packung und das zweite Bett mit strukturierter Packung jeweils etwa die Hälfte der X theoretischen Stufen aufweisen.
  5. Tieftemperaturgasdestillationssystem gemäß Anspruch 1, wobei sich die Auslassstelle an einer Stelle befindet, bei welcher die Argonkonzentration in der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne (28) in etwa maximal ist.
  6. Verfahren zum Erzeugen von Argon (80), welches im wesentlichen von Stickstoff frei ist, wobei das Verfahren mittels eines Tieftemperaturgasdestillationssystems ausgeführt wird, welches eine bei höherem Druck arbeitende Kolonne (16), eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (28) und eine Argondestillationskolonne (76) aufweist, wobei die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (i) eine Einlassstelle zur Aufnahme von mit Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit (38) von einem Kopfkondensator (36), in welchem Argonkolonnendampf (82) mittels Wärmeaustausch mit mit Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit (34), die von der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne abgezogen wird, kondensiert wird, und (ii) eine Auslassstelle zum Bereitstellen eines Einsatzstroms (74) für die Argonkolonne aufweist, wobei der kondensierte Argonkolonnendampf (84) als Rückfluss zu der Argonkolonne zurückgeleitet wird, wobei im Zuge des Verfahrens: entgegen gesetzte Ströme von Prozessgasen und der Flüssigkeit durch ein erstes Bett (102) mit strukturierter Packung und ein zweites Bett (104) mit strukturierter Packung hindurch bereitgestellt werden, wobei beide Betten zwischen der Einlassstelle und der Auslassstelle in der bei niedrigem Druck arbeitenden Kolonne angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit an einer Stelle zwischen der Einsatzstelle und dem ersten Bett mit strukturierter Packung gesammelt und verteilt wird, um eine erneute Verteilung eines von oben empfangenen Flüssigkeitsstroms zu ermöglichen, bevor der Flüssigkeitsstrom in das erste Bett mit strukturierter Packung eintritt; die Flüssigkeit an einer Stelle zwischen dem ersten Bett mit strukturierter Packung und dem zweiten Bett mit strukturierter Packung gesammelt und verteilt wird, um eine erneute Verteilung eines Flüssigkeitsstroms von dem ersten Bett mit strukturierter Packung zu ermöglichen, bevor der Flüssigkeitsstrom in das zweite Bett mit strukturierter Packung eintritt; und die Flüssigkeit, die das zweite Bett (104) mit strukturierter Packung verlässt, mittels einer Anordnung (108) mit Böden gesammelt und erneut verteilt wird, bevor die Flüssigkeit die Auslassstelle erreicht.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das erste Bett (102) mit strukturierter Packung und das zweite Bett (104) mit strukturierter Packung zusammen X theoretische Stufen aufweisen, wobei das zweite Bett mit strukturierter Packung etwa ein Drittel bis etwa zwei Drittel der X theoretischen Stufen aufweist, und wobei das erste Bett mit strukturierter Packung den Rest der X theoretischen Stufen aufweist, die das zweite Bett mit strukturierter Packung nicht aufweist.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das erste Bett (102) mit strukturierter Packung und das zweite Bett (104) mit strukturierter Packung zusammen X theoretische Stufen aufweisen, und wobei das erste Bett mit strukturierter Packung und das zweite Bett mit strukturierter Packung jeweils etwa die Hälfte der X theoretischen Stufen aufweisen.
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