EP0299364A2 - Process and apparatus for air separation by rectification - Google Patents
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Definitions
- the liquid high-purity nitrogen is at least partially supercooled. This makes it easier to store the liquid product portion in a tank.
- the cooling is preferably carried out in indirect heat exchange with nitrogen from the second rectification stage.
- the nitrogen can then be led into a separator and removed from it as a liquid.
- the oxygen-rich fraction from the bottom of the first stage 2 is removed via a line 8, subcooled in the heat exchanger 5 and removed therefrom at an intermediate point which is at a higher temperature level than the nitrogen-rich fraction 4 supplied.
- the removal of the liquid high-purity oxygen via line 25 or the gaseous high-purity oxygen via line 26 takes place here some floors above the sump.
- the preferably three to five rectification trays retain undesirable fractions such as krypton, xenon and hydrocarbons, which can get into the bottom of the ultrapure oxygen column 23 by enriching traces or by penetrating through a less dense point on the condenser-evaporator 28.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftzerlegung durch Rektifikation, bei dem die Luft in einer ersten Rektifizierstufe in eine stickstoffreiche und eine sauerstoffreiche Fraktion vorzerlegt wird und die beiden Fraktionen einer zweiten Rektifizierstufe zugeführt und in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.The invention relates to a method for air separation by rectification, in which the air is pre-divided into a nitrogen-rich and an oxygen-rich fraction in a first rectification stage and the two fractions are fed to a second rectification stage and decomposed into oxygen and nitrogen. The invention further relates to an apparatus for performing such a method.
Ein solches Verfahren, bei dem Sauerstoff und Stickstoff durch zweistufige Rektifikation gewonnen werden, ist in der US-PS 4,575,388 beschrieben worden. Die Zerlegungsprodukte Sauerstoff und Stickstoff werden dabei dem Sumpf beziehungsweise dem Kopf der zweiten Rektifizierstufe entnommen.Such a process, in which oxygen and nitrogen are obtained by two-stage rectification, has been described in US Pat. No. 4,575,388. The decomposition products oxygen and nitrogen are removed from the bottom or the top of the second rectification stage.
Die US-PS 4,575,388 zeigt auch eine Rohargonkolonne, in die mit Argon angereichertes Gas aus der zweiten Rektifizierstufe eingeführt wird. Aus der Rohargonkolonne wird eine in wesentlichen aus Sauerstoff bestehende flüssige Sumpffraktion in die zweite Rektifizierstufe zurückgeleitet.US Pat. No. 4,575,388 also shows a crude argon column into which argon-enriched gas from the second rectification stage is introduced. A liquid bottom fraction consisting essentially of oxygen is returned from the crude argon column to the second rectification stage.
Die sauerstoffreiche Flüssigkeit, die im Sumpf der Rohargonkolonne anfällt, weist eine relativ hohe Konzentration an Verunreinigungen auf, da die mit Argon angereicherte Fraktion aus der zweiten Rektifizierstufe neben Sauerstoff und Stickstoff noch Krypton, Xenon und Kohlenwasserstoffe enthält, die sich alle im Sumpf der Rohargonkolonne ansammeln. Durch die Rückführung der Sumpfflüssigkeit in die zweite Rektifizierstufe gelangen die Verunreinigungen in den Sumpf der zweiten Rektifizierstufe und damit in den als Zerlegungsprodukt entnommenen Sauerstoff.The oxygen-rich liquid that accumulates in the bottom of the crude argon column has a relatively high concentration of impurities, since the fraction enriched with argon from the second rectification stage contains not only oxygen and nitrogen, but also krypton, xenon and hydrocarbons, all of which collect in the bottom of the crude argon column . By returning the bottom liquid to the second rectification stage, the impurities get into the bottom of the second rectification stage and thus into the oxygen removed as a decomposition product.
Aufgrund der Verunreinigungen im Sauerstoff erlaubt es das Verfahren nicht, hochreinen, insbesondere flüssigen Sauerstoff, der frei von Krypton, Xenon und Kohlenwasserstoffen ist, aus der zweiten Rektifizierstufe zu gewinnen. Hochreiner Sauerstoff wird beispielsweise in der Elektronikindustrie benötigt.Because of the impurities in the oxygen, the process does not allow high-purity, in particular liquid, oxygen which is free from krypton, xenon and hydrocarbons to be obtained from the second rectification stage. High-purity oxygen is required, for example, in the electronics industry.
Auch Stickstoff, der in dem bekannten Verfahren gewonnen wird, enthält Spuren von anderen Gasen, beispielsweise von Helium, Neon, Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Für die moderne Halbleiterindustrie wird jedoch Stickstoff höchster Reinheit benötigt.Nitrogen, which is obtained in the known process, also contains traces of other gases, for example of helium, neon, hydrogen and carbon monoxide. However, nitrogen of the highest purity is required for the modern semiconductor industry.
Die Entfernung von Kohlenmonoxid kann katalytisch durchgeführt werden. Ein üblicherweise am Kopf der ersten Rektifizierstufe angebrachter Heliumablaß kann jedoch nur eine geringe Reduktion an Helium, Neon und Wasserstoff bewirken.The removal of carbon monoxide can be carried out catalytically. However, a helium discharge usually attached to the head of the first rectification stage can only bring about a slight reduction in helium, neon and hydrogen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das die Erzeugung von hochreinen Zerlegungsprodukten, vorzugsweise von hochreinem Sauerstoff und hochreinem Stickstoff ermöglicht.The invention is therefore based on the object of developing a method of the type mentioned at the outset which enables the production of high-purity decomposition products, preferably high-purity oxygen and high-purity nitrogen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus einer Rohargonkolonne, in die ein im wesentlichen Sauerstoff und Argon enthaltender Strom aus der zweiten Rektifizierstufe eingeführt wird, eine weitere Fraktion oberhalb des Sumpfes entnommen und in einer Reinstsauerstoffkolonne in hochreinen Sauerstoff und eine leichtere Restfraktion zerlegt wird.This object is achieved in that a further fraction above the bottom is taken from a crude argon column into which a stream essentially containing oxygen and argon is introduced from the second rectification stage and is broken down into high-purity oxygen and a lighter residual fraction in a high-purity oxygen column.
Mit Hilfe dieser Verfahrensschritte kann Sauerstoff als hochreines Zerlegungsprodukt hergestellt werden, das im wesentlichen frei von Argon, Krypton, Xenon und Kohlenwasserstoffen ist.With the aid of these process steps, oxygen can be produced as a high-purity decomposition product which is essentially free of argon, krypton, xenon and hydrocarbons.
Die Konzentration an Krypton, Xenon und Kohlenwasserstoffen in der Rohargonkolonne nimmt vom Kolonnensumpf nach oben ab. Die oberhalb des Kolonnensumpfes entnommene Fraktion enthält daher lediglich noch die Komponenten Sauerstoff, Argon und Stickstoff, während sie frei von Krypton, Xenon und Kohlenwasserstoffen ist. In der Reinstsauerstoffkolonne wird der Sauerstoff rektifikatorisch von Stickstoff und Argon abgetrennt. Auf diese Weise läßt sich Sauerstoff mit einer Reinheit von weniger als jeweils 10 ppm, vorzugsweise weniger als 5 ppm, höchst vorzugsweise weniger als 2 ppm Kohlenwasserstoffen, Krypton, Xenon und Stickstoff sowie einem Gehalt von weniger als 20 ppm, vorzugsweise weniger als 15 ppm Argon herstellen.The concentration of krypton, xenon and hydrocarbons in the crude argon column decreases from the bottom of the column. The fraction removed above the bottom of the column therefore only contains the components oxygen, argon and nitrogen, while it is free from krypton, xenon and hydrocarbons. In the high-purity oxygen column, the oxygen is separated by rectification from nitrogen and argon. In this way, oxygen with a purity of less than 10 ppm, preferably less than 5 ppm, most preferably less than 2 ppm of hydrocarbons, krypton, xenon and nitrogen and a content of less than 20 ppm, preferably less than 15 ppm, of argon produce.
Der im Sumpf der Reinstsauerstoffkolonne gewonnene Sauerstoff wird vorzugsweise in flüssiger Form entnommen. Soll mit dem Verfahren hochreiner gasförmiger Sauerstoff erzeugt werden, so wird zumindest ein Teil des hochreinen Sauerstoffs gasförmig aus der Reinstsauerstoffkolonne entnommen. Die Entnahme erfolgt heirbei dicht oberhalb des Kolonnensumpfes.The oxygen obtained in the bottom of the ultrapure oxygen column is preferably withdrawn in liquid form. If high-purity gaseous oxygen is to be produced using the method, at least a portion of the high-purity oxygen is removed in gaseous form from the high-purity oxygen column. The removal takes place just above the bottom of the column.
Die Restfraktion, die im wesentlichen Sauerstoff, Argon und Stickstoff enthält, wird vom Kopf der Reinstsauerstoffkolonne abgeführt und vorzugsweise oberhalb der Entnahmestelle der weiteren Fraktion in die Rohargonkolonne oder in die zweite Rektifizierstufe zurückgeleitet.The residual fraction, which essentially contains oxygen, argon and nitrogen, is removed from the top of the high-purity oxygen column and preferably returned to the crude argon column or to the second rectification stage above the removal point of the further fraction.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die weitere Fraktion in flüssiger Form entnommen und als Rücklaufflüssigkeit auf die Reinstsauerstoffkolonne aufgegeben.In a preferred development of the method according to the invention, the further fraction is removed in liquid form and added to the ultrapure oxygen column as reflux liquid.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Entnahme der weiteren Fraktion mehrere Böden oberhalb des Säulensumpfes der Rohargonkolonne.According to a preferred development of the method according to the invention, the further fraction is removed from several trays above the column bottom of the crude argon column.
Die Böden zwischen dem Säulensumpf und der Entnahmestelle wirken als Sperre für die unerwünschten Anteile Krypton, Xenon und Kohlenwasserstoffen. Vorzugsweise sind drei bis fünf Rektifizierböden als Sperre vorgesehen.The bottoms between the column sump and the tapping point act as a barrier to the undesirable proportions of krypton, xenon and hydrocarbons. Preferably three to five rectification trays are provided as a barrier.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der hochreine Sauerstoff mehrere Böden oberhalb des Sumpfes der Reinstsauerstoffkolonne (23) entnommen.In a preferred development of the method according to the invention, the high-purity oxygen is removed from a plurality of trays above the bottom of the ultrapure oxygen column (23).
Die einzige Fraktion, die in die Reinstsauerstoffkolonne eingeführt wird, enthält zwar im allgemeinen solche Verunreinigungen nur in Größenordnungen weit unterhalb von ppm. Trotzdem können sich solche Anteile durch Anreicherung von kleinsten Spuren oder durch Eindringen von außen beispielsweise durch undichte Stellen in der Sumpfheizung in den Sumpf der Reinstsauerstoffkolonne gelangen. Deswegen ist die Entnahme einige, vorzugsweise drei bis fünf Böden oberhalb des Sumpfes der Reinstsauerstoffkolonne besonders günstig, da diese Böden - wie in der Rohargonsäule - als Sperre für unerwünschte Spuren von Krypton, Xenon und Kohlenwasserstoffen dienen. Der hochreine Sauerstoff kann an dieser Stelle sowohl flüssig als auch gasförmig entnommen werden. Um eine langsame Anreicherung von Verunreinigungen im Sumpf während des Betriebs zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn ein kleiner Teil der Sumpfflüssigkeit aus der Reinstsauerstoffkolonne herausgeführt und verworfen oder in die zweite Rektifizierstufe zurückgeführt wird.The only fraction that is introduced into the ultrapure oxygen column generally contains such impurities only in orders of magnitude far below ppm. Nevertheless, such fractions can get into the bottom of the ultrapure oxygen column by enriching the smallest traces or by penetrating from the outside, for example through leaks in the bottom heater. For this reason, the removal of a few, preferably three to five trays above the bottom of the ultra-pure oxygen column is particularly advantageous since, as in the crude argon column, these trays serve as a barrier for undesirable traces of krypton, xenon and hydrocarbons. The high-purity oxygen can be withdrawn at this point both in liquid and gaseous form. In order to avoid a slow accumulation of impurities in the sump during operation, it is advantageous if a small part of the sump liquid is led out of the high-purity oxygen column and discarded or returned to the second rectification stage.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Säulensumpf der weiteren Kolonne durch Stickstoff vom Kopf der ersten Rektifizierstufe beheizt.In a further preferred embodiment of the process according to the invention, the column bottom of the further column is heated by nitrogen from the top of the first rectification stage.
Die Beheizung erfolgt vorzugsweise durch Wärmetausch in einem im Sumpf der Reinstsauerstoffkolonne angeordneten Kondensator-Verdampfer. Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Stickstoff bei der Beheizung mindestens teilweise kondensiert und das Kondensat in die Druckstufe zurückgeleitet wird.The heating is preferably carried out by heat exchange in a condenser evaporator arranged in the bottom of the ultrapure oxygen column. It is advantageous here if the nitrogen condenses at least partially during the heating and the condensate is returned to the pressure stage.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt eine zweistufige Rektifizierkolonne und eine mit deren zweiter Stufe verbundene Rohargonkolonne und ist gekennzeichnet durch eine Reinstsauerstoffkolonnne, die mittels einer seitlichen Entnahmeleitung mit der Rohargonkolonne verbunden ist.An apparatus for carrying out the process according to the invention comprises a two-stage rectification column and a crude argon column connected to the second stage thereof and is characterized by a high-purity oxygen column which is connected to the crude argon column by means of a side removal line.
Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die seitliche Entnahmeleitung mehrere Rektifizierböden oberhalb des Sumpfes der Rohargonkolonne angeordnet.In a further development of the device according to the invention, the lateral removal line is arranged a plurality of rectifying trays above the bottom of the crude argon column.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, daß eine weitere stickstoffreiche Fraktion vom Kopf der ersten Rektifizierstufe in eine Reinststickstoffkolonne eingeführt und dort in eine Sumpfflüssigkeit und in eine Restgasfraktion zerlegt wird.The object on which the invention is based is further achieved in that a further nitrogen-rich fraction is introduced from the top of the first rectification stage into a high-purity nitrogen column and is broken down there into a bottom liquid and into a residual gas fraction.
Durch die Anwendung dieser Verfahrensschritte kann Stickstoff als sehr reines Zerlegungsprodukt hergestellt werden. Dazu werden in der Reinststickstoffkolonne Helium, Neon, Wasserstoff und Kohlenmonoxid rektifikatorisch vom Stickstoff abgetrennt und in einer Restgasfraktion herausgeführt. Die Restgasfraktion kann beispielsweise unreinem Stickstoff, der üblicherweise der zweiten Rektifizierstufe entnommen und zur Regenerierung von Molsiebadsorbern eingesetzt wird, beigemischt werden.By using these process steps, nitrogen can be produced as a very pure decomposition product. For this purpose, helium, neon, hydrogen and carbon monoxide are rectified from the nitrogen in the high-purity nitrogen column and removed in a residual gas fraction. The residual gas fraction can, for example, be admixed with impure nitrogen, which is usually taken from the second rectification stage and used to regenerate molecular sieve adsorbers.
Die Sumpfflüssigkeit der Reinststickstoffkolonne wird vorzugsweise zum Kopf der ersten Rektifizierstufe zurückgeleitet.The bottom liquid of the high-purity nitrogen column is preferably returned to the top of the first rectification stage.
Mit Hilfe dieser Maßnahme erhöht sich die Stickstoffreinheit im Kopf der ersten Rektifizierstufe und es kann zusätzlich Stickstoff mit hoher Reinheit gewonnen werden. Der hochreine Stickstoff wird vorzugsweise in flüssiger Form vom Kopf der ersten Rektifizierstufe entnommen.With the help of this measure, the nitrogen purity increases in the head of the first rectification stage and nitrogen with high purity can also be obtained. The high-purity nitrogen is preferably removed in liquid form from the top of the first rectification stage.
Insbesondere erweist es sich hierbei als vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes einige Böden unterhalb des Kopfes der ersten Rektifizierstufe eine flüssige Fraktion aus hochreinem Stickstoff entnommen wird.In particular, it proves to be advantageous if, in a further embodiment of the subject of the invention, a liquid fraction from high-purity nitrogen is removed from some trays below the head of the first rectification stage.
Durch die Zwischenböden unterhalb des Kopfkondensators werden Reste von leichten Gasen wie Helium, Neon oder Wasserstoff zurückgehalten, die sich trotz eines Heliumablasses auch bei Anwendung der zusätzlichen Rektifikation in der Reinststickstoffkolonne am Kopf der ersten Rektifizierstufe anreichern können. Der flüssige hochreine Stickstoff weist eine Reinheit von 99,999% auf und enthält noch Argon, Helium, Neon, Wasserstoff und Kohlenmonoxid.The intermediate plates below the top condenser retain residues of light gases such as helium, neon or hydrogen, which despite helium discharge can accumulate at the top of the first rectification stage even when additional rectification is used in the high-purity nitrogen column. The liquid high-purity nitrogen has a purity of 99.999% and still contains argon, helium, neon, hydrogen and carbon monoxide.
In einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der flüssige hochreine Stickstoff mindestens teilweise unterkühlt. Dadurch wird die Speicherung des Flüssigproduktanteils in einem Tank erleichtert. Die Abkühlung wird vorzugsweise in indirektem Wärmetausch mit Stickstoff aus der zweiten Rektifizierstufe durchgeführt. Danach kann der Stickstoff in einen Abscheider geführt und aus diesem als Flüssigkeit entnommen werden.In a favorable further development of the method according to the invention, the liquid high-purity nitrogen is at least partially supercooled. This makes it easier to store the liquid product portion in a tank. The cooling is preferably carried out in indirect heat exchange with nitrogen from the second rectification stage. The nitrogen can then be led into a separator and removed from it as a liquid.
Falls ein Teil des hochreinen Stickstoffs gasförmig gewonnen werden soll, erweist es sich als günstig, wenn der flüssige hochreine Stickstoff mindestens teilsweise in Wärmetausch mit kondensierendem Stickstoff aus dem Kopf der ersten Rektifizierstufe verdampft wird.If part of the high-purity nitrogen is to be obtained in gaseous form, it proves to be advantageous if the liquid high-purity nitrogen is evaporated from the top of the first rectification stage at least partially in heat exchange with condensing nitrogen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Gewinnung von hochreinem Stickstoff umfaßt eine Reinststickstoffkolonne, die durch eine Gasleitung und durch eine Flüssigkeitsleitung mit der ersten Rektifizierstufe verbunden ist, und eine Entnahmeleitung für hochreinen Stickstoff, die einige Böden unterhalb des Kopfes an der ersten Rektifiziersztufe angebracht ist.An apparatus for performing the high purity nitrogen recovery process includes a high purity nitrogen column connected to the first rectification stage by a gas line and a liquid line, and a high purity nitrogen bleed line attached to the first rectification stage some trays below the head.
In einer bevorzugten Weiterbildung werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verfahrensschritte aus einem der Ansprüche 1 bis 5 und die Verfahrensschritte aus einem der Ansprüche 8 bis 12 gemeinsam angewandt und außerdem die Sumpfflüssigkeit der Reinstsauerstoffkolonne durch Wärmetausch mit dem Gas im Kopf der Reinststickstoffkolonne beheizt.In a preferred development, the process steps from one of
Auf diese Weise können sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff als Zerlegungsprodukte von höchster Reinheit hergestellt werden. Der Energieaufwand ist durch den Wärmetausch zwischen Reinstsauerstoff- und Reinststickstoffkolonne besonders gering.In this way, both oxygen and nitrogen can be produced as decomposition products of the highest purity. The energy consumption is particularly low due to the heat exchange between the high-purity oxygen and high-purity nitrogen columns.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens weist zusätzlich einen Kondensator-Verdampfer auf, der zwischen Reinstsauerstoff- und Reinststickstoffkolonne angebracht ist. Auf diese Weise können Reinstsauerstoff- und Reinststickstoffkolonne als eine Einheit gefertigt werden, was weitere Einsparungen bei Fertigungs- und Kapitalkosten bewirkt.A device for carrying out this method additionally has a condenser-evaporator which is fitted between the high-purity oxygen and high-purity nitrogen column. In this way, high-purity oxygen and high-purity nitrogen columns can be manufactured as one unit, which brings further savings in production and capital costs.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert:The invention and further details of the invention are explained in more detail with reference to schematically illustrated exemplary embodiments:
Hierbei zeigen:
Figur 1 ein Verfahrensschema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von hochreinem Sauerstoff,Figur 2 eine schematische Darstellung eines Details aus einer weiteren Ausführungsform zur Erzeugung von hochreinem Sauerstoff,Figur 3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von hochreinem Stickstoff undFigur 4 ein Verfahrensschema einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gleichzeitigen Erzeugung von hochreinem Sauerstoff und hochreinem Stickstoff.
- FIG. 1 shows a process diagram of an embodiment of the process according to the invention for producing high-purity oxygen,
- FIG. 2 shows a schematic illustration of a detail from a further embodiment for producing high-purity oxygen,
- FIG. 3 shows an embodiment of the method according to the invention for producing high-purity nitrogen and
- FIG. 4 shows a process diagram of a further embodiment of the process according to the invention for the simultaneous production of high-purity oxygen and high-purity nitrogen.
Gleiche oder analoge Verfahrensschritte beziehungsweise Anlagenteile tragen in den Figuren dieselben Bezugszeichen.Identical or analogous process steps or plant parts have the same reference symbols in the figures.
Von Verunreinigungen wie CO₂ und H₂O in üblicher Weise vorgereinigte und auf einen Druck von ca. 6,3 bar komprimierte Luft wird über eine Leitung 1 der ersten Stufe 2 einer zweistufigen Rektifizierkolonne 3 zugeführt. Bei einer Temperatur von ca. -177°C wird die Luft in eine stickstoffreiche Fraktion im Kopf und eine sauerstoffreiche Fraktion im Sumpf vorzerlegt. Ein Teil der stickstoffreichen Fraktion wird in flüssiger Form entnommen (Leitung 4), in einem Wärmetauscher 5 unterkühlt, entspannt und mit einer Temperatur von etwa -193°C als Rücklauf auf die zweiten Stufe 6 der Rektifizierkolonne 3 aufgegeben. Die beiden Stufen 2,6 der Rektifizierkolonne 3 stehen über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer 7 in wärmetauschender Verbindung miteinander.From impurities such as CO₂ and H₂O pre-cleaned in the usual way and compressed to a pressure of about 6.3 bar, air is fed via a
Die sauerstoffreiche Fraktion aus dem Sumpf der ersten Stufe 2 wird über eine Leitung 8 entnommen, im Wärmetauscher 5 unterkühlt und an einer Zwischenstelle, die auf einem höheren Temperaturniveau als die zugeführte stickstoffreiche Fraktion 4 liegt, daraus entnommen. Ein Teil der sauerstoffreichen Fraktion, die auf einer Temperatur von ca. -182°C ist, wird an einer Zwischenstelle auf die zweite Stufe 6 aufgegeben, während der Rest als Kühlmittel einem Kondensator-Verdampfer 9 im Kopf einer Rohargonkolonne 10 zugeführt wird.The oxygen-rich fraction from the bottom of the
Ein weiterer vorgereinigter Luftstrom, der zur Kälteerzeugung komprimiert und anschließend entspannt worden ist, wird über eine Leitung 11 der zweiten Stufe 6 etwa in Höhe der Zuführung der sauerstoffreichen Fraktion 8 zugeführt. In der zweiten Stufe 6, die bei einer Temperatur von ca. -179°C und einem Druck von ca. 1,6 bar betrieben wird, werden die Vorzerlegungsfraktionen aus der ersten Stufe in reinen Sauerstoff, der im Kolonnensumpf gewonnen wird und reinen Stickstoff, der im Kopf der Kolonne gewonnen wird, zerlegt. Der Sauerstoff hat typischerweise eine Reinheit von 99,5 % und enthält noch ca. 0,5% Argon und zusätzlich das gesamte Krypton und Xenon sowie die Kohlenwasserstoffe im ppm-Bereich, die in der Luft vorhanden sind.Another pre-cleaned air stream, which has been compressed to generate cold and then expanded, is fed via a
Der Sauerstoff wird gasförmig oberhalb des Kolonnensumpfes über eine Leitung 12 und/oder in flüssiger Form aus dem Kolonnensumpf über eine Leitung 13 entnommen. Der flüssige Sauerstoff wird im Wärmetauscher 5 unterkühlt.The oxygen is withdrawn in gaseous form above the column bottom via a
Aus dem Kopf der zweiten Stufe 6 wird flüssiger Stickstoff (Leitung 14) mit einer Reinheit von 99,995 % herausgeführt. Gasförmiger reiner Stickstoff mit einer Reinheit von 99,995% wird über eine Leitung 15 vom Kopf der zweiten Stufe 6 entnommen. Diese beiden Stickstofffraktionen sind noch durch die üblichen Bestandteile wie Sauerstoff, Argon, Helium, Neon, Wasserstoff und Kohlenmonoxid verunreinigt.Liquid nitrogen (line 14) with a purity of 99.995% is led out of the top of the
Unreiner gasförmiger Stickstoff (ca. 0,15% O₂-Gehalt) wird über eine Leitung 16 aus dem oberen Kolonnendrittel entnommen. Die beiden gasförmigen Stickstoffströme werden im Wärmetauscher 5 angewärmt und aus der Anlage abgeführt.Impure gaseous nitrogen (about 0.15% O₂ content) is removed via a
Etwas unterhalb der Kolonnenmitte, etwa zwischen dem 35. und 36. Boden bei einer Gesamtbodenzahl von 96 ist die Argonkonzentration in der zweiten Stufe 6 am höchsten. In Höhe dieser Stelle wird über eine Leitung 17 eine Fraktion aus der zweiten Stufe entnommen, die bis 91% O₂ wenige ppm N₂ bis 9% Argon sowie Spuren von Xenon, Krypton, Kohlenwasserstoffen im ppm-Bereich enthält. Diese Fraktion wird der Rohargonkolonne 10 an ihrem unteren Ende zugeführt und dort durch Rektifikation in eine gasförmige Rohargonfraktion, die vom Kopf der Rohargonkolonne über eine Leitung 18 entnommen wird und eine flüssige Sumpffraktion, die über eine Leitung 19 in die zweite Stufe zurückgeleitet wird, zerlegt. Die Rohargonfraktion weist vorzugsweise eine Zusammensetzung von 2% O₂, 97% Argon und 1% N₂ auf, die Sumpfflüssigkeit eine Zusammensetzung von 94% O₂, 6% Argon auf.The argon concentration is highest in the
Eine Teil des Rohargons wird unter Bildung von Rücklaufflüssigkeit im Kondensator-Verdampfer 9 durch Wärmetausch mit zuvor entspannter sauerstoffreicher Flüssigkeit aus der ersten Rektifizierstufe 2 kondensiert. Dabei wird die sauerstoffreiche Flüssigkeit zum Teil verdampft. Der verdampft Anteil wird über eine Leitung 20 entnommen und zusammen mit aus dem Verdampferraum entnommener Flüssigkeit (Leitung 21) in die zweite Stufe 6 geleitet. Drei bis fünf Böden oberhalb der Sumpfflüssigkeit wird eine flüssige Fraktion über eine Leitung 22 aus der Rohargonkolonne entnommen und auf eine Reinstsauerstoffkolonne 23 aufgegeben. Die Fraktion 22 besteht nur noch aus den Komponenten O₂, Argon und N₂ und ist frei von Krypton, Xenon und Kohlenwasserstoffen. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Verunreinigungen (Krypton, Xenon, Kohlenwasserstoffe durch die Böden zwischen dem Kolonnensumpf und der Entnahmestelle im Kolonnensumpf festgehalten werden und über die Leitung 19 in die zweite Stufe 6 zurückgeschleust werden.Part of the crude argon is condensed from the
In der Reinstsauerstoffkolonne 23, die bei einer Temperatur von -179°C und einem Druck von 1,5 bar betrieben wird, werden Stickstoff und Argon vom Sauerstoff abgetrennt und als gasför mige Restfraktion über eine Leitung 24 vom Kopf entnommen und oberhalb der Entnahmestelle der flüssigen Fraktion 22 in die Rohargonkolonne 10 oder oberhalb der Leitung 17 in die Kolonne 6 (gestrichelte Leitung 42) zurückgeleitet. Aus dem Sumpf der Reinstsauerstoffkolonne 23 wird hochreiner flüssiger Sauerstoff mit einer Reinheit von 99,999% über eine Leitung 25 entnommen. Der Sauerstoff weist typisch folgende Verunreinigungen auf: Kohlenwasserstoffe, Krypton, Xenon, Stickstoff jeweils weniger als 1 ppm, Argon weniger als 10 ppm. Der hochreine flüssige Sauerstoff wird im Wärmetauscher 5 unterkühlt und anschließend aus der Anlage abgeführt. Bei Bedarf kann zusätzlich oder alternativ hochreiner gasförmiger Sauerstoff oberhalb des Kolonnensumpfes über eine Leitung 26 entnommen werden.In the high-
Die Beheizung des Kolonnensumpfes erfolgt durch Stickstoff, der vom Kopf der ersten Stufe 2 entnommen und über eine Leitung 27 einem im Kolonnensumpf angeordneten Kondensator-Verdampfer 28 zugeführt wird. Bei dem Wärmetausch kondensiert der Stickstoff und wird über eine Leitung 29 wieder in den Kopf der ersten Stufe 2 zurückgeleitet. Ein Teil des gasförmigen Stickstoffs wird von der Leitung 27 abgezweigt und über eine Leitung 30 entnommen.The column sump is heated by nitrogen, which is removed from the top of the
Figur 2 zeigt eine Abwandlung der Verfahrens der Figur 1. Da der größte Teil des abgewandelten Verfahrens mit dem der Figur 1 identisch ist, ist in Figur 2 lediglich die Reinstsauerstoffkolonne 23 dargestellt.FIG. 2 shows a modification of the method of FIG. 1. Since the major part of the modified method is identical to that of FIG. 1, only the
Die Entnahme des flüssigen hochreinen Sauerstoffs über Leitung 25 beziehungsweise des gasförmigen hochreinen Sauerstoffs über Leitung 26 erfolgt hier einige Böden oberhalb des Sumpfes. Die vorzugsweise drei bis fünf Rektifizierböden halten unerwünschte Anteile wie Krypton, Xenon und Kohlenwasserstoffe zurück, die durch Anreichern von Spuren oder durch Eindringen durch weniger dichte Stelle am Kondensator-Verdampfer 28 in den Sumpf der Reinstsauerstoffkolonne 23 gelangen können.The removal of the liquid high-purity oxygen via
Leitung 43 dient zum Abführen einer kleinen Menge Sumpfflüssigkeit, die entweder verworfen oder in die zweite Rektifizierstufe zurückgeleitet wird. Auf diese Weise kann die Anreicherung von unerwünschten Anteilen im Sumpf der Reinstsauerstoffkolonne 23 weitgehend verhindert werden.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem hochreiner Stickstoff erzeugt wird. Analoge Anlagenteile sind mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen.FIG. 3 shows a further embodiment of the method according to the invention, in which high-purity nitrogen is generated. Analog system parts are provided with the same reference numerals as in Figure 1.
Gasförmiger Stickstoff aus dem Kopf der ersten Rektifizierstufe 2 wird über Leitung 27 in eine Reinststickstoffkolonne 31, die etwa beim gleichen Druck wie die erste Rektifizierstufe betrieben wird, eingespeist und dort in eine flüssige Sumpffraktion und in eine Restgasfraktion getrennt. Die Restgasfraktion enthält unerwünschte Anteile wie Helium, Neon und Kohlenmonoxid und wird über Leitung 33 abgezogen und der unreinen Stickstofffraktion 16 aus der zweiten Rektifizierstufe 6 beigemischt.Gaseous nitrogen from the top of the
Die Sumpffraktion fließt über Leitung 29 zurück zur ersten Rektifizierstufe, aus der über Leitung 34 hochreiner Stickstoff abgezogen wird. Zwischen Kopfkondensator und Entnahmestelle für Leitung 34 liegen zwei bis fünf Rektifizierböden, die als Sperre für Helium, Neon und Kohlenmonoxid wirken, deren Konzentration im Kopf der Kolonne am größten ist. Der hochreine Stickstoff 34 weist eine Reinheit von 99,999% auf, der Rest besteht im wesentlichen aus Argon.The bottom fraction flows back via
Neben der Leitung 27 mündet eine weitere Leitung 32 in die Reinststickstoffkolonne 31. Die Leitung 32 ist unmittelbar am Kondensator 7 angeschlossen und wird auch als Heliumablaß bezeichnet. In diesem Bereich reichern sich die Luftbestandteile Helium, Neon und Kohlenmonoxid an. Diese Bestandteile werden zusammen mit dem Stickstoff über die Leitung 32 aus der Ersten Stufe 2 abgeführt und mit der Kopffraktion der Reinststick stoffkolonne 31 entnommen.In addition to the
Der Kopf der Reinststickstoffkolonne 31 wird mit sauerstoffreicher Flüssigkeit 46 gekühlt, die aus dem Sumpf der ersten Rektifizierstufe 2 stammt. Die sauerstoffreiche Flüssigkeit wird dabei teilweise verdampft, verläßt den Kopfkondensator der Reinststickstoffkolonne 31 über Leitung 44 beziehungsweise 45 und wird anschließend in die zweite Rektifizierstufe 6 eingeleitet.The top of the high-
Sofern der hochreine Stickstoff in flüssiger Form gewünscht wird, wird der über Leitung 34 entnommene Stickstoffe in Wärmetauscher 5 unterkühlt und anschließend entspannt. Das bei der Entspannung entstehende Flashgas wird in einem Abscheider 35 abgetrennt und über eine Leitung 36 dem Stickstoff in Leitung 15 zugemischt. Über Leitung 37 kann flüssiger Stickstoff höchster Reinheit entnommen werden.If the high-purity nitrogen is desired in liquid form, the nitrogen removed via
Sofern zusätzlich oder alternativ hochreiner Stickstoff als Gas benötigt wird, wird der hochreine flüssige Stickstoff (Leitung 38) teilweise oder ganz ohne vorherige Unterkühlung entspannt und einem Verdampfer 39 zugeführt. Der Verdampfer wird durch einen Teilstrom des gasförmigen Stickstoffs in Leitung 30 beheizt, der über eine Leitung 40 abgezweigt und nach dem Wärmetausch im Verdampfer 39 der stickstoffreichen Fraktion 4 zugemischt wird. Der hochreine gasförmige Stickstoff wird über eine Leitung 41 aus dem Verdampfer 39 abgeführt.If, in addition or as an alternative, high-purity nitrogen is required as a gas, the high-purity liquid nitrogen (line 38) is partially or completely expanded without prior cooling and fed to an
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei sowohl hochreiner Sauerstoff als auch hochreiner Stickstoff hergestellt werden kann, ist in Figur 4 dargestellt. Hier sind die Reinstsauerstoffkolonne 23 und die Reinststickstoffkolonne 31 zu einer Einheit zusammengefaßt und stehen über einen nunmehr gemeinsamen Kondensator-Verdampfer 28 in wärmetauschender Verbindung. Dadurch können die Beheizung des Sumpfes der Reinstsauerstoffkolonne 27 und die Kühlung des Kopfes der Reinststickstoffsäule 31 mit Hilfe von nur einer Wärmetauschapparatur durchgeführt werden.An embodiment of the method according to the invention, in which both high-purity oxygen and high-purity nitrogen can be produced, is shown in FIG. Here the high-
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