EP4189311B1 - Verfahren und anlage zur durchführung eines industrieprozesses - Google Patents

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EP4189311B1
EP4189311B1 EP21739562.3A EP21739562A EP4189311B1 EP 4189311 B1 EP4189311 B1 EP 4189311B1 EP 21739562 A EP21739562 A EP 21739562A EP 4189311 B1 EP4189311 B1 EP 4189311B1
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EP
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rectification
subjected
argon
heat exchange
compression
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Dimitri GOLUBEV
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/904—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by liquid or gaseous cryogen in an open loop

Definitions

  • the present invention relates to a method for carrying out an industrial process and a corresponding plant according to the respective preambles of the independent patent claims.
  • Pure argon is required for various purposes, for example the semiconductor industry. Pure argon is used in particular to provide inert gas atmospheres, particularly in cases where nitrogen is still too reactive. For example, nitrogen can lead to the undesirable formation of metal nitrides in sputtering processes.
  • the present invention is not limited by the specific use of argon, but can be used in a variety of industrial processes, for example in the field of smelting metallurgy or as an inert or purge gas for heat treatment.
  • the pure argon is in particular so-called argon 6.0 with a purity of at least 99.9999%.
  • Such pure argon typically contains as secondary components less than 0.5 ppm nitrogen, 0.5 ppm oxygen, 0.5 ppm water, 0.1 ppm hydrocarbons, 0.1 ppm carbon monoxide, 0.1 ppm carbon dioxide and 0.5 ppm hydrogen.
  • argon is mentioned in general below, this includes not only pure argon but also mixtures that are rich in argon but also contain corresponding secondary components, as long as the argon content is more than 50%, 75%, 80%, 90%, 95%, 99%, 99.9%, 99.99%, 99.999%. All percentages here refer in particular to mole percent or volume percent.
  • Argon can be produced as an air product in liquid or gaseous state by cryogenic separation of air in an air separation plant and subsequent purification, as for example in H.-W. Häring (ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, especially section 2.2.5, "Cryogenic Rectification ", described. Production can take place on site, ie at the place of consumption, for example in a semiconductor plant, or it can be transported in a suitable manner to the place of consumption.
  • the EN 10 2018 006 002 B3 proposes a method for recycling argon from an industrial process, in which the argon previously used in the industrial process is processed using low-temperature separation.
  • a further embodiment of a corresponding method is disclosed by US 5,706,674 A .
  • the FR 1 478 995 A relates to the separation of components of a gas mixture such as air by rectification and in particular to a process for the separation of nitrogen and oxygen in a single rectification column whose refrigerant consists partly of compressed liquefied air.
  • a method for recovering and purifying argon in which energy consumption is said to be low due to simple steps.
  • This method comprises: a first step of reacting contaminated argon gas with hydrogen gas so that oxygen contained in the contaminated argon gas is converted to water, thereby substantially removing oxygen from the contaminated argon gas; a second step of introducing the contaminated argon gas into an adsorption device, wherein the adsorption device is caused to adsorb water and carbon dioxide contained in the contaminated argon gas, thereby substantially removing the water and carbon dioxide from the contaminated argon gas; and a third step of subjecting the impure argon gas to low temperature liquefaction and introducing the liquefied argon into a rectifier, causing the rectifier to remove low boiling point impurity components and high boiling point impurity components contained in the impure argon gas by purification and separation, thereby obtaining pure argon gas consisting essentially of argon.
  • a stream containing at least 93 mol% oxygen from an adsorptive air separation plant is fed to a purification device comprising a heat exchanger and a cryogenic distillation column, and the stream is cooled in the heat exchanger and separated in the cryogenic distillation column.
  • the present invention aims to improve the processing of argon from corresponding industrial processes.
  • the present invention solves this problem by means of a method for carrying out an industrial process and a corresponding system according to the respective generic terms of the independent patent claims.
  • Embodiments are the subject of the dependent patent claims and the following description, with explanations relating to the method and its embodiments applying equally to a corresponding system and its embodiments.
  • a "condenser-evaporator” is a heat exchanger in which a first, condensing fluid flow enters into indirect heat exchange with a second, evaporating fluid flow.
  • Each condenser-evaporator has a condensation chamber and an evaporation chamber.
  • the condensation and evaporation chambers have condensation and evaporation passages, respectively.
  • the condensation (liquefaction) of the first fluid flow is carried out in the condensation chamber, and the evaporation of the second fluid flow is carried out in the evaporation chamber.
  • the evaporation and condensation spaces are formed by groups of passages that are in heat exchange relationship with each other.
  • the so-called main condenser which connects a high-pressure column and a low-pressure column of an air separation plant in a heat-exchanging manner, is designed as a condenser-evaporator.
  • the main condenser can in particular be designed as a single- or multi-storey bath evaporator, in particular as a cascade evaporator (as for example in the EP 1 287 302 B1 described), or as a falling film evaporator.
  • the main condenser can be formed by a single heat exchanger block or by several heat exchanger blocks arranged in a common pressure vessel.
  • Corresponding condenser evaporators can also be used within the scope of the present invention, in particular as top condensers.
  • a liquid or two-phase flow is forced through the evaporation chamber by means of its own pressure and partially evaporated there.
  • This pressure is generated, for example, by a liquid column in the feed line to the evaporation chamber (the height of this liquid column corresponds to the pressure loss in the evaporation chamber) or by throttling the liquid flow to a lower pressure level.
  • liquids and gases may be rich or poor in one or more components, where “rich” may mean a content of at least 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99% and “poor” may mean a content of at most 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis.
  • “predominantly” may correspond to the definition of "rich”.
  • Liquids and gases may also be enriched or depleted in one or more components, where these terms refer to a content in a starting liquid or gas from which the liquid or gas was derived.
  • the liquid or gas is "enriched” if it contains at least 1.1 times, 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times, 100 times or 1,000 times the content of a corresponding component, and “depleted” if it contains at most 0.9 times, 0.5 times, 0.1 times, 0.01 times or 0.001 times the content of a corresponding component, based on the starting liquid or gas. If, for example, “oxygen” or “nitrogen” is mentioned here, this also includes a liquid or gas that is rich in oxygen or nitrogen, but does not necessarily have to consist exclusively of these.
  • pressure level and "temperature level” to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that corresponding pressures and temperatures in a corresponding system do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values in order to implement the inventive concept.
  • pressures and temperatures typically move in certain ranges, which are, for example, ⁇ 1%, 5% or 10% around an average value.
  • Corresponding pressure levels and temperature levels can lie in disjoint ranges or in ranges that overlap one another.
  • pressure levels include, for example, unavoidable or expected pressure losses.
  • the pressure levels specified here in bar are absolute pressures.
  • impure argon is extracted from a process step of the type described above and the Impure argon or a portion thereof is subjected to processing to obtain pure argon.
  • the pure argon or a portion thereof is finally fed back into the process step, wherein the processing comprises compression, heat exchange and rectification in a rectification column which has a bottom evaporator and a top condenser.
  • the pure argon is obtained as a bottom product of the rectification column, wherein more volatile components, but in particular not less volatile components, are separated from the impure argon in the rectification column to obtain the pure argon.
  • the rectification column is in particular a single rectification column which is not coupled in series with other rectification columns, wherein "serial coupling" is to be understood as meaning that a fluid obtained by separation in a first rectification column is fed into a further rectification column.
  • serial coupling is to be understood as meaning that a fluid obtained by separation in a first rectification column is fed into a further rectification column.
  • the impure argon can generally be oxygen-free or essentially oxygen-free impure argon, but also impure argon containing oxygen to a certain extent. In the latter case, a catalytic conversion of the oxygen with hydrogen to water can be carried out, with the water then being separated from the impure argon.
  • the impure argon discharged from the process step or a portion thereof is subjected to compression, to heat exchange with other material streams explained below while cooling, and to at least partial condensation in the bottom evaporator to obtain an impure argon condensate.
  • a first portion of the impure argon condensate is fed into the rectification column in condensed form and a second portion is subjected to evaporation in the top condenser.
  • the evaporated second portion of the impure argon condensate or a portion thereof is fed back to the rectification as a recycle stream.
  • the use of the recycle stream within the scope of the present invention enables a significant reduction in the achievable residual carbon monoxide content.
  • the return to the rectification column reduces in particular the liquid/vapor ratio in the rectification column.
  • the present invention proposes that the recycle stream is subjected to at least a portion of compression together with the impure argon discharged from the process step or the portion thereof subjected to compression.
  • a combination with the impure argon from the process step can take place upstream or in the compressor used in this compression, the latter for example by feeding between different compressor stages of a multi-stage compressor or a screw compressor.
  • the present invention makes it possible to dispense with a separate compressor and thus creates a lower-maintenance and more cost-effective process.
  • the impure argon used in the context of the present invention can contain oxygen.
  • the impure argon can be subjected to a catalytic conversion of at least part of the oxygen with hydrogen to form water of a generally known type (so-called "DeOxo") and then at least partially to processing.
  • water of a generally known type so-called "DeOxo”
  • the water can be separated at least partially, in particular by condensation, if required, whereby any remaining impure argon can be subjected to at least partial processing.
  • This remaining residue like oxygen-free or essentially oxygen-free impure argon, for example, in which no catalytic conversion of the oxygen is carried out, can be subjected to an adsorptive process to remove undesirable components that interfere with the processing (especially CO2) before the actual processing, in particular a temperature swing adsorption using molecular sieve.
  • an adsorptive process to remove undesirable components that interfere with the processing (especially CO2) before the actual processing, in particular a temperature swing adsorption using molecular sieve.
  • residual water quantities that have not been separated can be removed in addition to carbon dioxide. If no separate water separation is carried out after the catalytic conversion, for example by condensation, the entire mixture obtained in the catalytic conversion can also be subjected to the adsorptive process.
  • the heat required for the catalytic conversion (the reaction takes place at around 300 to 400 °C) must be added separately. This can be achieved by dispensing with post-cooling downstream of the compression of the impure argon (and the circulating stream), since the gas emerging from a corresponding (screw) compressor is already sufficiently hot. In other words, for this purpose the impure argon (and the circulating stream) can be subjected to catalytic conversion at a temperature level at which they are taken from the compression.
  • the pure argon is provided using a bottom product formed in the rectification, wherein the bottom product formed in the rectification or a part thereof is subjected to heat exchange with the previously explained impure argon fed in and in particular also the circulating stream combined with it while being heated.
  • the bottom product formed in the rectification or the part thereof which is subjected to heat exchange while being heated is subjected to evaporation in the top condenser after removal and before heating according to the invention.
  • the condensed impure argon used as a circulating stream can also be evaporated in the heat exchanger block.
  • the bottom product formed in the rectification or the part thereof which is subjected to heat exchange while being heated can, after removal from the rectification column and before evaporation in the top condenser, be throttled in particular to a pressure level which is set on the basis of a target temperature (of the bottom product or the said portion) after evaporation in the top condenser.
  • This design serves in particular to maintain the pressure in the rectification column, namely by appropriately setting the superheat of the argon product (to be evaporated in the top condenser) at the outlet of the top condenser.
  • the pressure is thereby controlled in particular by means of an appropriate TIC control (which sets an appropriate valve and records the temperature of the evaporated fluid).
  • the pressure in the column results depending on the selected temperature difference for the respective design of the top condenser.
  • a heat exchange can be carried out before and after evaporation in the top condenser.
  • a condensed material flow fed to the top condenser can be subjected to a heat exchange with an evaporated material flow withdrawn from the top condenser in a corresponding heat exchanger (subcooler), i.e. a heat exchange of the same fluid "with itself” takes place.
  • the top condenser can be designed as a bath evaporator, wherein the bottom product formed in the rectification or the part thereof which is subjected to evaporation in the top condenser is fed into a liquid bath of the top condenser. In this case, the evaporation takes place in a liquid bath in which a heat exchanger block is arranged at least partially submerged.
  • the top condenser can also be designed as a forced-flow condenser evaporator, wherein the bottom product formed in the rectification or the part thereof which is subjected to evaporation in the top condenser is forced through passages of the top condenser without being fed into a liquid bath.
  • a top gas formed in the rectification can be condensed in particular in the top condenser and then a first portion can be returned to the rectification as reflux and a second portion can be subjected to heat exchange while being heated and discharged from the process (as residual gas).
  • the condensation in the top condenser can also take place in particular in corresponding (separate) passages of the heat exchanger block mentioned, which can be designed as a forced-drive condenser evaporator, for example.
  • the processing mentioned several times can in particular comprise adsorptive purification to remove moisture and carbon dioxide, in particular temperature swing adsorption, wherein the second portion of the top gas formed in the rectification, which is subjected to heat exchange while being heated and is discharged from the process, can be used in part or in full as regeneration gas in the adsorptive purification after heating and before being discharged from the process. Heating can also be carried out in this context.
  • the recycle stream is combined upstream of the compression or in the compression with the impure argon discharged from the process step or the part thereof subjected to compression.
  • this circulating flow can be throttled in particular to an inlet pressure of the compressor used; in the latter case, which can in particular include the feed between different compressor stages or via an intermediate feed in a screw compressor, such throttling can be dispensed with.
  • the rectification column used in the context of the present invention has in particular two separation sections arranged one above the other, wherein the first part of the impure argon condensate, which is fed into the rectification column in condensed form, is fed into the rectification column between the separation sections.
  • the recycle stream is formed in an amount which is 25 to 75% of an amount of the impure argon discharged from the process step or of the part thereof subjected to compression.
  • the amount can also be, for example, 40 to 60% or approximately 50%.
  • the compression can be carried out at a pressure level of 4 to 6 bar
  • the rectification column can be operated at a pressure level of 2.5 to 5 bar
  • the top condenser can be operated at evaporation pressure levels of 1.1 to 3 bar in its evaporation chambers.
  • Specific examples are approx. 5.0 bar for the pressure level of the compression, approx. 3.5 bar for the rectification column, and approx. 1.3 and 2.2 bar ( for the recycle stream and the argon product or the sump product of the rectification column) for the top condenser or its evaporation chamber.
  • the process can in principle also be carried out at pressures reduced or increased compared to the values mentioned, for example a pressure of 9 to 15 bar in the rectification. The other pressures are adjusted accordingly.
  • the pure argon or the part thereof that is returned to the process step can be compressed from the evaporation pressure level to a suitable pressure level, for example a pressure level of approximately 12 bar.
  • the heat exchange provided for in the present invention can also be carried out by evaporating liquid nitrogen, which in this way leads to increased cooling and compensates for cold losses in the system.
  • the heat exchange can be carried out using a single heat exchanger or using several thermally coupled heat exchangers, as explained.
  • the impure argon processed in the context of the present invention can in particular have a content of 90 to 99.5% argon and otherwise 0.1 to 9% nitrogen, 100 to 2000 ppm carbon monoxide, 500 to 5000 ppm hydrogen and/or 10 to 800 ppm carbon dioxide.
  • the impure argon processed in the context of the present invention contains 99% argon and otherwise 0.5% nitrogen, 1000 ppm carbon monoxide, 2500 ppm hydrogen and 50 ppm carbon dioxide and is provided in an amount of, for example, 100 to 500 standard cubic meters per hour.
  • the impure argon can basically be oxygen-free or essentially oxygen-free, but it can also, for example, as mentioned, have a content of 100 to 1,000 ppm of oxygen. In the specific example mentioned, the impure argon contains, for example, approximately 500 ppm of oxygen. This oxygen can be at least partially removed by the catalytic reaction with hydrogen.
  • the pure argon provided in the context of the present invention may in particular comprise more than 99.999% argon and otherwise 0.001 to 0.1 ppm carbon monoxide, 0.009 to 0.9 ppm oxygen and less than 10 ppb nitrogen.
  • it contains less than 0.1 ppm carbon monoxide, 0.5 ppm oxygen and less than 10 ppb nitrogen and is provided in an amount of 200 to 300 standard cubic meters per hour, for example 280 standard cubic meters per hour.
  • system comprises means designed to carry out a method according to one of the embodiments explained.
  • impure argon in the form of a material flow A is carried out from a process step 10 of the type explained above.
  • the impure argon i.e. the material flow A
  • the impure argon is subjected to a processing designated as 20 to obtain pure argon in the form of a material flow B, wherein the pure argon or a part thereof, ie the material flow B or a part thereof, is fed back to the process step 10, as in the Figures 1 and 2 not shown separately.
  • Differences between the Figures 1 and 2 (Procedures 100 and 200) on the one hand and Figure 3 (Process 300) on the other hand arise in the processing of the impure argon, i.e. material flow A, as explained below.
  • the different processing described in (Procedure 200) can also be carried out in the Figure 1 (Procedure 100) may be used.
  • the processing 20 comprises a compression 21 with not separately designated aftercooling (the latter only in the processes 100 and 200 according to the Figures 1 and 2 ), a heat exchange 22 between the material flows explained below, in particular in a common heat exchanger or in several thermally coupled heat exchangers, and a rectification 23 in a rectification column, here again separately designated 24, which has a bottom evaporator 25 and a top condenser 26.
  • a top condenser 26 which is arranged in a liquid bath 26a into which bottom liquid of the rectification column 24 is fed, is carried out in the processes 200 and 300 according to the Figures 2 and 3
  • a forced-flow condenser evaporator is used, ie the bottom liquid of the rectification column 24 is forced through the top condenser 26 and does not reach a corresponding liquid bath.
  • the impure argon or a part thereof, i.e. material flow A, discharged from process step 10 is subjected to compression 21, to heat exchange 22 while cooling, and to obtain an impure argon condensate in the form of a stream C, subjected to at least partial condensation in the bottom evaporator 25.
  • the impure argon condensate, i.e. stream C is fed into the rectification column 24 (in each case with expansion via valves not provided with separate reference symbols) in a first part in the form of a stream D, and subjected to evaporation in the top condenser 26 in a second part in the form of a stream E.
  • the evaporated second portion of the impure argon condensate or a portion thereof is fed back to the rectification 23 in the form of a stream F as a recycle stream.
  • the recycle stream i.e. the material stream F
  • the recycle stream is subjected to at least a portion of the compression 21 together with the impure argon discharged from process step 10 or the portion thereof subjected to compression 21, i.e. the material stream A.
  • the material stream F is combined upstream of the compression 21 with the impure argon discharged from process step 10 or the portion thereof subjected to compression 21, i.e. the material stream A.
  • the rectification column 24 has two separation sections 29 arranged one above the other, wherein the first part of the impure argon condensate, which is fed into the rectification column 24 in condensed form, i.e. the material stream D, is fed into the rectification column 24 between the separation sections 29.
  • the pure argon, i.e. material stream B, is provided in the form of a material stream G using a bottom product formed in the rectification 23, wherein the bottom product formed in the rectification 23 or a part thereof, i.e. material stream G, is subjected to heat exchange 22 while being heated. Furthermore, the bottom product formed in the rectification 23 or the part thereof which is subjected to heat exchange 22 while being heated, i.e. material stream G, is subjected to evaporation in the top condenser 26 after removal and before heating and, in the example shown, to a mutual heat exchange 28, i.e. a corresponding heat exchange 28 "against itself", before and after evaporation in the top condenser 26.
  • the procedure 100 differs according to Figure 1 on the one hand, from procedures 200 and 300 according to the Figures 2 and 3 on the other hand, with regard to the separation 10, in particular in the design of the head capacitor 26.
  • valve 26b After removal and before evaporation in the top condenser 26, the bottom product which is evaporated there can be Figure 3 correspondingly designated) valve 26b to a pressure level that is set on the basis of a target temperature after evaporation in the top condenser 26.
  • This embodiment serves, as mentioned, in particular to maintain the pressure in the rectification column 24.
  • the pressure can be set in particular by means of a corresponding TIC control (which adjusts the valve 26b and detects the temperature of the evaporated fluid, i.e. the material flow E after evaporation).
  • Corresponding measures are optional, but can nevertheless be used in all embodiments of the present invention.
  • the heat exchanger 28 is in the embodiment according to Figure 3 typically not done. It is also optional in the other configurations.
  • a top gas formed in the rectification 23 is condensed in the top condenser 26 and a first portion is returned to the rectification 23 in the form of a material stream H as reflux, while a second portion is subjected to the heat exchange 22 in the form of a material stream K while being heated and discharged from the process and, for example, ultimately released to the environment (atmosphere ATM).
  • the processing 20 comprises an adsorptive cleaning 27 to which the material stream A or a material stream formed therefrom is subjected before cooling by the heat exchanger 22, wherein the material stream K after heating in the heat exchanger 22 is partially used as regeneration gas in the adsorptive cleaning 27, in particular after further heating in a heater not separately designated.
  • the pure argon or the part thereof that is fed back to the process step 10 is subjected to a suitable compression 30 in all illustrated embodiments.
  • the heat exchange 22 is also carried out with evaporation of liquid nitrogen LIN, which is provided in the form of a material stream L and can then be used as a regeneration gas like the material stream K.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Industrieprozesses und eine entsprechende Anlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
    • Stand der Technik
  • Für unterschiedliche Zwecke, beispielsweise die Halbleiterindustrie, wird Reinargon benötigt. Reinargon wird insbesondere zur Bereitstellung inerten Gasatmosphären eingesetzt, und zwar insbesondere in Fällen, in denen sich Stickstoff als noch zu reaktiv erweist. Beispielsweise kann Stickstoff bei Sputterverfahren zur unerwünschten Bildung von Metallnitriden führen. Die vorliegende Erfindung ist durch die spezifische Verwendung des Argons nicht beschränkt, sondern kann in einer Vielzahl von industriellen Prozessen, beispielsweise auch im Bereich der Schmelzmetallurgie oder als Inert- oder Spülgas zur Wärmebehandlung, zum Einsatz kommen.
  • Bei dem Reinargon handelt es sich insbesondere um sogenanntes Argon 6.0 mit einer Reinheit von zumindest 99,9999 %. Solches Reinargon enthält als Nebenbestandteile typischerweise jeweils weniger als 0,5 ppm Stickstoff, 0,5 ppm Sauerstoff, 0,5 ppm Wasser, 0,1 ppm Kohlenwasserstoffe, 0,1 ppm Kohlenmonoxid, 0,1 ppm Kohlendioxid und 0,5 ppm Wasserstoff. Ist nachfolgend allgemein von "Argon" die Rede, umfasst dies neben Reinargon auch Gemische, die reich an Argon sind, aber auch entsprechende Nebenkomponenten aufweisen, solange der Gehalt an Argon bei mehr als 50%, 75%, 80%, 90%, 95%, 99%, 99,9%, 99,99%, 99,999% liegt. Alle Prozentangaben bezeichnen hier insbesondere Molprozent bzw. Volumenprozent.
  • Argon kann als Luftprodukt in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Luftzerlegungsanlage und anschließende Aufreinigung hergestellt werden, wie beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben. Die Herstellung kann vor Ort, d.h. am Ort des Verbrauchs, beispielsweise in einem Halbleiterwerk, erfolgen, oder es kann ein Transport in geeigneter Form zum Ort des Verbrauchs erfolgen.
  • Typischerweise wird das Argon bei einer entsprechenden Verwendung verunreinigt und wird daher anschließend typischerweise an die Atmosphäre abgegeben. Dies ist insbesondere in Fällen einer Argonknappheit am Markt unbefriedigend. Daher schlägt die DE 10 2018 006 002 B3 ein Verfahren zum Wiederverwerten von Argon aus einem industriellen Prozess vor, bei dem das zuvor in dem industriellen Prozess eingesetzte Argon unter Einsatz einer Tieftemperaturtrennung aufbereitet wird. Eine weitere Ausgestaltung eines entsprechenden Verfahrens offenbart die US 5,706,674 A .
  • Die FR 1 478 995 A betrifft die Trennung von Komponenten eines Gasgemisches wie Luft durch Rektifikation und insbesondere ein Verfahren zur Trennung von Stickstoff und Sauerstoff in einer einzigen Rektifikationssäule, deren Kältemittel zum Teil aus verdichteter verflüssigter Luft besteht.
  • Aus der EP 0 761 596 A1 ist ein Verfahren zur Rückgewinnung und Reinigung von Argon bekannt, bei dem der Energieverbrauch aufgrund einfacher Schritte gering sein soll. Dieses Verfahren umfasst: einen ersten Schritt des Umsetzens von verunreinigtem Argongas mit Wasserstoffgas, so dass in dem verunreinigten Argongas enthaltener Sauerstoff in Wasser umgewandelt wird, wodurch Sauerstoff im Wesentlichen aus dem verunreinigten Argongas entfernt wird; einen zweiten Schritt des Einführens des verunreinigten Argongases in eine Adsorptionseinrichtung, wobei die Adsorptionseinrichtung veranlasst wird, Wasser und Kohlendioxid, die in dem verunreinigten Argongas enthalten sind, zu adsorbieren, wodurch das Wasser und das Kohlendioxid im Wesentlichen aus dem verunreinigten Argongas entfernt werden; und einen dritten Schritt, bei dem das unreine Argongas einer Verflüssigung bei niedriger Temperatur unterzogen wird und das verflüssigte Argon in eine Rektifizierungseinrichtung eingeleitet wird, wobei die Rektifizierungseinrichtung veranlasst wird, Verunreinigungskomponenten mit niedrigem Siedepunkt und Verunreinigungskomponenten mit hohem Siedepunkt, die in dem unreinen Argongas enthalten sind, durch Reinigung und Trennung zu entfernen, wodurch reines Argongas erhalten wird, das im Wesentlichen aus Argon besteht.
  • Bei einem Verfahren zur Reinigung von Sauerstoff geringer Reinheit aus einer adsorptiven Luftzerlegungsanlage wird gemäß der FR 3 020 668 A3 ein Strom, der mindestens 93 Mol-% Sauerstoff enthält, aus einer adsorptiven Luftzerlegungsanlage einer Reinigungsvorrichtung zugeführt, die einen Wärmetauscher und eine kryogene Destillationskolonne umfasst, und der Strom wird im Wärmetauscher abgekühlt und in der kryogenen Destillationskolonne getrennt.
  • Die Verwendung und das Recycling von Argon in der Halbleiterindustrie wird auch in dem Beitrag "The recovery and recycling of high purity argon in the semiconductor industry", AICHE National Meeting, 6. März 1988, Seiten 1 bis 19, diskutiert.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, die Aufbereitung von Argon aus entsprechenden Industrieprozessen zu verbessern.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Durchführung eines Industrieprozesses und eine entsprechende Anlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei das Verfahren und seine Ausgestaltungen betreffende Erläuterungen für eine entsprechende Anlage und ihre Ausgestaltungen in gleicher Weise gelten.
  • Nachfolgend werden zunächst einige bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile verwendete Begriffe sowie der zugrunde liegende technische Hintergrund näher erläutert.
  • Als "Kondensatorverdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensatorverdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf. Verflüssigungs- und Verdampfungsraum weisen Verflüssigungs- bzw. Verdampfungspassagen auf. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms.
  • Der Verdampfungs- und der Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
  • Insbesondere der eine Hochdruckkolonne und eine Niederdruckkolonne einer Luftzerlegungsanlage wärmetauschend verbindende sogenannte Hauptkondensator ist als Kondensatorverdampfer ausgebildet. Der Hauptkondensator kann insbesondere als ein- oder mehrstöckiger Badverdampfer, insbesondere als Kaskadenverdampfer (wie beispielsweise in der EP 1 287 302 B1 beschrieben), oder aber als Fallfilmverdampfer ausgebildet sein. Der Hauptkondensator kann durch einen einzigen Wärmetauscherblock oder durch mehrere Wärmetauscherblöcke, die in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sind, gebildet werden. Entsprechende Kondensatorverdampfer können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, insbesondere als Kopfkondensatoren.
  • In einem "Forced-Flow"- oder Zwangsführungs-Kondensatorverdampfer, wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere als Kopfkondensator zum Einsatz kommen kann, wird ein Flüssigkeits- oder Zweiphasenstrom mittels seines eigenen Drucks durch den Verdampfungsraum gedrückt und dort partiell verdampft. Dieser Druck wird beispielsweise durch eine Flüssigkeitssäule in der Zuleitung zum Verdampfungsraum (die Höhe dieser Flüssigkeitssäule entspricht dabei dem Druckverlust im Verdampfungsraum) oder durch Abdrosseln des Flüssigstromes auf ein niedrigeres Druckniveau erzeugt. Es erfolgt, mit anderen Worten, in einem solchen Kondensatorverdampfer keine Rückspeisung einer zu verdampfenden Flüssigkeit, wobei diese Flüssigkeit durch Verdampfungspassagen des Kondensatorverdampfers durch den Thermosiphoneffekt durch die Verdampfungspassagen aufsteigt, wie bei einem Badverdampfer, sondern die zur verdampfende Flüssigkeit wird durch Passagen des Kondensatorverdampfers zwangsgeführt. Das aus dem Verdampfungsraum austretende Gas wird direkt zum nächsten Verfahrensschritt bzw. zu einer stromabwärtigen Vorrichtung weitergeleitet.
  • Der mechanische Aufbau von Schraubenverdichtern , wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Verdichtung eingesetzt werden können, ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt..
  • Flüssigkeiten und Gase können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder an mehreren Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der Definition von "reich" entsprechen. Flüssigkeiten und Gase können ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen Gehalt in einer Ausgangsflüssigkeit oder einem Ausgangsgas beziehen, aus der oder dem die Flüssigkeit oder das Gas gewonnen wurde. Die Flüssigkeit oder das Gas ist "angereichert", wenn diese oder dieses zumindest den 1,1-fachen, 1 ,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, und "abgereichert", wenn diese oder dieses höchstens den 0,9-fachen, 0,5-fachen, 0,1-fachen, 0,01-fachen oder 0,001-fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf die Ausgangsflüssigkeit oder das Ausgangsgas enthält. Ist hier beispielsweise von "Sauerstoff" oder "Stickstoff" die Rede, sei hierunter auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, der reich an Sauerstoff oder Stickstoff ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss.
  • Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5%oder 10% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei dem hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
    • Vorteile der Erfindung
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Durchführung eines Industrieprozesses wird aus einem Prozessschritt der zuvor erläuterten Art Unreinargon ausgeführt und das Unreinargon oder ein Teil hiervon wird unter Erhalt von Reinargon einer Aufbereitung unterworfen. Das Reinargon oder ein Teil hiervon wird schließlich dem Prozessschritt wieder zugeführt, wobei die Aufbereitung eine Verdichtung, einen Wärmetausch und eine Rektifikation in einer Rektifikationskolonne umfasst, die einen Sumpfverdampfer und einen Kopfkondensator aufweist. Wie nachfolgend erläutert, wird das Reinargon als Sumpfprodukt der Rektifikationskolonne erhalten, wobei in der Rektifikationskolonne zur Gewinnung des Reinargons leichterflüchtige Komponenten, insbesondere aber nicht schwerer flüchtige Komponenten, aus dem Unreinargon abgetrennt werden. Die Rektifikationskolonne ist dabei insbesondere eine einzelne Rektifikationskolonne, die nicht seriell mit weiteren Rektifikationskolonnen gekoppelt ist, wobei unter einer "seriellen Kopplung" verstanden werden soll, dass ein Fluid, das durch eine Trennung in einer ersten Rektifikationskolonne erhalten wird, in eine weitere Rektifikationskolonne eingespeist wird. Durch die Verwendung einer einzelnen Rektifikationskolonne unterscheidet sich das vorliegende Verfahren in dieser bevorzugten Ausgestaltung von dem in der US 5,706,674 A offenbarten.
  • Das Unreinargon kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung generell sauerstofffreies oder im Wesentlichen sauerstofffreies Unreinargon, aber auch in gewissem Umfang Sauerstoff enthaltendes Unreinargon sein. In letzterem Fall kann eine katalytische Umsetzung des Sauerstoffs mit Wasserstoff zu Wasser vorgenommen werden, wobei das Wasser anschließend aus dem Unreinargon ausgeschieden wird.
  • Das aus dem Prozessschritt ausgeführte Unreinargon oder ein Teil hiervon wird der Verdichtung, unter Abkühlung dem Wärmetausch mit anderen, unten erläuterten Stoffströmen, und unter Erhalt eines Unreinargonkondensats einer zumindest teilweisen Kondensation in dem Sumpfverdampfer unterworfen. Das Unreinargonkondensat wird zu einem ersten Teil in kondensierter Form in die Rektifikationskolonne eingespeist und ein zu einem zweiten Teil einer Verdampfung in dem Kopfkondensator unterworfen. Der verdampfte zweite Anteil des Unreinargonkondensats oder ein Teil hiervon wird als Kreislaufstrom der Rektifikation wieder zugeführt. Die Verwendung des Kreislaufstroms ermöglicht im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine deutliche Verringerung der erzielbaren Restgehalte an Kohlenmonoxid. Die Rückführung in die Rektifikationskolonne verringert insbesondere das Flüssigkeits-/Dampf-Verhältnis in der Rektifikationskolonne.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt nun vor, dass der Kreislaufstrom zumindest einem Teil der Verdichtung zusammen mit dem aus dem Prozessschritt ausgeführten Unreinargon oder dem der Verdichtung unterworfenen Teil hiervon unterworfen wird. Wie auch nachfolgend erläutert, kann dabei eine Vereinigung mit dem Unreinargon aus dem Prozessschritt stromauf oder in dem Verdichter, der in dieser Verdichtung eingesetzt wird, erfolgen, letzteres beispielsweise durch Zuspeisen zwischen unterschiedlichen Verdichterstufen eines mehrstufigen Verdichters oder eines Schraubenverdichters. In jedem Fall ermöglicht die vorliegende Erfindung den Verzicht auf einen separaten Verdichter und schafft damit ein wartungsärmeres und kostengünstigeres Verfahren.
  • Wie erwähnt, kann das im Rahmen der vorliegenden Erfindung Unreinargon, Sauerstoff enthalten. In diesem Fall kann das Unreinargon einer katalytischen Umsetzung zumindest eines Teils des Sauerstoffs mit Wasserstoff zu Wasser grundsätzlich bekannter Art (sog. "DeOxo") und anschließend zumindest zum Teil der Aufbereitung unterworfen werden. Das Wasser kann je nach Kühlwassertemperatur bei Bedarf zumindest zum Teil, insbesondere durch Auskondensieren, abgetrennt werden, wobei ein dabei verbleibender Rest des Unreinargons zumindest zum Teil der Aufbereitung unterworfen werden kann. Dieser verbleibende Rest kann, wie auch beispielsweise sauerstofffreies oder im Wesentlichen sauerstofffreies Unreinargon, bei dem keine katalytische Umsetzung des Sauerstoffs vorgenommen wird, vor der eigentlichen Aufbereitung einem adsorptiven Verfahren zur Entfernung von unerwünschten und in der Aufbereitung störenden Komponenten (vor allem CO2) unterworfen werden, insbesondere einer Temperaturwechseladsorption unter Verwendung von Molsieb. Hierbei können neben Kohlendioxid nicht abgeschiedene Restwassermengen entfernt werden. Wird nach der katalytischen Umsetzung keine separate Wasserabtrennung, beispielsweise durch Kondensation, vorgenommen, kann auch das gesamte, bei der katalytischen Umsetzung erhaltene Gemisch dem adsorptiven Verfahren unterworfen werden.
  • Falls eine katalytische Umsetzung von Sauerstoff mit Wasserstoff zu Wasser vorgenommen wird, kann diese, bei ausreichendem Wasserstoffgehalt des Unreinargons, ohne externe Wasserstoffzugabe erfolgen. Falls der Wasserstoffgehalt nicht ausreichend ist, kann externer Wasserstoff zugegeben werden.
  • Bei relativ geringen Gehalten von Sauerstoff, beispielsweise in dem erwähnten Bereich, muss für die katalytische Umsetzung erforderliche Wärme (die Reaktion läuft bei ca. 300 bis 400 °C ab) extra zuführen. Das kann u.U. durch einen Verzicht auf eine Nachkühlung stromab der Verdichtung des Unreinargons (und des Kreislaufstroms) erfolgen, da das aus einem entsprechenden (Schrauben-)Verdichter austretende Gas bereits ausreichend heiß ist. Mit anderen Worten können zu diesem Zweck das Unreinargon (und der Kreislaufstrom) auf einem Temperaturniveau, auf dem sie der Verdichtung entnommen werden, der katalytischen Umsetzung unterworfen werden.
  • Erfindungsgemäß wird das Reinargon unter Verwendung eines in der Rektifikation gebildeten Sumpfprodukts bereitgestellt, wobei das in der Rektifikation gebildete Sumpfprodukt oder ein Teil hiervon unter Erwärmung dem Wärmetausch mit dem zuvor erläuterten eingespeisten Unreinargon und insbesondere auch dem damit vereinigten Kreislaufstrom unterworfen wird. Das in der Rektifikation gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der unter Erwärmung dem Wärmetausch unterworfen wird, wird nach der Entnahme und vor der Erwärmung dabei erfindungsgemäß einer Verdampfung in dem Kopfkondensator unterworfen werden. In dem Wärmetauscherblock kann auch die Verdampfung des als Kreislaufstroms verwendeten, kondensierten Unreinargons erfolgen.
  • Das in der Rektifikation gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der unter Erwärmung dem Wärmetausch unterworfen wird, kann nach der Entnahme aus der Rektifikationskolonne und vor der Verdampfung in dem Kopfkondensator insbesondere auf ein Druckniveau gedrosselt werden, das auf Grundlage einer Zieltemperatur (des Sumpfprodukts bzw. des genannten Anteils) nach der Verdampfung in dem Kopfkondensator eingestellt wird. Diese Ausgestaltung dient insbesondere zur Druckhaltung in der Rektifikationskolonne, und zwar durch eine entsprechende Einstellung der Überhitzung des (im Kopfkondensator zu verdampfenden) Argonprodukts am Austritt des Kopfkondensators. Der Druck wird dabei insbesondere mittels einer entsprechenden TIC-Regelung (die ein entsprechendes Ventil einstellt und die Temperatur des verdampften Fluids erfasst). Der Druck in der Kolonne ergibt sich je nach der gewählten Temperaturdifferenz für die jeweilige Ausgestaltung des Kopfkondensators.
  • Ferner kann vor und nach der Verdampfung in dem Kopfkondensator ein Wärmetausch vorgenommen werden. Mit anderen Worten kann ein dem Kopfkondensator zugeführter, kondensierter Stoffstrom dabei in einem entsprechenden Wärmetauscher (Unterkühler) einem Wärmetausch mit einem aus dem Kopfkondensator abgezogenen, verdampften Stoffstrom unterworfen werden, es erfolgt also ein Wärmetausch desselben Fluids "mit sich selbst".
  • Der Kopfkondensator kann als Badverdampfer ausgebildet sein, wobei das in der Rektifikation gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der der Verdampfung in dem Kopfkondensator unterworfen wird, in ein Flüssigkeitsbad des Kopfkondensators eingespeist wird. Die Verdampfung erfolgt in diesem Fall in einem Flüssigkeitsbad, in dem ein Wärmetauscherblock zumindest teilweise untergetaucht angeordnet ist. Der Kopfkondensator kann in einer anderen Ausgestaltung aber auch als Zwangsführungs-Kondensatorverdampfer ausgebildet sein, wobei das in der Rektifikation gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der der Verdampfung in dem Kopfkondensator unterworfen wird, ohne Einspeisung in ein Flüssigkeitsbad durch Passagen des Kopfkondensators zwangsgeführt wird.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein in der Rektifikation gebildetes Kopfgas insbesondere in dem Kopfkondensator kondensiert und danach zu einem ersten Anteil als Rücklauf in die Rektifikation zurückgeführt und zu einem zweiten Anteil unter Erwärmung dem Wärmetausch unterworfen und aus dem Verfahren (als Restgas) ausgeführt werden. Die Kondensation in dem Kopfkondensator kann dabei insbesondere ebenfalls in entsprechenden (separaten) Passagen des erwähnten, beispielsweise als Zwangsführungs-Kondensatorverdampfer ausgeführten Wärmetauscherblocks erfolgen.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die mehrfach erwähnte Aufbereitung insbesondere eine adsorptive Reinigung zur Entfernung von Feuchtigkeit und Kohlendioxid , insbesondere eine Temperaturwechseladsorption, umfassen, wobei der zweite Anteil des in der Rektifikation gebildeten Kopfgases, das unter Erwärmung dem Wärmetausch unterworfen und aus dem Verfahren ausgeführt wird, nach der Erwärmung und vor seiner Ausführung aus dem Verfahren, zu einem Teil oder vollständig als Regeneriergas in der adsorptiven Reinigung verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang kann auch eine Erwärmung erfolgen.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, wie erwähnt, der Kreislaufstrom stromauf der Verdichtung oder in der Verdichtung mit dem aus dem Prozessschritt ausgeführten Unreinargon oder dem der Verdichtung unterworfenen Teil hiervon vereinigt.
  • In ersterem Fall kann dieser Kreislaufstrom dabei insbesondere auf einen Eingangsdruck des verwendeten Verdichters gedrosselt werden, in letzterem Fall, der insbesondere die Zuspeisung zwischen unterschiedlichen Verdichterstufen oder über eine Zwischeneinspeisung bei einem Schraubenverdichter umfassen kann, kann auf eine entsprechende Drosselung verzichtet werden.
  • Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte Rektifikationskolonne weist insbesondere zwei übereinander angeordnete Trennabschnitte auf, wobei der erste Teil des Unreinargonkondensats, der kondensiert in die Rektifikationskolonne eingespeist wird, zwischen den Trennabschnitten in die Rektifikationskolonne eingespeist wird.
  • Als besonders vorteilhaft hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung herausgestellt, wenn der Rückführstrom in einer Menge gebildet wird, die bei 25 bis 75% einer Menge des aus dem Prozessschritt ausgeführten Unreinargons oder dessen der Verdichtung unterworfenen Teils hiervon liegt. Die Menge kann beispielsweise auch 40 bis 60% oder ca. 50% betragen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Verdichtung auf ein Druckniveau von 4 bis 6 bar durchgeführt werden, die Rektifikationskolonne kann auf einem Druckniveau von 2,5 bis 5 bar betrieben werden, und der Kopfkondensator kann auf Verdampfungsdruckniveaus von 1,1 bis 3 bar in seinen Verdampfungsräumen betrieben werden. Spezifische Beispiele sind ca. 5,0 bar für das Druckniveau der Verdichtung, ca. 3,5 bar für die Rektifikationskolonne, und ca. 1,3 und 2,2 bar (für den Kreislaufstrom und das Argonprodukt bzw. das Sunmpfprodukt der Rektifikationskolonne) für den Kopfkondensator bzw. seinen Verdampfungsraum. Das Verfahren kann aber grundsätzlich auch bei gegenüber den genannten Werten reduzierten oder erhöhten Drücken durchgeführt werden, beispielsweise einem Druck von 9 bis 15 bar in der Rektifikation. Entsprechend werden die anderen Drücke angepasst.
  • In jedem Fall kann das Reinargon oder der Teil hiervon, der dem Prozessschritt wiederzugeführt wird, von dem Verdampfungsdruckniveau auf ein geeignetes Druckniveau verdichtet werden, beispielsweise ein Druckniveau von ca. 12 bar.
  • Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehene Wärmetausch kann auch unter Verdampfung von Flüssigstickstoff durchgeführt werden, der auf diese Weise zu einer verstärkten Abkühlung führt und Kälteverluste in der Anlage ausgleicht. Der Wärmetausch kann unter Verwendung eines einzigen Wärmetauschers oder unter Verwendung mehrerer, thermisch gekoppelter Wärmetauscher durchgeführt werden, wie erläutert.
  • Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bearbeitete Unreinargon kann insbesondere einen Gehalt von 90 bis 99,5% Argon und ansonsten 0,1 bis 9% Stickstoff, 100 bis 2000 ppm Kohlenmonoxid, 500 bis 5000 ppm Wasserstoff und/oder 10 bis 800 ppm Kohlendioxid aufweisen. In einem spezifischen Beispiel enthält das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bearbeitete Unreinargon 99% Argon und ansonsten 0,5% Stickstoff, 1000 ppm Kohlenmonoxid, 2500 ppm Wasserstoff und 50 ppm Kohlendioxid und wird in einer Menge von beispielsweise 100 bis 500 Normkubikmetern pro Stunde, bereitgestellt.
  • Das Unreinargon kann grundsätzlich sauerstofffrei oder im Wesentlichen sauerstofffrei sein, es kann jedoch auch beispielsweise, wie erwähnt, einen Gehalt von 100 bis 1.000 ppm, Sauerstoff aufweisen. In dem erwähnten spezifischen Beispiel enthält das Unreinargon beispielsweise ca. 500 ppm Sauerstoff. Dieser Sauerstoff kann durch die katalytische Umsetzung mit Wasserstoff zumindest teilweise entfernt werden.
  • Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Reinargon kann insbesondere mehr als 99,999% Argon und ansonsten 0,001 bis 0,1 ppm Kohlenmonoxid, 0,009 bis 0,9 ppm Sauerstoff und weniger als 10 ppb Stickstoff aufweisen. Es enthält in einem spezifischen Beispiel weniger als 0,1 ppm Kohlenmonoxid, 0,5 ppm Sauerstoff und weniger als 10 ppb Stickstoff und wird in einer Menge von 200 bis 300 Normkubikmetern pro Stunde, beispielsweise 280 Normkubikmetern pro Stunde, bereitgestellt.
  • Bezüglich der erfindungsgemäß ebenfalls vorgeschlagenen Anlage zur Durchführung eines Industrieprozesses, die dafür eingerichtet ist, aus einem zur Durchführung eines Prozessschritts eingerichteten Anlagenteil Unreinargon auszuführen, das Unreinargon oder einen Teil hiervon unter Erhalt von Reinargon einer Aufbereitung zu unterwerfen, und das Reinargon oder einen Teil hiervon dem Prozessschritt wieder zuzuführen, sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch und die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltungen ausdrücklich verwiesen.
  • Die Anlage weist insbesondere Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, ein Verfahren gemäß einer der erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, die eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
    • Figur 1 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung.
    • Figur 2 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung.
    • Figur 3 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • In den Figuren 1, 2 und 3 sind jeweils Verfahren zur Durchführung eines insgesamt mit 100, 200 und 300 bezeichneten Industrieprozesses gemäß Ausführungsformen der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung veranschaulicht.
  • Die Erläuterungen bezüglich bestimmter Verfahrensschritte gelten dabei jeweils auch für entsprechende Anlagenkomponenten, so dass die nachfolgenden Ausführungen ein Verfahren und eine entsprechend betriebene Anlage in gleicher Weise betreffen. In den Figuren sind, ohne irgendeine damit verbundene Einschränkung, flüssige Stoffströme mit schwarzen (ausgefüllten) Flusspfeilen veranschaulicht, gasförmige Stoffströme hingegen mit weißen (nicht ausgefüllten) Flusspfeilen.
  • In den in Figur 1, 2 und 3 veranschaulichten Verfahren 100, 200 und 300 wird aus einem Prozessschritt 10 der oben erläuterten Art Unreinargon in Form eines Stoffstroms A ausgeführt wird. Das Unreinargon, also der Stoffstrom A, wird unter Erhalt von Reinargon in Form eines Stoffstroms B einer insgesamt mit 20 bezeichneten Aufbereitung unterworfen, wobei, das Reinargon oder ein Teil hiervon, d.h. der Stoffstrom B oder ein Teil hiervon, dem Prozessschritt 10 wieder zugeführt wird, wie in den Figuren 1 und 2 nicht gesondert gezeigt. Unterschiede zwischen den Figuren 1 und 2 (Verfahren 100 und 200) einerseits und Figur 3 (Verfahren 300) andererseits ergeben sich in der Bearbeitung des Unreinargons, also des Stoffstroms A, wie unten erläutert. Die in Figur 3 (Verfahren 300) gegenüber Figur 2 (Verfahren 200) dargestellte abweichende Bearbeitung kann dabei ohne weiteres auch in dem in Figur 1 (Verfahren 100) veranschaulichten Verfahren zum Einsatz kommen.
  • Die Aufbereitung 20 umfasst eine Verdichtung 21 mit nicht gesondert bezeichneter Nachkühlung (letztere nur in den Verfahren 100 und 200 gemäß den Figuren 1 und 2), einen Wärmetausch 22 zwischen den nachfolgend erläuterten Stoffströmen, insbesondere in einem gemeinsamen Wärmetauscher oder in mehreren, thermisch gekoppelten Wärmetauschern, und eine Rektifikation 23 in einer hier nochmals separat mit 24 bezeichneten Rektifikationskolonne, die einen Sumpfverdampfer 25 und einen Kopfkondensator 26 aufweist. Während in dem Verfahren 100 gemäß Figur 1 dabei ein Kopfkondensator 26 verwendet wird, der in einem Flüssigkeitsbad 26a angeordnet ist, in das Sumpfflüssigkeit der Rektifikationskolonne 24 eingespeist wird, wird in den Verfahren 200 und 300 gemäß den Figuren 2 und 3 ein Forced-Flow-Kondensatorverdampfer eingesetzt, d.h. die Sumpfflüssigkeit der Rektifikationskolonne 24 wird dort durch den Kopfkondensator 26 zwangsgeführt und gelangt nicht in ein entsprechendes Flüssigkeitsbad.
  • Das aus dem Prozessschritt 10 ausgeführte Unreinargon oder ein Teil hiervon, also der Stoffstrom A, wird der Verdichtung 21, unter Abkühlung dem Wärmetausch 22, und unter Erhalt eines Unreinargonkondensats in Form eines Stoffstroms C einer zumindest teilweisen Kondensation in dem Sumpfverdampfer 25 unterworfen. Das Unreinargonkondensat, also der Stoffstrom C, wird (jeweils unter Entspannung über nicht gesondert mit Bezugszeichen versehene Ventile) zu einem ersten Teil in Form eines Stoffstroms D kondensiert in die Rektifikationskolonne 24 eingespeist und zu einem zweiten Teil in Form eines Stoffstroms E einer Verdampfung in dem Kopfkondensator 26 unterworfen. Der verdampfte zweite Anteil des Unreinargonkondensats oder ein Teil hiervon wird in Form eines Stoffstroms F als Kreislaufstrom der Rektifikation 23 wieder zugeführt.
  • Der Kreislaufstrom, also der Stoffstrom F, wird zumindest einem Teil der Verdichtung 21 zusammen mit dem aus dem Prozessschritt 10 ausgeführten Unreinargon oder dem der Verdichtung 21 unterworfenen Teil hiervon, also dem Stoffstrom A, unterworfen. Im dargestellten Beispiel wird der Stoffstrom F dabei stromauf der Verdichtung 21 mit dem aus dem Prozessschritt 10 ausgeführten Unreinargon oder dem der Verdichtung 21 unterworfenen Teil hiervon, also dem Stoffstrom A, vereinigt. Es ist alternativ aber auch möglich, eine entsprechende Vereinigung in der Verdichtung 21, beispielsweise zwischen unterschiedlichen Verdichtungsstufen oder über eine Einspeisung an einer Zwischeneinspeisestelle in einem Schraubenverdichter, vorzunehmen.
  • Die Rektifikationskolonne 24 weist zwei übereinander angeordnete Trennabschnitte 29 auf, wobei der erste Teil des Unreinargonkondensats, der kondensiert in die Rektifikationskolonne 24 eingespeist wird, also der Stoffstrom D, zwischen den Trennabschnitten 29 in die Rektifikationskolonne 24 eingespeist wird.
  • Das Reinargon, also der Stoffstrom B, wird unter Verwendung eines in der Rektifikation 23 gebildeten Sumpfprodukts in Form eines Stoffstroms G bereitgestellt, wobei das in der Rektifikation 23 gebildete Sumpfprodukt oder ein Teil hiervon, also der Stoffstrom G, unter Erwärmung dem Wärmetausch 22 unterworfen wird. Ferner wird das in der Rektifikation 23 gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der unter Erwärmung dem Wärmetausch 22 unterworfen wird, also der Stoffstrom G, nach der Entnahme und vor der Erwärmung einer Verdampfung in dem Kopfkondensator 26 unterworfen sowie im dargestellten Beispiel vor und nach der Verdampfung in dem Kopfkondensator 26 einem gegenseitigen Wärmetausch 28, also einem entsprechenden Wärmetausch 28 "gegen sich selbst" unterworfen. Wie erwähnt, unterscheidet sich das Verfahren 100 gemäß Figur 1 einerseits von den Verfahren 200 und 300 gemäß den Figuren 2 und 3 andererseits bezüglich der Trennung 10 insbesondere in der Ausgestaltung des Kopfkondensators 26.
  • Nach der Entnahme und vor der Verdampfung in dem Kopfkondensator 26 kann das Sumpfprodukt, das dort verdampft wird, mittels eines (nur in Figur 3 entsprechend bezeichneten) Ventils 26b auf ein Druckniveau gedrosselt werden, das auf Grundlage einer Zieltemperatur nach der Verdampfung in dem Kopfkondensator 26 eingestellt wird. Diese Ausgestaltung dient, wie erwähnt, insbesondere zur Druckhaltung in der Rektifikationskolonne 24. Der Druck kann insbesondere mittels einer entsprechenden TIC-Regelung (die das Ventil 26b einstellt und die Temperatur des verdampften Fluids, also des Stoffstroms E nach der Verdampfung, erfasst) eingestellt werden. Entsprechende Maßnahmen sind optional, aber gleichwohl in allen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Der Wärmetausch 28 wird in der Ausgestaltung gemäß Figur 3 typischerweise nicht vorgenommen. Er ist auch in den anderen Ausgestaltungen optional.
  • Ein in der Rektifikation 23 gebildetes Kopfgas wird in dem Kopfkondensator 26 kondensiert und zu einem ersten Anteil in Form eines Stoffstroms H als Rücklauf in die Rektifikation 23 zurückgeführt, zu einem zweiten Anteil dagegen in Form eines Stoffstroms K unter Erwärmung dem Wärmetausch 22 unterworfen und aus dem Verfahren ausgeführt und beispielsweise letztlich an die Umgebung (Atmosphäre ATM) abgegeben.
  • Die Aufbereitung 20 umfasst in allen dargestellten Beispielen eine adsorptive Reinigung 27, der der Stoffstrom A bzw. ein hieraus gebildeter Stoffstrom vor der Abkühlung durch den Wärmetausch 22 unterworfen wird, wobei der Stoffstrom K nach der Erwärmung in dem Wärmetausch 22 teilweise als Regeneriergas in der adsorptiven Reinigung 27 verwendet wird, insbesondere nach weiterer Erwärmung in einem nicht gesondert bezeichneten Heizer.
  • Während die gezeigten Ausgestaltungen gemäß den Figuren 1 und 2 (Verfahren 100 und 200) die Bearbeitung sauerstofffreien oder im Wesentlichen sauerstofffreien Unreinargons betreffen, ist die Ausgestaltung gemäß Figur 3 (Verfahren 300) zur Bearbeitung von sauerstoffhaltigem Unreinargon eingerichtet. Dazu kann der Stoffstrom A zusammen mit dem Kreislaufstrom F nach der Verdichtung, insbesondere ohne anschließende Nachkühlung zur Bereitstellung der erforderlichen Reaktionswärme, einer katalytischen Umsetzung 30 von Sauerstoff mit Wasserstoff zu Wasser unterworfen werden. Reicht der Wasserstoffgehalt des Unreinargons dabei nicht aus, kann, wie in Form eines gestrichelten Stoffstroms H2 veranschaulicht, externer Wasserstoff zugegeben werden. Nach der katalytischen Umsetzung 30 kann eine Kühlung 31 zur kondensativen Abtrennung von Wasser H2O in einem Wasserabscheider 32 vorgenommen werden. Restwasser kann in der adsorptiven Reinigung 27 entfernt werden.
  • Das Reinargon oder der Teil hiervon, der dem Prozessschritt 10 wieder zugeführt wird, wird in allen veranschaulichten Ausgestaltungen einer geeigneten Verdichtung 30 unterworfen. Der Wärmetausch 22 wird im dargestellten Beispiel ferner unter Verdampfung von Flüssigstickstoff LIN durchgeführt, der in Form eines Stoffstroms L bereitgestellt und anschließend wie der Stoffstrom K als Regeneriergas verwendet werden kann.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Durchführung eines Industrieprozesses (100), bei dem aus einem Prozessschritt (10) Unreinargon ausgeführt wird, bei dem das Unreinargon oder ein Teil hiervon unter Erhalt von Reinargon einer Aufbereitung (20) unterworfen wird, und bei dem das Reinargon oder ein Teil hiervon dem Prozessschritt (10) wieder zugeführt wird, wobei
    - die Aufbereitung (20) eine Verdichtung (21), einen Wärmetausch (22) und eine Rektifikation (23) in einer Rektifikationskolonne (24) umfasst, die einen Sumpfverdampfer (25) und einen Kopfkondensator (26) aufweist,
    - das aus dem Prozessschritt (10) ausgeführte Unreinargon oder ein Teil hiervon der Verdichtung (21), unter Abkühlung dem Wärmetausch (22), und unter Erhalt eines Unreinargonkondensats einer zumindest teilweisen Kondensation in dem Sumpfverdampfer (25) unterworfen wird,
    - Das Unreinargonkondensat zu einem ersten Teil kondensiert in die Rektifikationskolonne (24) eingespeist und ein zu einem zweiten Teil einer Verdampfung in dem Kopfkondensator (26) unterworfen wird, und
    - der verdampfte zweite Anteil des Unreinargonkondensats oder ein Teil hiervon als Kreislaufstrom der Rektifikation (23) wieder zugeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Kreislaufstrom zumindest einem Teil der Verdichtung (21) zusammen mit dem aus dem Prozessschritt (10) ausgeführten Unreinargon oder dem der Verdichtung (21) unterworfenen Teil hiervon unterworfen wird,
    - das Reinargon unter Verwendung eines in der Rektifikation (23) gebildeten Sumpfprodukts bereitgestellt wird, wobei das in der Rektifikation (23) gebildete Sumpfprodukt oder ein Teil hiervon unter Erwärmung dem Wärmetausch (22) unterworfen wird, und
    - das in der Rektifikation (23) gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der unter Erwärmung dem Wärmetausch (22) unterworfen wird, nach der Entnahme und vor der Erwärmung einer Verdampfung in dem Kopfkondensator (26) unterworfen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Unreinargon Sauerstoff enthält, bei dem das Unreinargon stromab der Verdichtung einer katalytischen Umsetzung (30) zumindest eines Teils des Sauerstoffs mit Wasserstoff zu Wasser unterworfen und danach zumindest zum Teil der Aufbereitung (20) unterworfen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das in der Rektifikation (23) gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der unter Erwärmung dem Wärmetausch (22) unterworfen wird, nach der Entnahme und vor der Verdampfung in dem Kopfkondensator (26) auf ein Druckniveau gedrosselt wird, das auf Grundlage einer Zieltemperatur nach der Verdampfung in dem Kopfkondensator (26) eingestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, bei dem der Kopfkondensator (26) als Badverdampfer ausgebildet ist, wobei das in der Rektifikation (23) gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der der Verdampfung in dem Kopfkondensator (26) unterworfen wird, in ein Flüssigkeitsbad (26a) des Kopfkondensators (26) eingespeist wird, oder bei dem der Kopfkondensator (26) als Zwangsführungs-Kondensatorverdampfer ausgebildet ist, wobei das in der Rektifikation (23) gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der der Verdampfung in dem Kopfkondensator (26) unterworfen wird, und zumindest ein Teil des Kreislaufstroms durch Passagen des Kopfkondensators (26) zwangsgeführt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein in der Rektifikation (23) gebildetes Kopfgas in dem Kopfkondensator (26) kondensiert und danach zu einem ersten Anteil als Rücklauf in die Rektifikation zurückgeführt wird und zu einem zweiten Anteil unter Erwärmung dem Wärmetausch (22) unterworfen und aus dem Verfahren ausgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Aufbereitung (20) eine adsorptive Reinigung (27) umfasst, wobei der zweite Anteil des in der Rektifikation (23) gebildeten Kopfgases, das unter Erwärmung dem Wärmetausch (22) unterworfen und aus dem Verfahren ausgeführt wird, nach der Erwärmung als Regeneriergas in der adsorptiven Reinigung (27) verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Rektifikationskolonne (24) zwei übereinander angeordnete Trennabschnitte (27) aufweist, wobei der erste Teil des Unreinargonkondensats, der kondensiert in die Rektifikationskolonne (24) eingespeist wird, zwischen den Trennabschnitten (27) in die Rektifikationskolonne (24) eingespeist wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Rückführstrom in einer Menge gebildet wird, die bei 25 bis 75% einer Menge des aus dem Prozessschritt (10) ausgeführten Unreinargons oder dessen der Verdichtung (21) unterworfenen Teils hiervon liegt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Verdichtung (21) auf ein Druckniveau von 4 bis 6 bar durchgeführt wird, bei dem die Rektifikationskolonne (24) auf einem Druckniveau von 2,5 bis 5 bar betrieben wird, und bei dem der Kopfkondensator (26) auf Verdampfungsdruckniveaus von 1,1 bis 3 bar betrieben wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Reinargon oder der Teil hiervon, der dem Prozessschritt (10) wiederzugeführt wird, von dem Verdampfungsdruckniveau auf ein Druckniveau von 9 bis 15 bar verdichtet wird.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Wärmetausch (22) unter Verwendung eines einzigen Wärmetauschers oder unter Verwendung mehrerer, thermisch gekoppelter Wärmetauscher durchgeführt wird.
  12. Anlage zur Durchführung eines Industrieprozesses (100), die dafür eingerichtet ist, aus einem zur Durchführung eines Prozessschritts (10) eingerichteten Anlagenteil Unreinargon auszuführen, das Unreinargon oder einen Teil hiervon unter Erhalt von Reinargon einer Aufbereitung (20) zu unterwerfen, und das Reinargon oder einen Teil hiervon dem Prozessschritt (10) wieder zuzuführen, wobei die Anlage Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind,
    - in der Aufbereitung (20) eine Verdichtung (21), einen Wärmetausch (22) und eine Rektifikation (23) in einer Rektifikationskolonne (24) mit einem Sumpfverdampfer (25) und einem Kopfkondensator (26) vorzunehmen,
    - das aus dem Prozessschritt (10) ausgeführte Unreinargon oder ein Teil hiervon der Verdichtung (21), unter Abkühlung dem Wärmetausch (22), und unter Erhalt eines Unreinargonkondensats einer zumindest teilweisen Kondensation in dem Sumpfverdampfer (25) zu unterwerfen,
    - Das Unreinargonkondensat zu einem ersten Teil kondensiert in die Rektifikationskolonne (24) einzuspeisen und ein zu einem zweiten Teil einer Verdampfung in dem Kopfkondensator (26) zu unterwerfen, und
    - den verdampften zweiten Anteil des Unreinargonkondensats oder einen Teil hiervon als Kreislaufstrom der Rektifikation (23) wieder zuzuführen,
    gekennzeichnet durch Mittel, die dafür eingerichtet sind,
    - den Kreislaufstrom zumindest einem Teil der Verdichtung (21) zusammen mit dem aus dem Prozessschritt (10) ausgeführten Unreinargon oder dem der Verdichtung (21) unterworfenen Teil hiervon zu unterwerfen,
    - das Reinargon unter Verwendung eines in der Rektifikation (23) gebildeten Sumpfprodukts bereitzustellen und dabei das in der Rektifikation (23) gebildete Sumpfprodukt oder ein Teil hiervon unter Erwärmung dem Wärmetausch (22) zu unterwerfen, und
    - das in der Rektifikation (23) gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der unter Erwärmung dem Wärmetausch (22) unterworfen wird, nach der Entnahme und vor der Erwärmung einer Verdampfung in dem Kopfkondensator (26) zu unterwerfen.
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