EP1336806A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung hoch reinen Stickstoffs - Google Patents

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EP1336806A1
EP1336806A1 EP03002408A EP03002408A EP1336806A1 EP 1336806 A1 EP1336806 A1 EP 1336806A1 EP 03002408 A EP03002408 A EP 03002408A EP 03002408 A EP03002408 A EP 03002408A EP 1336806 A1 EP1336806 A1 EP 1336806A1
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EP
European Patent Office
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pure nitrogen
condenser
evaporator
separation
heat exchange
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03002408A
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Inventor
Jürgen Voit
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25J2290/62Details of storing a fluid in a tank

Definitions

  • the invention relates to a method for producing high purity nitrogen from less pure nitrogen in a still system that has at least a first one Separating column, wherein in the process a stream of less pure nitrogen in the first separation column is introduced and the or a separation column of the Distillation column system is a highly pure nitrogen product, the Distiller system also includes a first condenser vaporizer has a liquefaction space and an evaporation space, in Liquefaction chamber of the first condenser-evaporator or one of the separation columns is generated and in the evaporation chamber of the first K6ndensator-evaporator, a heat exchange fluid is evaporated, and wherein Heat exchange fluid downstream of the first condenser evaporator Compressor is fed.
  • Less pure nitrogen is understood here to mean one fraction, the main one consists of nitrogen but still contains various impurities, especially those that boil lighter than nitrogen, possibly also heavier boiling components.
  • nitrogen can be more technical Act purity.
  • the "less pure nitrogen” for example, has a purity of at least 99.9 mol%, preferably at least 99.99 mol%. It still contains for example 0.1 mol% or less, preferably 0.01 mol% or less, for example 0.001 mol% of impurities. He is, for example, by the Product of an adjacent cryogenic air separation plant formed and / or taken from a liquid tank.
  • the highly pure nitrogen product contains less Impurities as the feed mixture. For example, it still points Impurities of 0.1 ppm or less, preferably 0.01 ppm or less.
  • a method of the type mentioned at the outset is from JP 02061481 A US 5421164 known.
  • This system can be made from technically pure nitrogen, which from a Storage tank is coming, producing high purity nitrogen.
  • the head capacitor of the (Single) separation column (“first condenser-evaporator") is thereby cooled sump liquid of the separation column cooled.
  • the steam generated is recompressed and introduced into the separation column.
  • the invention has for its object such a method and / or specify appropriate device that are economically particularly favorable and in particular have a relatively low energy consumption.
  • the heat exchange fluid is downstream the condenser of a second condenser-evaporator is supplied, which also has an evaporation space in which rising steam is generated for the or one of the separation columns.
  • the Heat exchange fluid is therefore independent of the composition of the Bottom liquid of the first separation column. It can, for example, by an external Medium or be formed by another fraction of the separation column (s). To this A heat exchange fluid can be used that is energetic enables particularly favorable operation of the method.
  • the heat exchange fluid used in the invention is, for example, one of the fluids mentioned in the table below (the concentrations of nitrogen, argon and oxygen are to be understood as molar amounts): No. description N 2 content Ar content O 2 content 1 air 0.78118 0.00932 .2095 2 O 2 enriched 0.06 0.005 0.395 3 Impure-O 2 0.30 0.005 0,695 4 Pure O 2 0.00 0.005 0.995 5 Impure N2 0.98 01.005 0.0015 6 Pure N 2 0.999 0.001 0.00
  • the heat exchange fluid is downstream of the second Condenser evaporator relaxed and again the first condenser evaporator fed, i.e. guided in a cycle.
  • Circulation losses can arise from the or one of the separation columns can be added, or from an external one Source outside the distillation column system, for example an upstream one Air separation plant or from a liquid tank.
  • Cold can occur in the circulatory system generated by work-related relaxation by moving a fluid stream out of the Compressor branched from the heat exchange fluid and one or more Relaxation machines (for example turbines) is fed.
  • the distillation column system can be used as a single column system or as a two or more column system be trained.
  • a two-pillar system a Intermediate product removed from the first separation column and a second separation column fed; from which the highly pure nitrogen product is finally taken.
  • the configuration and connection of the columns of such a two-column system is the Embodiments of the older German patent application 10158327 and to find corresponding patent applications.
  • the distillation column system in liquid form can also be stored in a liquid tank or buffered before it is sent to a consumer.
  • the invention also relates to a device for producing high-purity nitrogen according to claims 9 and 10.
  • a first storage tank 1 nitrogen with a purity of 99.99 mol% ("less pure nitrogen ”) is stored in liquid form.
  • the storage tank 1 is composed, for example, of a neighboring air separation plant or fed by tankers.
  • the feeding takes place at about medium height.
  • the separation column (5) is designed as a single column and forms in the Embodiment together with a top condenser ("first condenser-evaporator") 6 and a sump evaporator ("second condenser evaporator”) 7 the "distillation column system".
  • first condenser-evaporator a top condenser
  • second condenser evaporator a sump evaporator
  • top vapor 25 becomes the Separation column liquefied.
  • the condensate 26 obtained in this way is fed into the separation column 5 returned and used for the first part as a return.
  • a second part of the Condensate 26 is removed from the top of the separation column 5 as a highly pure nitrogen product 8 removed in liquid form and introduced into a second storage tank 9.
  • Residual liquid 10 are the less volatile impurities from the bottom of the Separation column deducted, which simultaneously the evaporation space of the Bottom evaporator 7 forms.
  • the residual liquid 10 is in the first storage tank 1 returned. Alternatively, the residual liquid 10 can be discarded.
  • the system shown in the exemplary embodiment has a circuit which is used for Example with fluid No. 5 from the table above as heat exchange fluid is operated and for cooling or heating the two Condenser-evaporator 6 and 7 is used.
  • Gaseous heat exchange fluid 11 is shown in FIG a compressor 12 with aftercooler 13 to a pressure of, for example, 6 to 16 bar, preferably brought to 10 to 12 bar and then in a first partial stream 14 and split a second stream 15.
  • the first partial flow 14 of the heat exchange fluid is in a circuit heat exchanger 16 initiated, cooled there, at the cold end of the circuit heat exchanger 16 taken (17) and the liquefaction room of the Bottom evaporator 7 fed.
  • the liquefied heat exchange fluid 18 is shown in FIG a throttle valve 19 to approximately the inlet pressure of the compressor 12 (for example 5 to 15 bar, preferably 9 to 10 bar) relaxed and in the evaporation chamber of the Head condenser 6 evaporates.
  • Gas 20 formed in the process is conducted via line 21 to cold end of the circuit heat exchanger 16 and further via line 11 to the entrance of the compressor 12 returned.
  • the second partial stream 15 of the is only cooled to an intermediate temperature compressed heat exchange fluids.
  • the second partial flow 22 directed to the entry of a generator-braked turbine 23, there relaxing and working on about the inlet pressure of the compressor 12 finally fed back to the compressor 12 via the lines 24, 21, 11.
  • the device parts or method steps for internal refrigeration 15, 22, 23 and 24 can drop if external cooling to compensate for the Cold losses is used.

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Erzeugung hoch reinen Stickstoffs aus weniger reinem Stickstoff in einem Destilliersäulen-System, das mindestens eine erste Trennsäule (5) aufweist. Ein Strom (4) weniger reinen Stickstoffs wird in die erste Trennsäule (5) eingeleitet. Der Trennsäule des Destilliersäulen-Systems wird ein hoch reines Stickstoffprodukt (8) entnommen. Das Destilliersäulen-System umfasst außerdem einen ersten Kondensator-Verdampfer (6), der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist. Im Verflüssigungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) wird Rücklaufflüssigkeit (26) für die oder eine der Trennsäulen (5) erzeugt. Im Verdampfungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) wird ein Wärmeaustausch-Fluid (18) verdampft. Das Wärmeaustausch-Fluid (20, 21, 11) wird stromabwärts des ersten Kondensator-Verdampfers (6) einem Verdichter (12) zugeleitet. Mindestens ein Teil (14) des Wärmeaustausch-Fluids stromabwärts des Verdichters (11) wird dem Verflüssigungsraum eines zweiten Kondensator-Verdampfers (7) zugeleitet. Im Verdampfungsraum des zweiten Kondensator-Verdampfers (7) wird in dem aufsteigender Dampf für die oder eine der Trennsäulen (5) erzeugt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betnffü ein Verfahren zur Erzeugung hoch reinen Stickstoffs aus weniger reinem Stickstoff in einem Destilliersäulen-System, das mindestens eine erste Trennsäule aufweist, wobei bei dem Verfahren ein Strom weniger reinen Stickstoffs in die erste Trennsäule eingeleitet wird und der beziehungsweise einer Trennsäule des Destilliersäulen-Systems ein hoch reines Stickstoffprodukt entnommen wird, wobei das Destilliersäulen-System außerdem einen ersten kondensator-Verdampfer umfasst, der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist, im Verflüssigungsraum des ersten kondensator-Verdampfers Rücklaufflüssigkeit für die oder eine der Trennsäulen erzeugt und im Verdampfungsraum des ersten K6ndensator-Verdampfers ein Wärmeaustausch-Fluid verdampft wird, und wobei das Wärmeaustausch-Fluid stromabwärts des ersten kondensator-Verdampfers einem Verdichter zugeleitet wird.
Mit Hilfe eines derartigen Systems kann beispielsweise am Ort eines Verbrauchers kostengünstig erhältlicher weniger reiner Stickstoff flüssig antransportiert werden; aus dieser weniger reinen tiefkalten Flüssigkeit wird mit einer relativ unkomplizierten Apparatur das benötigte hoch reine Produkt hergestellt.
Unter "weniger reinem Stickstoff" wird hier eine Fraktion verstanden, die hauptsächlich aus Stickstoff besteht, aber noch verschiedene Verunreinigungen enthält, insbesondere solche, die leichter als Stickstoff sieden, gegebenenfalls auch schwerer siedende Komponenten. Es kann sich beispielsweise um Stickstoff technischer Reinheit handeln. Der "weniger reine Stickstoff" weist beispielsweise eine Reinheit von mindestens 99,9 mol%, vorzugsweise mindestens 99,99 mol% auf. Er enthält noch beispielsweise 0,1 mol% oder weniger, vorzugsweise 0,01 mol% oder weniger, beispielsweise 0,001 mol% an Verunreinigungen. Er wird beispielsweise durch das Produkt einer benachbarten Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage gebildet und/oder einem Flüssigtank entnommen. Das hoch reine Stickstoffprodukt enthält weniger Verunreinigungen als das Einsatzgemisch. Es weist zum Beispiel noch Verunreinigungen im Umfang von 0,1 ppm oder weniger, vorzugsweise von 0,01 ppm oder weniger auf.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus JP 02061481 A US 5421164 bekannt. Dieses System kann aus technisch reinem Stickstoff, der aus einem Speichertank kommt, hoch reinen Stickstoff herstellen. Der Kopfkondensator der (einzigen) Trennsäule ("erster Kondensator-Verdampfer") wird dabei mittels entspannter Sumpfflüssigkeit der Trennsäule gekühlt. Der dabei erzeugte Dampf wird rückverdichtet und in die Trennsäule eingeleitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und/oder eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig sind und insbesondere einen relativ geringen Energieverbrauch aufweisen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Wärmeaustausch-Fluid stromabwärts des Verdichters dem Verflüssigungsraum eines zweiten Kondensator-Verdampfers zugeleitet wird, der außerdem einen Verdampfungsraum aufweist, in dem aufsteigender Dampf für die oder eine der Trennsäulen erzeugt wird. Das Wärmeaustausch-Fluid ist damit unabhängig von der Zusammensatzung der Sumpfflüssigkeit der ersten Trennsäule. Es kann beispielsweise durch ein externes Medium oder durch eine andere Fraktion der Trennsäule(n) gebildet werden. Auf diese Weise kann ein Wärmeaustausch-Fluid eingesetzt werden, das einen energetisch besonders günstigen Betrieb des Verfahrens ermöglicht.
Als Wärmeaustausch-Fluid wird bei der Erfindung beispielsweise eines der in der unten stehenden Tabelle erwähnten Fluide eingesetzt werden (die Konzentrationsangaben an Stickstoff, Argon und Sauerstoff sind als molare Mengen zu verstehen):
Nr. Bezeichnung N2-Gehalt Ar-Gehalt O2-Gehalt
1 Luft 0,78118 0,00932 0,2095
2 O2-angereichert 0,06 0,005 0,395
3 Unrein-O2 0,30 0,005 0,695
4 Reiner O2 0,00 0,005 0,995
5 Unrein-N2 0,98 01,005 0,0015
6 Reiner N2 0,999 0,001 0,00
Vorzugsweise wird das Wärmeaustausch-Fluid stromabwärts des zweiten Kondensator-Verdampfers entspannt und wieder dem ersten Kondensator-Verdampfer zugeführt, also in einem Kreislauf geführt. Kreislaufverluste können aus der beziehungsweise einer der Trennsäulen ergänzt werden, oder aber aus einer externen Quelle außerhalb des Destilliersäulen-Systems, beispielsweise einer vorgeschalteten Luftzerlegungs-Anlage oder von einem Flüssigtank. In dem Kreislaufsystem kann Kälte durch arbeitseistende Entspannung erzeugt werden, indem ein Fluidstrom aus dem Verdichter vom Wärmeaustausch-Fluid abgezweigt und einer oder mehreren Entspannungsmaschinen (zum Beispiel Turbinen) zugeleitet wird.
Dabei ist es günstig, wenn kein Teil des Wärmeaustausch-Fluids in das Innere der ersten Trennsäule oder in das Innere einer der Trennsäulen des Destiltiersäulen-Systems eingeführt beziehungsweise zurückgeführt wird.
Das Destilliersäulen-System kann als Einzelsäulensystem oder als Zwei- oder Mehr-Säulen-System ausgebildet sein. Im Fall eines Zwei-Säulen-Systems wird ein Zwischenprodukt aus der ersten Trennsäule entnommen und einer zweiten Trennsäule zugeleitet; der schließlich das hoch reine Stickstoffprodukt entnommen wird. Die Konfiguration und Verbindung der Säulen eines derartigen Zwei-Säulen-System ist den Ausführungsbeispielen der älteren deutschen Patentanmeldung 10158327 und der dazu korrespondierenden Patentanmeldungen zu entnehmen.
Insbesondere dann, wenn die Einsatzfraktion mindestens zeitweise aus einem Speichertank herangeführt wird, ist es günstig, wenn der Strom weniger reinen Stickstoffs in flüssiger Form in die erste Trennsäule eingeleitet wird. Hierdurch können die Vorteile flüssiger Lagerung genutzt werden und die Verflüssigungskälte geht nicht verloren, sondern kann in dem Destilliersäulen-System nutzbringend eingesetzt werden.
Wenn das hoch reine Stickstoffprodukt dem Destilliersäulen-System in flüssiger Form entnommen wird, kann dieses ebenfalls in einem Flüssigtank gelagert beziehungsweise gepuffert werden, bevor es einem Verbraucher zugeleitet wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Erzeugung hoch reinen Stickstoffs gemäß den Patentansprüchen 9 und 10.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestetlten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In einem ersten Speichertank 1 wird Stickstoff einer Reinheit von 99,99 mol% ("weniger reiner Stickstoff") flüssig gelagert. Der Speichertank 1 wird beispielsweise aus einer benachbarten Luftzerlegungs-An lage oder von Tankfahrzeugen gespeist. Über eine Einsatzleitung 2, 4 wird flüssiger, weniger reiner Stickstoff mittels einer Pumpe 3 in eine Trennsäule 5 gefördert. Die Zuspeisung erfolgt etwa auf mittlerer Höhe.
Die Trennsäule (5) ist als Einzelsäule ausgebildet und bildet in dem Ausführungsbeispiel zusammen mit einem Kopfkondensator ("erster Kondensator-Verdampfer") 6 und einem Sumpfverdampfer ("zweiter Kondensator-Verdampfer") 7 das "Destilliersäulen-System". In dem Kopfkondensator wird Kopfdampf 25 der Trennsäule verflüssigt. Das dabei gewonnene Kondensat 26 wird in die Trennsäule 5 zurückgeleitet und zu einem ersten Teil als Rücklauf eingesetzt. Ein zweiter Teil des Kondensats 26 wird vom Kopf der Trennsäule 5 als hoch reines Stickstoffprodukt 8 flüssig entnommen und in einen zweiten Speichertank 9 eingeleitet. Mit einer Restflüssigkeit 10 werden die schwererflüchtigen Verunreinigungen vom Sumpf der Trennsäule abgezogen, der gleichzeitig den Verdampfungsraum des Sumpfverdampfers 7 bildet. Die Restflüssigkeit 10 wird in den ersten Speichertank 1 zurückgeleitet. Alternativ kann die Restflüssigkeit 10 verworfen werden.
Das in dem Ausführungsbeispiel gezeigte System weist eineh Kreislauf auf, der zum Beispiel mit dem Fluid Nr. 5 aus der oben stehenden Tabelle als Wärmeaustausch-Fluid betrieben wird und zur Kühlung beziehungsweise Beheizung der beiden Kondensator-Verdampfer 6 und 7 dient. Gasförmiges Wärmeaustausch-Fluid 11 wird in einem Verdichter 12 mit Nachkühler 13 auf ein Druck von beispielsweise 6 bis 16 bar, vorzugsweise 10 bis 12 bar gebracht und anschließend in einem ersten Teilstrom 14 und einen zweiten Tejistrom 15 aufgeteilt.
Der erste Teilstrom 14 des Wärmeaustausch-Fluids wird in einen Kreislauf-Wärmetauscher 16 eingeleitet, dort abgekühlt, am kalten Ende des Kreislauf-Wärmetauschers 16 entnommen (17) und dem Verflüssigungsraum des Sumpfverdampfers 7 zugeleitet. Das verflüssigte Wärmeaustausch-Fluid 18 wird in einem Drosselventil 19 auf etwa den Eintrittsdruck des Verdichters 12 (beispielsweise 5 bis 15 bar, vorzugsweise 9 bis 10 bar) entspannt und im Verdampfungsraum des Kopfkondensators 6 verdampft. Dabei gebildetes Gas 20 wird über Leitung 21 zum kalten Ende des Kreislauf-Wärmetauschers 16 und weiter über Leitung 11 zum Eintritt des Verdichters 12 zurückgeführt.
Nur auf eine Zwischentemperatur abgekühlt wird der zweite Teilstrom 15 des verdichteten Wärmeaustausch-Fluids. Unter dieser Zwischentemperatur wird der zweite Teilstrom 22 zum Eintritt einer Generator-gebremsten Turbine 23 geleitet, dort arbeitsleistend auf etwa den Eintrittsdruck des Verdichters 12 entspannt und schließlich über die Leitungen 24,21,11 wieder dem Verdichter 12 zugeführt.
Die Vorrichtungsteile bzw. Verfahrenssch ritte zur internen Kälteerzeugung 15, 22, 23 und 24 können enifallen, wenn stattdessen Fremdkälte zum Ausgleich der Kälteverluste eingesetzt wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Erzeugung hoch reinen Stickstofts aus weniger reinem Stickstoff in einem Destilliersäulen-System, das mindestens eine erste Trennsäule (5) aufweist, wobei bei dem Verfahren ein Strom (4) weniger reinen Stickstoffs in die erste Trennsäule (5) eingeleitet wird und der beziehungsweise einer Trennsäule des Destilliersäulen-Systems ein hoch reines Stickstoffprodukt (8) entnommen wird, wobei das Destilliersäulen-System außerdem einen ersten Kondensator-Verdampfer (6) umfasst, der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist, im Verflüssigungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) Rücklaufflüssigkeit (26) für die oder eine der Trennsäulen (5) erzeugt und im Verdampfungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) ein Wärmeaustausch-Fluid (18) verdampft wird, und wobei das Wärmeaustausch-Fluid (20, 21, 11) stromabwärts des ersten Kondensator-Verdampfers (6) einem Verdichter (12) zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil (14) des Wärmeaustausch-Fluids stromabwärts des Verdichters (11) dem Verflüssigungsraum eines zweiten Kondensator-Verdampfers (7) zugeleitet wird, der außerdem einen Verdampfungsraum aufweist, in dem aufsteigender Dampf für die oder eine der Trennsäulen (5) erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustausch-Fluid (18) stromabwärts des zweiten Kondensator-Verdampfers (7) entspannt (19) und wieder dem ersten Kondensator-Verdampfer (6) zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass kein Teil des Wärmeaustausch-Fluids in das Innere der ersten Trennsäule (5) eingeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspmch 3, dadurch gekennzeichnet, dass kein Teil des Wärmeaustausch-Fluids in das Innere einer der Trennsäulen (5) des Destilliersäulen-Systems eingeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System als Einzelsäulensystem ausgebildet ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System eine zweite Trennsäule aufweist, wobei ein Zwischenprodukt aus der ersten Trennsäule entnommen und der zweiten Trennsäule zugeleitet und das hoch reine Stickstoffprodukt der zweiten Trennsäule entnommen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom weniger reinen Stickstoffs (4) in flüssiger Form in die erste Trennsäule (5) eingeleitet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das hoch reine Stickstoffprodukt (8) dem Destilliersäulen-System in flüssiger Form entnommen wird.
  9. Vorrichtung zur Erzeugung hoch reinen Stickstoffs aus weniger reinem Stickstoff mit einem Destilliersäulen-System, das mindestens eine erste Trennsäule (5) aufweist, mit einer Einsatzleitung (2, 4) zur Einleitung eines Stroms weniger reinen Stickstoffs in die erste Trennsäule (5), mit einer Produktleitung (8) zur Entnahme eines hoch reinen Stickstoffprodukts aus dem Destilliersäulen-System, mit einem ersten Kondensator-Verdampfer (6), der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist, wobei der Verflüssigungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) in Strömungsverbindung mit dem oberen Bereich der oder einer der Trennsäulen (5) steht und der Verdampfungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) mit einer Zuleitung (18) und mit einer Ableitung (20, 21) für ein Wärmeaustausch-Fluid (18) verbunden ist, und die Ableitung (20, 21) zum Eintritt eines Verdichters (12) führt, gekennzeichnet durch einen zweiten Kondensator-Verdampfers (7), dessen Verflüssigungsraum mit dem Austritt des Verdichters (11) verbunden ist und dessen Verdampfungsraum in Strömungsverbindung mit dem unteren Bereich der oder einer der Trennsäulen (5) steht.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zur Herstellung einer Strömungsverbindung zwischen einer Quelle (1) für weniger reinen Stickstoff und der Einsatzleitung (2, 4).
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