EP1102954B1 - Verfahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

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EP1102954B1
EP1102954B1 EP99939452A EP99939452A EP1102954B1 EP 1102954 B1 EP1102954 B1 EP 1102954B1 EP 99939452 A EP99939452 A EP 99939452A EP 99939452 A EP99939452 A EP 99939452A EP 1102954 B1 EP1102954 B1 EP 1102954B1
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EP
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pressure column
fraction
liquid
oxygen
column
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Jürgen Voit
Gerhard Pompl
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Linde GmbH
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/923—Inert gas
    • Y10S62/925—Xenon or krypton

Definitions

  • the invention relates to a method for the low-temperature separation of air, in which compressed and pre-cleaned feed air in a rectification system for nitrogen-oxygen separation is initiated, which has a pressure column, wherein at least part of the compressed and pre-cleaned feed air of the pressure column is fed and being an oxygen-enriched fraction of the pressure column removed and a further step within the rectification system is forwarded.
  • the invention is especially on a single column with head cooling by a Oxygen-enriched liquid from the pressure column can be used (Hausen / Linde, Page 330, Figure 4.31.). Examples of two-column systems can also be found in Hausen / Linde (page 284, Figure 4.3. and various examples in sections 4.5.1 and 4.5.2).
  • A is used to generate rising steam for the low pressure column Part of the bottom liquid in a condenser evaporator (usually as Main condenser) evaporates, for example with a gas fraction is operated from the pressure column or with air as a heating medium.
  • the condenser evaporator can be realized by one or more heat exchanger blocks, which are operated, for example, as circulation and / or falling film evaporators.
  • the rectification system for nitrogen-oxygen separation in the sense of the invention also includes heat exchangers such as condenser evaporators that are used to Operation of the separation column (s) are required for nitrogen-oxygen separation (especially the main capacitor of a double column or the top capacitor a single column).
  • heat exchangers such as condenser evaporators that are used to Operation of the separation column (s) are required for nitrogen-oxygen separation (especially the main capacitor of a double column or the top capacitor a single column).
  • the method according to the invention and the corresponding one Device can be used if necessary outside the rectification system for nitrogen-oxygen separation additional separation columns for the extraction of further Have air components, such as noble gases such as argon, helium, neon, krypton or Xenon (see Hausen / Linde, Chapter 4.5.4).
  • the oxygen-enriched fraction from the bottom of the Pressure column removed before proceeding to another step within the Rectification system is fed.
  • This further step can, for example by further separation in the low pressure column of a double column system or by evaporation, for example in the top condenser One column system are formed.
  • a cleaning device could be used that removes the undesired substances from the oxygen-enriched fraction.
  • the entire oxygen-enriched fraction in the case of a double column: the bottom liquid of the pressure column
  • an adsorber to remove N 2 O.
  • This procedure solves the operational problems in the evaporator, but means a relatively high investment.
  • the adsorber must be regenerated from time to time, which leads to further operational outlay even with a switchable device.
  • the evaporation should take place at such a high temperature that precipitation of less volatile impurities is avoided, for example by introducing the liquid scavenging fraction into a residual gas fraction at a medium temperature.
  • Another possibility is to recover the cold in a heat exchanger with switchable passages (Revex). All of these methods can be useful in certain systems, but have the disadvantage that the separation work performed on the rinsing fraction is lost and there is therefore a high level of operational complexity in the form of additional energy requirements.
  • the invention is therefore based on the object of a method of the beginning mentioned type and a corresponding device so that the operational expenditure in the entire process can be kept particularly low can.
  • the rinsing fraction which is formed by at least a part, preferably all, of the bottom liquid of the pressure column, is fed to a device for removing N 2 O without prior evaporation.
  • the cleaned rinsing fraction downstream of this device can be fed to further work steps inside or outside the rectification system for nitrogen-oxygen separation without the N 2 O being threatened in the course of these work steps.
  • the further work step can have, for example, a column for nitrogen-oxygen separation or a condenser-evaporator for generating return for such a column, such as the low-pressure column of a two-column system for nitrogen-oxygen separation or the top condenser of the pressure column.
  • the mass transfer section between the point of the feed air supply (usually at the bottom of the pressure column) and the removal of the oxygen-enriched fraction enables a largely complete washing out of the less volatile impurities, in particular N 2 O, from the feed air into the bottom of the pressure column. It is formed either by at least one practical shelf or by a packing section with a separating effect from at least one theoretical shelf. There are preferably 1 to 10, most preferably 3 to 5 theoretical or practical trays between the air supply or pressure column sump on the one hand and the point of withdrawal of the oxygen-enriched liquid on the other. (If only practical floors are used as mass transfer elements in this section, the information in practical plate numbers applies; if packing, packing or combinations of different types of material exchange elements are used, the data in theoretical plate numbers are to be used.)
  • the pressure column can be implemented as a single container.
  • different sections can be enclosed by separate containers.
  • the mass transfer section which is used to wash out N 2 O, can be constructed separately from the rest of the pressure column (see device according to claim 11).
  • the oxygen-enriched fraction contains, for example, less than 1 ppb N 2 O (molar concentration less than 10 -9 ), preferably the molar N 2 O concentration is 10 -12 or less.
  • the less volatile impurities such as N 2 O are removed with the liquid rinsing fraction from the bottom of the pressure column.
  • the rinsing fraction can be removed continuously or discontinuously.
  • the amount of rinsing fraction withdrawn is determined by the desired or permitted concentration of less volatile components in the rinsing fraction. As a rule, it is set so that there is no loss of solids in the bottom of the pressure column; Under certain circumstances, however, a higher enrichment with solid matter failure is also possible.
  • the flushing fraction amount is, for example, at least 0.1 mol% of the feed air amount fed into the pressure column, preferably 0.15 mol% to 10 mol%, most preferably 0.3 mol% to 5 mol% of the feed air amount. (The information about the rinse fraction amount is to be understood as a time average of the rinse fraction amount, especially in the case of discontinuous removal.)
  • N 2 O is removed from the liquid rinsing fraction in the cleaning stage by physical adsorption.
  • the cleaning stage is therefore formed by a liquid adsorber.
  • This liquid adsorber can be made much more compact than the liquid adsorbers previously used for acetylene removal, through which the entire oxygen-enriched fraction was passed.
  • the N 2 O can be precipitated in a specially designed heat exchanger by evaporating the liquid rinsing fraction in the cleaning stage by indirect heat exchange, with N 2 O being precipitated as a solid and / or liquid during evaporation. They can deposit in the heat exchanger in which the evaporation is carried out. In this case, the evaporation must be carried out discontinuously or in a switchable pair of recuperative or regenerative heat exchangers, so that the deposited solids are removed at certain time intervals. However, it is also possible to continuously withdraw any liquid or solids and the cleaned rinsing fraction.
  • Another possibility is to remove N 2 O from the rinsing fraction in the cleaning stage by countercurrent mass transfer.
  • the rinsing fraction in the liquid state is introduced into an additional separation column, for example at an intermediate point or on the head.
  • the bottom fraction of the separation column is discarded, for example, while the top fraction is processed further, for example in the pressure column.
  • Heat must be supplied to the bottom of the separation column, for example by indirect heat exchange with a warm current (transfer of sensible heat) or with a condensing gas stream of suitable composition by means of an electrically operated heater.
  • head cooling is also necessary, for example by indirect heat exchange with an evaporating process stream of suitable composition and suitable pressure.
  • the cleaning stage has at least one adsorption bed and at least one switchable pair of heat exchangers.
  • the cleaned rinsing fraction can at least partially to a work step outside of this rectification system.
  • Feeding into a system for rectification is preferred Obtaining a noble gas, for example krypton and / or xenon. Examples for such systems can be found in the older German patent application 19823526.7 and in the corresponding applications of the same Applicant, as well as in EP 96610 A, EP 222026 A, DE 1667639 A, DE 1122088 B or in Streich et al., extraction of noble gases in air and ammonia plants, Linde reports from technology and science, 37/1975, 10-14.
  • a noble gas for example krypton and / or xenon.
  • the cleaned rinse fraction is preferably at least partially in a liquid state Exchange column initiated, which serves to exchange krypton and xenon in an inert gas (Nitrogen or argon).
  • This exchange column can also be used with the usual krypton- and xenon-containing use, namely the liquid bottom fraction from the low pressure column of a two-column system.
  • the total air ie the entire feed air, which is broken down in the rectification system, into the pressure column initiated.
  • the total feed air is preferably at least one theoretical or practical floor below the point in the pressure column fed in, from which the oxygen-enriched fraction is withdrawn. So that will avoided that a direct feed of air into further work steps within the rectification system (for example via an air turbine that enters the Low-pressure column of a two-column system leads) unwanted more volatile Impurities enter a work step downstream of the pressure column.
  • process cold is generated by work-relieving expansion of an intermediate fraction which is taken from the pressure column above the air feed.
  • the removal point can be, for example, at the intermediate point at which the oxygen-enriched fraction is removed, at the top of the pressure column, or at any point arranged between these two points.
  • the intermediate fraction is practically N 2 O-free and can therefore be fed to the low-pressure column after the work-relieving expansion.
  • a part of the compressed and pre-cleaned air be branched off upstream of the pressure column and relaxed while performing work; the Relaxed air is then not allowed in the pressure column above the air supply or an operation of the rectification system downstream of the pressure column are supplied, but is mixed, for example, with a residual stream and from removed the procedure.
  • Refrigeration can be caused by an increase in pressure in the intermediate fraction be enlarged.
  • the intermediate fraction can do this in front of the worker Relaxation, for example, taken in gaseous form from the pressure column, warmed and compressed in the gaseous state. It is favorable to this compression use at least part of the mechanical energy that work-related relaxation is gained.
  • the pressure after compression is, for example, 7 to 15 bar, preferably 8 to 12 bar. The high of As in the following paragraph, the pressure difference depends on the cooling requirement specific system.
  • the intermediate fraction is upstream of the work Relaxation in the liquid state withdrawn from the pressure column, in the liquid Condition subjected to an increase in pressure due to indirect heat exchange evaporated and warmed.
  • the liquid pressure increase leads to a pressure of for example 7 to 15 bar, preferably 8 to 12 bar.
  • part of the bottom liquid can
  • the pressure column evaporates and the resulting gas enters the pressure column be returned.
  • This optional sump heating of the pressure column is preferably effected by a condenser-evaporator, which with a suitable process gas is acted as a heating medium.
  • the Sales increased in the section of the pressure column below the removal of the oxygenated fraction. So that other substances, in particular Krypton and / or methane washed into the sump of the pressure column.
  • This effect is further reinforced if the pressure column in this case has another Has mass transfer section, which is arranged below the point at which the compressed and pre-cleaned feed air is introduced into the pressure column and the Shows the extent of some theoretical soils.
  • the invention also relates to a device for the low temperature decomposition of Air according to claim 11 or 12.
  • the main pillar is part of the existing rectification system.
  • the top gas of the precolumn is introduced into the main column via the previous feed air line and the oxygen-enriched fraction can be drawn off via the already existing previous bottom liquid line.
  • the retrofitting can therefore be accomplished by providing a guard column to retain less volatile impurities such as N 2 O. This method can also be useful when building an air separation plant, for example if a particularly low overall height is required.
  • FIG. 1 shows a double column system for nitrogen-oxygen separation.
  • Compressed feed air 1 is fed to a preliminary cleaning 2 and is preferably subjected to adsorption there. Water vapor and CO 2 are almost completely removed from the compressed feed air; In contrast, about 20 to 50% of N 2 O is let through by a conventional molecular sieve.
  • the pre-cleaned feed air 3 is cooled in a main heat exchanger 4 in indirect heat exchange against decomposition products and completely fed via line 5 to the pressure column 6 of the rectification system.
  • the rectification system for nitrogen-oxygen separation also has a low-pressure column 7, which is in heat exchange relationship with the pressure column 6 via a condenser-evaporator, the main condenser 8.
  • pressure nitrogen 9 is generated, which is partially or completely fed to the main condenser 8 and is condensed there at least partially, preferably completely or essentially completely.
  • a portion 11 of the nitrogen 10 liquefied in the main condenser 8 is fed as return to the pressure column 6.
  • At least a part 12 of the remaining condensate is led to the upper area of a low pressure column 7.
  • bottom liquid of the low-pressure column evaporates. The steam generated rises in the low pressure column in counterflow to the return liquid.
  • the main capacitor 8 is located directly in the bottom of the low-pressure column; alternatively, it can be arranged outside the double column.
  • An oxygen-enriched fraction 13 in liquid form is removed from the pressure column 6 and fed to the low-pressure column 7 at an intermediate point as a further insert fraction (14).
  • the oxygen-enriched fraction 13 is not drawn off from the bottom of the pressure column, but from an intermediate point which is arranged above a mass transfer section 15, which corresponds to three theoretical plates in the example. It is therefore free of less volatile impurities such as xenon, C 2 H 4 , N 2 O and C 3 H 8 . This means that no N 2 O can get into the low-pressure column 7 and lead to malfunctions in the main condenser 8.
  • the less volatile constituents are drawn off from the bottom of the pressure column 6 with a liquid rinsing fraction 16 and, in the liquid state, are passed to a cleaning stage 17 in which N 2 O is removed.
  • the N 2 O removal is effected in the exemplary embodiment by means of adsorption.
  • the cleaned liquid rinsing fraction 18 is fed to the low-pressure column 7 together with the oxygen-enriched fraction 13.
  • a separate feed is possible a few floors below.
  • the entire feed air is fed into the pressure column 6 via the line 5; in particular, no feed air reaches the low pressure column 7 without pre-disassembly (for example via a turbine).
  • the mass transfer section 15 below the removal of the oxygen-enriched Fraction 13 can be formed by any known mass transfer element, for example by packing or any type of mass transfer tray; preferably sieve trays or bells and / or with a very small amount of rinsing fraction Chimney floors used.
  • the oxygen product is gaseous from line 21 Subtracted low pressure column 7, warmed in the main heat exchanger 4 and over Line 22 discharged as a product.
  • the deduction is some theoretical respectively practical trays arranged above the sump of the low pressure column less volatile components such as krypton and / or xenon from the Keep oxygen product. These less volatile components are associated with a liquid product or rinsing stream 24 from the bottom liquid of the Low pressure column deducted.
  • Oxygen as a krypton- and xenon-free liquid product via line 23 and / or as gaseous product, which still contains krypton and xenon, via line 25 be removed. (The heating of the product to be withdrawn via line 25 and the supercooling of the oxygenated fraction 13 are in the drawing not shown.)
  • a nitrogenous fraction 19 as withdrawn gaseous nitrogen product or residual gas and in the main heat exchanger 4 warmed up.
  • the heated nitrogen-containing fraction 20 can partly as Regeneration gas can be used for pre-cleaning 2.
  • Process cold is in the embodiment by means of work Relaxation of an intermediate fraction 30 won, the amount of the deduction of the oxygen-enriched fraction 13 or higher in gas form from the pressure column 6 is removed. It becomes countercurrent to feed air 3 in the main heat exchanger 4 warmed, compressed in a compressor 32, for example from 5 bar to 7 bar and after post-cooling 33 fed back to the main heat exchanger 4 (line 34).
  • the compressed air becomes the main heat exchanger at an intermediate temperature taken (line 35 and fed to a relaxation machine 36. Downstream of the work relaxation 36 to 1.2 bar, it is via line 37 fed to the low pressure column 7 at an intermediate point.
  • the concrete Example are both the removal from the pressure column 6 and the feed in the low pressure column 7 at those intermediate points where the oxygen-rich fraction 13, 14 is withdrawn or introduced.
  • At least part of the gas for the compression of the heated gas fraction 31 required energy is generated by the work-related relaxation 36 mechanical energy formed; preferably the Relaxation machine 36 and the compressor 32 mechanically coupled.
  • the compression 32 can be omitted; then it’s enough Gas fraction 30 only to warm up to a medium temperature and then directly over Lead 35 of the work relaxation 36.
  • FIG. 1 A variant of the method according to FIG. 1 is shown in FIG Oxygen and nitrogen can also be obtained from krypton and xenon.
  • steps and facilities for krypton / xenon extraction intended. which are outside the rectification system for nitrogen-oxygen separation are located.
  • These can be any of the known methods for krypton / xenon extraction from an enriched in these components Serve oxygen fraction, especially the one mentioned above.
  • the oxygen fraction 24 is used is withdrawn from the bottom of the low pressure column.
  • the purified rinse fraction downstream of the Cleaning stage 17 partially or completely via line 201 to system 202 Krypton / Xenon extraction supplied, preferably in the liquid state.
  • it can be fed into an exchange column at a suitable point are used to produce a krypton- and xenon-containing but oxygen-free Mixture is used, or in another column for the pre-enrichment of krypton and / or Xenon.
  • the feed point is below the head of the corresponding column.
  • Intermediate fraction 342 is used as a heating medium which is gaseous from line 330 Intermediate (alternatively: from the head) of the pressure column 6 removed and in Main heat exchanger 4 is heated.
  • the warmed heating means 331 is in a compressor 332, for example, compressed to 8 bar and after cooling 333 fed back to the main heat exchanger 4 (line 334). There it will be cooled and finally at least partially condensed. That condensed Heating medium 343 is expanded again into the pressure column, preferably at that point its withdrawal via line 330 or slightly higher.
  • At least part of that for the compression of the heated heating means 331 required energy is generated by the work relaxation 336 generated mechanical energy is formed; preferably the Relaxation machine 336 and the compressor 332 mechanically coupled.
  • the tapping points are workload to relax intermediate fraction and the heating medium on the same Height, that of the deduction of the oxygenated fraction 13. They could also be at different heights, for example it is possible both at different points above the removal of the oxygen-enriched To order fraction 13. As a result, the feed points also move to Low pressure column and pressure column.
  • the method shown schematically in FIG. 4 is used to obtain gaseous oxygen under increased pressure due to internal compression.
  • This will liquid oxygen 423 from the low pressure column 7 in a pump 452 to one brought increased pressure of, for example, 9 bar.
  • the liquid 453 is under the high pressure supplied to the main heat exchanger 4 and evaporated there warmed up.
  • the gaseous pressure product is withdrawn via line 422.
  • the heated heating fluid 431 is in one by means of external energy driven compressor 432 compressed to, for example, 20 bar and after After-cooling 433 fed back to the main heat exchanger 4 (line 454). There it is cooled and at least partially condensed.
  • the condensed heating fluid 455 is throttled back into the pressure column, preferably in its place Withdrawal via line 430 or slightly higher.
  • Part 434 of compressor 432 compressed intermediate fraction 430/431 from the pressure column can for the Extraction of cold can be used by at an intermediate temperature from the Main heat exchanger removed (line 35) and an expansion machine 36 is fed.
  • the work-relieved faction is via line 37 downstream of the work-providing relaxation 36 of the low-pressure column 7 at one Intermediate fed.
  • you can use the dotted line Line 451 can be returned to the pressure column 6.
  • FIGS. 3 and 4 can be obtained using krypton / xenon Figure 2 can be combined.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem verdichtete und vorgereinigte Einsatzluft in ein Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet wird, das eine Drucksäule aufweist, wobei mindestens ein Teil der verdichteten und vorgereinigten Einsatzluft der Drucksäule zugespeist wird und wobei eine sauerstoffangereicherte Fraktion der Drucksäule entnommen und einem weiteren Arbeitsschritt innerhalb des Rektifiziersystems zugeleitet wird.
Derartige Prozesse sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt. Bei dem Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung kann es sich um ein Einsäulensystem mit einer einzigen Säule, der Drucksäule im Sinne der Erfindung, um ein Zweisäulensystem mit einer Drucksäule und einer Niederdrucksäule oder um ein Mehrsäulensystem mit weiteren Trennsäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung handeln. In Hausen/Linde sind mehrere Beispiele für Einsäulensysteme gezeigt (Seite 282, Bild 4.1. und 4.2.; Seite 287, Bild 4.4; Seiten 329/330, Bild 4.30., 4.31. und 4.32.), die Erfindung ist insbesondere auf eine Einzelsäule mit Kopfkühlung durch eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit aus der Drucksäule anwendbar (Hausen/Linde, Seite 330, Bild 4.31.). Auch Beispiele für Zweisäulensysteme sind in Hausen/Linde zu finden (Seite 284, Bild 4.3. und verschiedene Beispiele in den Abschnitten 4.5.1 und 4.5.2). Zur Erzeugung von aufsteigendem Dampf für die Niederdrucksäule wird ein Teil der Sumpfflüssigkeit in einem Kondensator-Verdampfer (meist als Hauptkondensator bezeichnet) verdampft, der beispielsweise mit einer Gasfraktion aus der Drucksäule oder mit Luft als Heizmittel betrieben wird. Der Kondensator-Verdampfer kann durch einen oder mehrere Wärmetauscherblöcke realisiert werden, die beispielsweise als Umlauf- und/oder Fallfilmverdampfer betrieben werden.
Das Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung im Sinne der Erfindung umfaßt außerdem Wärmetauscher wie etwa Kondensator-Verdampfer, die zum Betrieb der Trennsäule(n) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung benötigt werden (insbesondere den Hauptkondensator einer Doppelsäule oder den Kopfkondensator einer Einzelsäule). Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung können bei Bedarf außerhalb des Rektifiziersystems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zusätzliche Trennsäulen zur Gewinnung von weiteren Luftbestandteilen aufweisen, etwa von Edelgasen wie Argon, Helium, Neon, Krypton oder Xenon (siehe Hausen/Linde, Kapitel 4.5.4).
Üblicherweise wird die sauerstoffangereicherte Fraktion aus dem Sumpfbereich der Drucksäule entnommen, bevor sie einem weiteren Arbeitsschritt innerhalb des Rektifiziersystems zugeleitet wird. Dieser weitere Arbeitsschritt kann beispielsweise durch die weitere Auftrennung in der Niederdrucksäule eines Doppelsäulensystems oder durch eine Verdampfung, beispielsweise im Kopfkondensator eines Einsäulensystems gebildet werden. Damit werden sämtliche schwererflüchtigen Verunreinigungen der Einsatzluft, die in der Vorreinigung stromaufwärts der Einleitung in das Rektifiziersystem nicht entfernt wurden, mit der sauerstoffangereicherten Fraktion in den nachfolgenden Arbeitsschritt weitertransportiert. (Unter "schwererflüchtigen Verunreinigungen" werden hier Komponenten der Einsatzluft verstanden, deren Siedepunkt höher als derjenige von Sauerstoff ist.)
Insbesondere bei nachfolgenden Verdampfungsprozessen können sich solche schwererflüchtigen Verunreinigungen weiter anreichern. Manche dieser schwererflüchtigen Stoffe, insbesondere N2O, können als Feststoffe ausfallen und müssen von Zeit zu Zeit entfernt werden, damit eine Verstopfung von Wärmetauscherpassagen in den entsprechenden Verdampfern (beispielsweise im Hauptkondensator eines Doppelsäulensystems) vermieden wird. Um die ausgeschiedenen Feststoffe zu beseitigen, muß die gesamte Anlage abgeschaltet werden. Dies kann bei einer großen Luftzerlegungsanlage einen Betriebsstillstand von beispielsweise zwei bis fünf Tagen bedeuten. Diese Problematik wird in Wenning, Lachgas in Luftzerlegungsanlagen, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 77/1998, 32-36 geschildert. Hier und in US 5629208 wird als Lösung vorgeschlagen, N2O aus mit Hilfe einer stärkeren Spülung der im Hauptkondensator anstehenden Flüssigkeit auszuschleusen. Es hat sich jedoch herausgestellt. daß diese Maßnahme nicht in allen Fällen ausreicht, um die betriebstechnisch höchst unerwünschte Abschaltung der Luftzerlegungsanlage zu vermeiden.
Als Lösung für dieses Problem bieten sich verschiedene für den Fachmann verfügbare Methoden an.
Zum einen könnte eine Reinigungseinrichtung eingesetzt werden, die die unerwünschten Stoffe aus der sauerstoffangereicherten Fraktion entfernt. Dabei wird beispielsweise die gesamte sauerstoffangereicherte Fraktion (bei einer Doppelsäule: die Sumpfflüssigkeit der Drucksäule) in flüssiger Form über einen Adsorber zur Entfernung von N2O geführt. (Flüssigadsorber wurden früher an derselben Stelle zur Acetylenentfernung eingesetzt.) Dieses Vorgehen löst die betriebstechnischen Probleme in dem Verdampfer, bedeutet aber einen relativ hohen Investitionsaufwand. Außerdem muß der Adsorber von Zeit zu Zeit regeneriert werden, was selbst bei einer umschaltbaren Einrichtung zu weiterem betriebstechnischen Aufwand führt.
Zum anderen ist aus US 5471842 bekannt, schwererflüchtige Komponenten bereits in der Drucksäule auszuschleusen, indem an deren Sumpf eine Spülfraktion flüssig abgezogen und die in der Niederdrucksäule weiterzuverarbeitende sauerstoffangereicherte Fraktion oberhalb der Luftzuspeisung entnommen wird. Die Spülfraktion wird dabei flüssig auf sehr hohen Druck gebracht, im Hauptwärmetauscher gegen hochverdichtete Einsatzluft verdampft, stromaufwärts der Vorreinigung der Luft der Einsatzluft zugemischt und mit dieser in die Drucksäule zurückgeleitet. Diese Methode funktioniert zwar, wie in US 5471842 angegeben, für die Ausschleusung von CO2, das im Molekularsieb der Vorreinigung wirkungsvoll zurückgehalten wird. Die N2O-Problematik wird in US 5471842 jedoch nicht erwähnt. Das dortige Verfahren ist zur sicheren Ausschleusung von N2O nicht geeignet (siehe Artikel von Wenning, Abschnitt 6), es kann unter Umständen eine Verstopfung der Passagen des Hauptwärmetauschers durch ausfallendes N2O vorkommen, was eine Anwärmung dieses Apparats notwendig machte.
In Abänderung des in US 5471842 vorgeschlagenen Verfahrens zur CO2-Ausschleusung wäre es möglich, die im Sumpf der Drucksäule abgezogene Spülfraktion völlig aus dem Verfahren zu entfernen, in dem man sie - gegebenenfalls nach Rückgewinnung eines Teils ihrer Kälte - verwirft. Die Spülfraktion kann beispielsweise in flüssigem Zustand unmittelbar verworfen werden, indem sie nach dem Abführen aus der Drucksäule zum Beispiel über einen Ejektor in die Atmosphäre abgegeben wird. Altemativ dazu kann sie durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Heizmittel verdampft und/oder angewärmt und anschließend in gasförmigem Zustand verworfen werden. Dadurch wird ein Teil der Energie zurückgewonnen, die in Form von Kälte in der Spülfraktion enthalten ist. Die Verdampfung sollte bei so hoher Temperatur erfolgen, daß ein Ausfallen von schwererflüchtigen Verunreinigungen vermieden wird, beispielsweise durch Einleiten der flüssigen Spüifraktion in eine Restgasfraktion bei mittlerer Temperatur. Eine andere Möglichkeit ist die Rückgewinnung der Kälte in einem Wärmeaustauscher mit umschaltbaren Passagen (Revex). Alle diese Methoden können in bestimmten Anlagen sinnvoll sein, haben jedoch den Nachteil, daß die an der Spülfraktion verrichtete Trennarbeit verlorengeht und damit ein hoher betriebstechnischer Aufwand in Form von zusätzlichem Energiebedarf besteht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung so auszugestalten, daß der betriebstechnische Aufwand im gesamten Prozeß besonders niedrig gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Prozeß wird die Spülfraktion, die durch mindestens einen Teil, vorzugsweise die Gesamtheit der Sumpfflüssigkeit der Drucksäule gebildet wird, ohne vorherige Verdampfung einer Einrichtung zur Entfernung von N2O zugeführt.
Dadurch kann die gereinigte Spülfraktion stromabwärts dieser Einrichtung weiteren Arbeitsschritten innerhalb oder außerhalb des Rektifiziersystems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zugeführt werden, ohne daß im Rahmen dieser Arbeitsschritte die Anreicherung von N2O droht. Der weitere Arbeitsschritt kann beispielsweise eine Säule zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung oder einen Kondensator-Verdampfer zur Erzeugung von Rücklauf für eine derartige Säule aufweisen, etwa die Niederdrucksäule eines Zweisäulensystems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung oder den Kopfkondensator der Drucksäule.
Der Stoffaustauschabschnitt zwischen der Stelle der Einsatzluftzufuhr (in der Regel am Sumpf der Drucksäule) und der Entnahme der sauerstoffangereicherten Fraktion ermöglicht ein weitgehend vollständiges Auswaschen der schwererflüchtigen Verunreinigungen, insbesondere von N2O, aus der Einsatzluft in den Sumpf der Drucksäule. Er wird entweder durch mindestens einen praktischen Boden oder durch einen Packungsabschnitt mit einer Trennwirkung von mindestens einem theoretischen Boden gebildet. Vorzugsweise befinden sich 1 bis 10, höchst vorzugsweise 3 bis 5 theoretische oder praktische Böden zwischen Luftzuspeisung beziehungsweise Drucksäulensumpf einerseits und Entnahmestelle der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit andererseits. (Für den Fall, daß in diesem Abschnitt ausschließlich praktische Böden als Stoffaustauschelemente verwendet werden, gelten die Angaben in praktischen Bodenzahlen; falls Packung, Füllkörper oder Kombinationen verschiedener Typen von Stoffaustauschelementen eingesetzt werden, sind die Angaben in theoretischen Bodenzahlen anzuwenden.)
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Drucksäule als ein einziger Behälter realisiert sein. Alternativ dazu können unterschiedliche Abschnitte durch getrennte Behälter umschlossen sein. Beispielsweise kann der Stoffaustauschabschnitt, der zum Auswaschen von N2O dient, separat vom Rest der Drucksäule aufgebaut sein (siehe Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11).
Mit einem derartigen Stoffaustauschabschnitt zwischen Luftzuspeisung und Entnahme der sauerstoffangereicherten Fraktion können die wichtigsten schwererflüchtigen Verunreinigungen praktisch vollständig aus nachfolgenden Arbeitsschritten zurückgehalten werden. Die sauerstoffangereicherte Fraktion enthält beispielsweise weniger als 1 ppb N2O (molare Konzentration kleiner als 10-9), vorzugsweise liegt die molare N2O-Konzentration bei 10-12 oder darunter.
Die schwererflüchtigen Verunreinigungen wie N2O werden mit der flüssigen Spülfraktion aus dem Sumpf der Drucksäule abgeführt. Die Entnahme der Spülfraktion kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Die Menge an abgezogener Spülfraktion wird von der erwünschten beziehungsweise erlaubten Konzentration schwererflüchtiger Komponenten in der Spülfraktion bestimmt. In der Regel wird sie so eingestellt, daß kein Feststoffausfall im Sumpf der Drucksäule auftritt; unter Umständen ist aber auch eine höhere Anreicherung mit Feststoffausfall möglich. Die Spülfraktionsmenge beträgt beispielsweise mindestens 0.1 mol% der in die Drucksäule eingespeisten Einsatzluftmenge, vorzugsweise 0.15 mol% bis 10 mol% höchst vorzugsweise 0.3 mol% bis 5 mol% der Einsatzluftmenge. (Die Angaben über die Spülfraktionsmenge sind - insbesondere bei diskontinuierlicher Entnahme - als zeitliches Mittel der Spülfraktionsmenge zu verstehen.)
Als Nebeneffekt der erfindungsgemäßen Maßnahmen stellt sich eine Verbesserung der Produktqualität des Sauerstoffprodukts ein, das gegebenenfalls aus der sauerstoffangereicherten Fraktion erzeugt wird.
Vorzugsweise wird N2O in der Reinigungsstufe durch physikalische Adsorption aus der flüssigen Spülfraktion entfernt. Die Reinigungsstufe wird also durch einen Flüssigadsorber gebildet. Dieser Flüssigadsorber kann wesentlich kompakter ausgeführt werden als die früher zur Acetylenentfemung verwendeten Flüssigadsorber, über die die gesamte sauerstoffangereicherte Fraktion geleitet wurde.
Alternativ dazu kann das N2O in einem eigens dafür vorgesehenen Wärmetauscher niedergeschlagen werden, indem die flüssige Spülfraktion in der Reinigungsstufe durch indirekten Wärmeaustausch verdampft wird, wobei bei der Verdampfung N2O als Feststoff und/oder Flüssigkeit ausfällt. Sie können sich in dem Wärmeaustauscher ablagem, in dem die Verdampfung durchgeführt wird. Die Verdampfung muß in diesem Fall diskontinuierlich beziehungsweise in einem umschaltbaren Paar von rekuperativen oder regenerativen Wärmeaustauschem durchgeführt werden, so daß die abgelagerten Feststoffe in gewissen Zeitabständen entfernt werden. Es ist aber auch möglich, anfallende Flüssigkeit oder Feststoffe und die gereinigte Spülfraktion kontinuierlich abzuziehen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, N2O in der Reinigungsstufe durch Gegenstrom-Stoffaustausch aus der Spülfraktion zu entfernen. Dabei wird die Spülfraktion in flüssigem Zustand in eine zusätzliche Trennsäule eingeleitet, beispielsweise an einer Zwischenstelle oder am Kopf. Die Sumpffraktion der Trennsäule wird beispielsweise verworfen, während die Kopffraktion weiterverarbeitet wird, beispielsweise in der Drucksäule. Dem Sumpf der Trennsäule muß Wärme zugeführt werden, beispielsweise durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Warmstrom (Übertragung fühlbarer Wärme) oder mit einem kondensierenden Gasstrom geeigneter Zusammensetzung mittels einer elektrisch betriebenen Heizung. Für den Fall, daß die Spülfraktion nicht unmittelbar am Kopf aufgegeben wird, ist außerdem eine Kopfkühlung notwendig, beispielsweise durch indirekten Wärmeaustausch mit einem verdampfenden Prozeßstrom geeigneter Zusammensetzung und geeigneten Drucks.
In der Regel wird eine der drei Methoden zur N2O-Entfernung angewandt. Grundsätzlich ist auch eine Kombination zweier oder dreier Varianten möglich; in einem Beispielfall weist die Reinigungsstufe sowohl mindestens ein Adsorptionsbett als auch mindestens ein umschaltbares Paar von Wärmetauschern auf.
Alternativ oder ergänzend zu der oben erwähnten Einleitung in das Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung kann die gereinigte Spülfraktion mindestens teilweise einem Arbeitsschritt außerhalb dieses Rektifiziersystems zugeführt werden. Bevorzugt wird hierbei die Einspeisung in ein System zur rektifikatorischen Gewinnung eines Edelgases, beispielsweise von Krypton und/oder Xenon. Beispiele für derartige Systeme finden sich in der älteren deutschen Patentanmeldung 19823526.7 und in den hierzu korrespondierenden Anmeldungen desselben Anmelders, sowie in EP 96610 A, EP 222026 A, DE 1667639 A, DE 1122088 B oder in Streich et al., Gewinnung von Edelgasen in Luft- und Ammoniakanlagen, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 37/1975, 10-14. Die gereinigte Spülfraktion wird dabei vorzugsweise in flüssigem Zustand mindestens teilweise in eine Austauschsäule eingeleitet, die dazu dient, Krypton und Xenon in ein Inertgas (Stickstoff oder Argon) einzubetten. Diese Austauschsäule kann zusätzlich mit dem üblichen krypton- und xenonhaltigen Einsatz beaufschlagt werden, nämlich der flüssigen Sumpffraktion aus der Niederdrucksäule eines Zweisäulensystems.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Gesamtluft, das heißt die gesamte Einsatzluft, die in dem Rektifiziersystem zerlegt wird, in die Drucksäule eingeleitet. Die gesamte Einsatzluft wird vorzugsweise mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden unterhalb der Stelle in die Drucksäule eingespeist, an der die sauerstoffangereicherte Fraktion abgezogen wird. Damit wird vermieden, daß über eine Direkteinspeisung von Luft in weitere Arbeitsschritte innerhalb des Rektifiziersystems (zum Beispiel über eine Luftturbine, die in die Niederdrucksäule eines Zweisäulensystems führt) unerwünschte schwererflüchtige Verunreinigungen in einen Arbeitsschritt stromabwärts der Drucksäule gelangen.
Im Rahmen der Erfindung ist es günstig, wenn Verfahrenskälte durch arbeitsleistende Entspannung einer Zwischenfraktion erzeugt wird, die der Drucksäule oberhalb der Luftzuspeisung entnommen wird. Die Entnahmestelle kann beispielsweise an der Zwischenstelle liegen, an der die sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen wird, am Kopf der Drucksäule, oder an jeder zwischen diesen beiden Punkten angeordneten Stelle. Die Zwischenfraktion ist praktisch N2O-frei und kann daher nach der arbeitsleistenden Entspannung der Niederdrucksäule zugeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Teil der verdichteten und vorgereinigten Luft stromaufwärts der Drucksäule abgezweigt und arbeitsleistend entspannt werden; die entspannte Luft darf dann aber nicht der Drucksäule oberhalb der Luftzuspeisung oder einem Arbeitsschritt des Rektifiziersystems stromabwärts der Drucksäule zugeführt werden, sondern wird beispielsweise einem Reststrom zugemischt und aus dem Verfahren entfernt.
Die Kälteerzeugung kann durch eine Druckerhöhung in der Zwischenfraktion vergrößert werden. Dazu kann die Zwischenfraktion vor der arbeitsleistenden Entspannung beispielsweise gasförmig aus der Drucksäule entnommen, angewärmt und in gasförmigem Zustand verdichtet werden. Es ist günstig, zu dieser Verdichtung mindestens einen Teil der mechanischen Energie einzusetzen, die bei der arbeitsleistenden Entspannung gewonnen wird. Der Druck nach dem Verdichten beträgt beispielsweise 7 bis 15 bar, vorzugsweise 8 bis 12 bar. Die Höhe der Druckdifferenz hängt hier wie im folgenden Absatz vom Kältebedarf einer spezifischen Anlage ab.
Alternativ dazu wird die Zwischenfraktion stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung in flüssigem Zustand aus der Drucksäule abgezogen, im flüssigen Zustand einer Druckerhöhung unterworfen, durch indirekten Wärmeaustausch verdampft und angewärmt. Die flüssige Druckerhöhung führt auf einen Druck von beispielsweise 7 bis 15 bar, vorzugsweise 8 bis 12 bar.
Auch für den Fall, daß das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit einem Innenverdichtungsprozeß betrieben wird, bei dem ein Produktstrom in flüssigem Zustand auf Druck gebracht (beispielsweise 7 bis 50 bar, vorzugsweise 9 bis 30 bar) und anschließend gegen ein unter hohem Druck (beispielsweise 7 bis 50 bar, vorzugsweise 9 bis 30 bar) stehendes Heizfluid verdampft wird, ist eine Abweichung von der üblichen Vorgehensweise sinnvoll. (Die Drücke richten sich im Einzelfall nach dem geforderten Produktdruck.) Anstelle eines Teils der verdichteten und vorgereinigten Einsatzluft wird gemäß einer weiteren Variante der Erfindung eine praktisch N2O-freie Gasfraktion aus der Drucksäule als Heizfluid verwendet. Diese wird mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden oberhalb der Stelle entnommen, an der verdichtete und vorgereinigte Einsatzluft zugespeist wird, vorzugsweise an der Zwischenstelle, an der die sauerstoffangereicherte Fraktion entnommen wird, am Kopf der Drucksäule, oder an einer zwischen diesen beiden Punkten angeordneten Stelle. Das Heizfluid wird angewärmt, verdichtet und schließlich gegen den flüssig auf Druck gebrachten Produktstrom kondensiert. Das Kondensat wird an geeigneter Stelle weiterverarbeitet, beispielsweise in der Drucksäule.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Teil der Sumpfflüssigkeit der Drucksäule verdampft und das dabei entstandene Gas in die Drucksäule zurückgeleitet werden. Diese fakultative Sumpfheizung der Drucksäule wird vorzugsweise durch einen Kondensator-Verdampfer bewirkt, der mit einem geeigneten Prozeßgas als Heizmittel beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird der Umsatz in dem Abschnitt der Drucksäule erhöht, der unterhalb der Entnahme der sauerstoffangereicherten Fraktion liegt. Damit werden weitere Stoffe, insbesondere Krypton und/oder Methan in den Sumpf der Drucksäule gewaschen. Dieser Effekt wird weiter verstärkt, wenn die Drucksäule in diesem Fall einen weiteren Stoffaustauschabschnitt aufweist, der unterhalb der Stelle angeordnet ist, an der die verdichtete und vorgereinigte Einsatzluft in die Drucksäule eingeleitet wird und den Umfang einiger theoretischer Böden aufweist.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 11 oder 12.
Insbesondere bei der Nachrüstung von bestehenden Anlagen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es günstig sein, die Säule(n) eines bestehenden Rektifiziersystems nicht umzubauen, sondern eine zusätzliche Vorsäule zu verwenden, die den Stoffaustauschabschnitt zwischen Luftzuspeisung und Entnahme der sauerstoffangereicherten Fraktion enthält. Die Drucksäule im Sinne der Erfindung wird dann durch die Kombination dieser Vorsäule mit einer Hauptsäule gebildet. Die Einsatzluft wird in diesem Fall in die Vorsäule geleitet. Vom Sumpf der Vorsäule wird die Spülfraktion flüssig abgezogen. Am Kopf der Vorsäule wird mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden oberhalb der Luftzuspeisung Gas abgezogen und in den unteren Bereich der Hauptsäule eingeleitet. Die sauerstoffangereicherte Fraktion wird dann vom Sumpf der Hauptsäule abgezogen. Im Falle des Umbaus einer konventionellen Anlage ist die Hauptsäule Teil des bestehenden Rektifiziersystems. Über die frühere Einsatzluftleitung wird das Kopfgas der Vorsäule in die Hauptsäule eingeleitet und die sauerstoffangereicherte Fraktion kann über die bereits vorhandene frühere Sumpfflüssigkeitsleitung abgezogen werden. Das Nachrüsten kann also durch Beistellen einer Vorsäule zum Zurückhalten schwererflüchtiger Verunreinigungen wie N2O bewerkstelligt werden. Diese Methode kann auch beim Neubau einer Luftzerlegungsanlage sinnvoll sein, beispielsweise wenn eine besonders niedrige Bauhöhe gewünscht ist.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
Figur 1
eine Ausführungsform mit einer Realisierung der Erfindung bei einem Zweisäulenapparat,
Figur 2
eine Ausführungsform der Erfindung mit der Gewinnung von Krypton und/oder Xenon,
Figur 3
eine Variante mit abweichender Methode zur Gewinnung von Verfahrenskälte und
Figur 4
ein Verfahren mit Gewinnung von Drucksauerstoff mittels Innenverdichtung.
Die Zeichnung von Figur 1 zeigt ein Doppelsäulensystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung. Verdichtete Einsatzluft 1 wird einer Vorreinigung 2 zugeleitet und dort vorzugsweise einer Adsorption unterworfen. Dabei werden Wasserdampf und CO2 praktisch vollständig aus der verdichteten Einsatzluft entfernt; N2O wird dagegen von einem üblichen Molekularsieb zu etwa 20 bis 50 % durchgelassen. Die vorgereinigte Einsatzluft 3 wird in einem Hauptwärmetauscher 4 in indirektem Wärmeaustausch gegen Zerlegungsprodukte abgekühlt und über Leitung 5 vollständig der Drucksäule 6 des Rektifiziersystems zugeführt. Das Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weist außerdem eine Niederdrucksäule 7 auf, die über einen Kondensator-Verdampfer, den Hauptkondensator 8, mit der Drucksäule 6 in Wärmeaustauschbeziehung steht. Am Kopf der Drucksäule 6 wird Druckstickstoff 9 erzeugt, der teilweise oder vollständig dem Hauptkondensator 8 zugeführt und dort mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig oder im wesentlichen vollständig kondensiert wird. Ein Teil 11 des im Hauptkondensator 8 verflüssigten Stickstoffs 10 wird als Rücklauf auf die Drucksäule 6 aufgegeben. Mindestens ein Teil 12 des restlichen Kondensats wird zum oberen Bereich einer Niederdrucksäule 7 geführt. Auf der Verdampfungsseite des Hauptkondensators 8 verdampft Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule. Der erzeugte Dampf steigt in der Niederdrucksäule im Gegenstrom zur Rücklaufflüssigkeit auf. (Der Hauptkondensator 8 befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel der Zeichnung unmittelbar im Sumpf der Niederdrucksäule; altemativ dazu kann er außerhalb der Doppelsäule angeordnet sein.)
Der Drucksäule 6 wird eine sauerstoffangereicherte Fraktion 13 in flüssiger Form entnommen und als weitere Einsatzfraktion der Niederdrucksäule 7 an einer Zwischenstelle zugeführt (14). Die sauerstoffangereicherte Fraktion 13 wird im Gegensatz zum Stand der Technik nicht vom Sumpf der Drucksäule abgezogen, sondern von einer Zwischenstelle, die oberhalb eines Stoffaustauschabschnitts 15 angeordnet ist, der in dem Beispiel drei theoretischen Böden entspricht. Sie ist dadurch frei von schwererflüchtigen Verunreinigungen wie Xenon, C2H4, N2O und C3H8. Damit kann kein N2O in die Niederdrucksäule 7 gelangen und zu Betriebsstörungen im Hauptkondensator 8 führen.
Die schwererflüchtigen Bestandteile werden mit einer flüssigen Spülfraktion 16 vom Sumpf der Drucksäule 6 abgezogen und in flüssigem Zustand einer Reinigungsstufe 17 zugeführt, in der N2O entfernt wird. Die N2O-Entfernung wird in dem Ausführungsbeispiel mittels Adsorption bewirkt. Die gereinigte flüssige Spülfraktion 18 wird gemeinsam mit der sauerstoffangereicherten Fraktion 13 der Niederdrucksäule 7 zugespeist. Alternativ ist auch eine getrennte Einspeisung einige Böden tiefer möglich. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die gesamte Einsatzluft über die Leitung 5 in die Drucksäule 6 eingespeist, insbesondere gelangt keine Einsatzluft ohne Vorzerlegung in die Niederdrucksäule 7 (beispielsweise über eine Turbine).
Der Stoffaustauschabschnitt 15 unterhalb der Entnahme der sauerstoffangereicherten Fraktion 13 kann durch jedes bekannte Stoffaustauschelement gebildet werden, beispielsweise durch Packung oder jede Art von Stoffaustauschböden; vorzugsweise werden Siebböden oder bei einer sehr kleinen Menge an Spülfraktion Glockenund/oder Kaminböden eingesetzt.
In dem Beispiel wird das Sauerstoffprodukt über Leitung 21 gasförmig aus der Niederdrucksäule 7 abgezogen, im Hauptwärmetauscher 4 angewärmt und über Leitung 22 als Produkt abgeführt. Der Abzug ist einige theoretische beziehungsweise praktische Böden oberhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule angeordnet, um schwererflüchtige Komponenten wie Krypton und/oder Xenon aus dem Sauerstoffprodukt femzuhalten. Diese schwererflüchtigen Komponenten werden mit einem Flüssigprodukt- oder Spülstrom 24 aus der Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule abgezogen. Altemativ oder zusätzlich zu dieser Methode kann Sauerstoff als krypton- und xenonfreies Flüssigprodukt über Leitung 23 und/oder als gasförmiges Produkt, das noch Krypton und Xenon enthält, über Leitung 25 entnommen werden. (Die Anwärmung des über Leitung 25 abzuziehenden Produkts und die Unterkühlung der sauerstoffangereicherten Fraktion 13 sind in der Zeichnung nicht dargestellt.)
Über dem Kopf der Niederdrucksäule 7 wird eine stickstoffhaltige Fraktion 19 als gasförmiges Stickstoffprodukt oder Restgas abgezogen und im Hauptwärmetauscher 4 angewärmt. Die angewärmte stickstoffhaltige Fraktion 20 kann zum Teil als Regeneriergas für die Vorreinigung 2 genutzt werden.
Verfahrenskälte wird in dem Ausführungsbeispiel mittels arbeitsleistender Entspannung einer Zwischenfraktion 30 gewonnen, die in Höhe des Abzugs der sauerstoffangereicherten Fraktion 13 oder höher in Gasform aus der Drucksäule 6 entnommen wird. Sie wird im Gegenstrom zu Einsatzluft 3 im Hauptwärmetauscher 4 angewärmt, in einem Verdichter 32 beispielsweise von 5 bar auf 7 bar komprimiert und nach Nachkühlung 33 wieder dem Hauptwärmetauscher 4 zugeführt (Leitung 34). Die verdichtete Luft wird bei einer Zwischentemperatur dem Hauptwärmetauscher entnommen (Leitung 35 und einer Entspannungsmaschine 36 zugeleitet. Stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung 36 auf 1,2 bar wird sie über Leitung 37 der Niederdrucksäule 7 an einer Zwischenstelle zugeführt. In dem konkreten Beispiel liegen sowohl die Entnahme aus der Drucksäule 6 als auch die Einspeisung in die Niederdrucksäule 7 an denjenigen Zwischenstellen, an denen auch die sauerstoffreiche Fraktion 13, 14 abgezogen beziehungsweise eingeleitet wird. Mindestens ein Teil der für die Verdichtung der angewärmten Gasfraktion 31 benötigten Energie wird durch die bei der arbeitsleistenden Entspannung 36 erzeugte mechanische Energie gebildet; vorzugsweise werden dazu die Entspannungsmaschine 36 und der Verdichter 32 mechanisch gekoppelt. In bestimmten Fällen kann die Verdichtung 32 entfallen; dann reicht es aus, die Gasfraktion 30 nur bis auf eine mittlere Temperatur anzuwärmen und dann direkt über Leitung 35 der arbeitsleistenden Entspannung 36 zuzuführen.
In Figur 2 ist eine Variante des Verfahrens nach Figur 1 dargestellt, bei der außer Sauerstoff und Stickstoff auch Krypton und Xenon gewonnen werden. Dazu sind weitere Verfahrensschritte und Einrichtungen zur Krypton-/Xenongewinnung vorgesehen. die sich außerhalb des Rektifiziersystems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung befinden. Diese können sich jeder der bekannten Methoden zur Krypton-/Xenongewinnung aus einer an diesen Komponenten angereicherten Sauerstofffraktion bedienen, insbesondere der oben erwähnten. Als üblicher Einsatz für das System 202 zur Krypton-/Xenongewinnung dient die Sauerstofffraktion 24, die aus dem Sumpf der Niederdrucksäule abgezogen wird. Zusätzlich wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die gereinigte Spülfraktion stromabwärts der Reinigungsstufe 17 teilweise oder vollständig über Leitung 201 dem System 202 zur Krypton-/Xenongewinnung zugeführt, und zwar vorzugsweise im flüssigen Zustand. Sie kann insbesondere an geeigneter Stelle in eine Austauschsäule eingespeist werden, die zur Erzeugung eines krypton- und xenonhaltigen, aber sauerstofffreien Gemischs dient, oder in eine andere Säule zur Voranreicherung von Krypton und/oder Xenon. Die Einspeisestelle liegt unterhalb des Kopfs der entsprechenden Säule.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 3 wird eine Zwischenfraktion 340 in Höhe des Abzugs der sauerstoffangereicherten Fraktion 13 oder höher in flüssiger Form aus der Drucksäule 6 entnommen. Sie wird durch eine Pumpe 341 flüssig auf einen erhöhten Druck von beispielsweise 7 bar gebracht und anschließend über Leitung 342 dem Hauptwärmetauscher 4 zugeführt. Dort wird sie unter dem erhöhten Druck verdampft und auf eine Zwischentemperatur angewärmt. Die angewärmte Zwischenfraktion wird über Leitung 335 einer Entspannungsmaschine 336 zugeleitet. Stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung 336 wird sie über Leitung 337 der Niederdrucksäule 7 an einer Zwischenstelle zugeführt oder als Produkt abgeführt.
Als Wärmequelle für die Verdampfung der arbeitsleistend zu entspannenden Zwischenfraktion 342 dient ein Heizmittel, das über Leitung 330 gasförmig von einer Zwischenstelle (alternativ: vom Kopf) der Drucksäule 6 entnommen und im Hauptwärmetauscher 4 angewärmt wird. Das angewärmte Heizmittel 331 wird in einem Verdichter 332 beispielsweise auf 8 bar komprimiert und nach Nachkühlung 333 wieder dem Hauptwärmetauscher 4 zugeführt (Leitung 334). Dort wird es abgekühlt und schließlich mindestens teilweise kondensiert. Das kondensierte Heizmittel 343 wird wieder in die Drucksäule entspannt, vorzugsweise an der Stelle seiner Entnahme über Leitung 330 oder etwas höher.
Mindestens ein Teil der für die Verdichtung des angewärmten Heizmittels 331 benötigten Energie wird durch die bei der arbeitsleistenden Entspannung 336 erzeugte mechanische Energie gebildet; vorzugsweise werden dazu die Entspannungsmaschine 336 und der Verdichter 332 mechanisch gekoppelt.
In dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel liegen die Entnahmestellen der arbeitsleistend zu entspannenden Zwischenfraktion und des Heizmittels auf derselben Höhe, und zwar auf derjenigen des Abzugs der sauerstoffangereicherten Fraktion 13. Sie könnten ebenso auf verschiedenen Höhen liegen, beispielsweise ist es möglich beide an verschiedenen Stellen oberhalb der Entnahme der sauerstoffangereicherten Fraktion 13 anzuordnen. Dadurch verschieben sich auch die Einspeisestellen in Niederdrucksäule und Drucksäule.
Das in Figur 4 schematisch dargestellte Verfahren dient zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff unter erhöhtem Druck durch Innenverdichtung. Dazu wird flüssiger Sauerstoff 423 aus der Niederdrucksäule 7 in einer Pumpe 452 auf einen erhöhten Druck von beispielsweise 9 bar gebracht. Die Flüssigkeit 453 wird unter dem hohen Druck dem Hauptwärmetauscher 4 zugeführt und dort verdampft und angewärmt. Über Leitung 422 wird das gasförmige Druckprodukt abgezogen.
Als Heizfluid für die Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs 453 dient eine Zwischenfraktion, die über Leitung 430 gasförmig von einer Zwischenstelle (alternativ: vom Kopf) der Drucksäule 6 entnommen, und im Hauptwärmetauscher 4 angewärmt wird. Das angewärmte Heizfluid 431 wird in einem mittels externer Energie angetriebenen Verdichter 432 auf beispielsweise 20 bar komprimiert und nach Nachkühlung 433 wieder dem Hauptwärmetauscher 4 zugeführt (Leitung 454). Dort wird es abgekühlt und mindestens teilweise kondensiert. Das kondensierte Heizfluid 455 wird wieder in die Drucksäule eingedrosselt, vorzugsweise an der Stelle seiner Entnahme über Leitung 430 oder etwas höher. Ein Teil 434 der im Verdichter 432 komprimierten Zwischenfraktion 430/431 aus der Drucksäule kann für die Kältegewinnung eingesetzt werden, indem er bei einer Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher entnommen (Leitung 35) und einer Entspannungsmaschine 36 zugeführt wird. Die arbeitsleistend entspannte Fraktion wird über Leitung 37 stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung 36 der Niederdrucksäule 7 an einer Zwischenstelle zugeführt. Altemativ dazu kann sie über die gestrichelt dargestellte Leitung 451 in die Drucksäule 6 zurückgeleitet werden.
Die Varianten der Figuren 3 und 4 können mit der Krypton-/Xenon-Gewinnung nach Figur 2 kombiniert werden.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem verdichtete und vorgereinigte Einsatzluft (3, 5) in ein Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet wird, das eine Drucksäule (6) aufweist, wobei mindestens ein Teil der verdichteten und vorgereinigten Einsatzluft der Drucksäule (6) zugespeist (5) wird, eine sauerstoffangereicherte Fraktion (13) der Drucksäule (6) entnommen und einem weiteren Arbeitsschritt (7) innerhalb des Rektifiziersystems zugeleitet (14) wird, die sauerstoffangereicherte Fraktion (13) mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden (15) oberhalb der Stelle entnommen wird, an der verdichtete und vorgereinigte Einsatzluft (5) der Drucksäule zugespeist wird, und wobei vom Sumpf der Drucksäule (6) eine Spülfraktion (16) flüssig abgeführt, in flüssigem Zustand einer Reinigungsstufe (17) zugeführt, in der N2O entfernt wird, und als gereinigte Spülfraktion (18) der Reinigungsstufe (17) entnommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem N2O in der Reinigungsstufe (17) durch physikalische Adsorption aus der Spülfraktion (16) entfernt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Spülfraktion in der Reinigungsstufe durch indirekten Wärmeaustausch verdampft wird, wobei bei der Verdampfung N2O als Feststoff und/oder Flüssigkeit ausfällt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem N2O in der Reinigungsstufe durch Gegenstrom-Stoffaustausch aus der Spülfraktion entfernt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die gereinigte Spülfraktion (18) mindestens teilweise einem System (202) zur Gewinnung von Krypton und/oder Xenon zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die gesamte Einsatzluft (1, 3, 5), die in dem Rektifiziersystem zerlegt wird. in die Drucksäule (6) eingeleitet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Drucksäule (6) eine Zwischenfraktion (30; 340; 430) mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden oberhalb der Stelle entnommen wird, an der verdichtete und vorgereinigte Einsatzluft zugespeist (5) wird, und diese Zwischenfraktion (30, 31, 34, 35; 340, 342, 335; 430, 431, 434, 35) arbeitsleistend entspannt (36; 336) wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Zwischenfraktion stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung (336) in flüssigem Zustand aus der Drucksäule (6) abgezogen (340), im flüssigen Zustand einer Druckerhöhung (341) unterworfen, durch indirekten Wärmeaustausch (4) verdampft und angewärmt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem ein Produktstrom (423) flüssigem Zustand auf Druck gebracht (452), gegen ein unter hohem Druck stehendes Heizfluid (454) verdampft und als Druckprodukt (422) abgeführt wird, wobei als Heizfluid eine Gasfraktion (430, 431, 454) eingesetzt wird, die der Drucksäule (6) mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden oberhalb der Stelle entnommen (430) wird, an der verdichtete und vorgereinigte Einsatzluft zugespeist (5) wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein Teil der Sumpfflüssigkeit der Drucksäule verdampft und das dabei entstandene Gas in die Drucksäule zurückgeleitet wird.
  11. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Rektifiziersystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das mindestens eine Drucksäule (6) aufweist, mit einer Einsatzleitung (1, 3, 5) zur Einleitung von verdichteter und vorgereinigter Einsatzluft in die Drucksäule (6), mit einer Rohsauerstoffleitung (13, 14) für eine sauerstoffangereicherte Fraktion, die einerseits mit der Drucksäule (6) und andererseits mit einer weiteren Vorrichtung (7) innerhalb des dem Rektifiziersystems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung verbunden ist, mit einer Spülflüssigkeitsleitung (16), die mit dem Sumpf der Drucksäule (6) und mit einer Reinigungseinrichtung (17) zur Entfernung von N2O verbunden ist, und mit einem Stoffaustauschabschnitt (15) im Umfang mindestens eines theoretischen oder praktischen Bodens, der in der Drucksäule (6) zwischen der Rohsauerstoffleitung (13) und dem Sumpf angeordnet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Drucksäule durch zwei voneinander getrennte Abschnitte realisiert ist, der erste Abschnitt (Vorsäule) mit der Einsatzluftleitung und der Spülflüssigkeitsleitung verbunden ist und mindestens einen Teil des Stoffaustauschabschnitts zwischen Rohsauerstoffleitung und Sumpf der Drucksäule enthält, wobei eine Gasleitung den Kopf des ersten Abschnitts mit dem unteren Bereich des zweiten Abschnitts (Hauptsäule) verbindet und der zweite Abschnitt mit der Rohsauerstoffleitung verbunden ist.
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