WO2016146246A1 - Anlage zur erzeugung von sauerstoff durch tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

Anlage zur erzeugung von sauerstoff durch tieftemperaturzerlegung von luft Download PDF

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Stefan Lochner
Thomas Nohlen
Lars Kirchner
Dimitri Goloubev
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Linde Aktiengesellschaft
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/10—Boiler-condenser with superposed stages
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    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/12—Particular process parameters like pressure, temperature, ratios
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    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
    • F25J3/04157—Afterstage cooling and so-called "pre-cooling" of the feed air upstream the air purification unit and main heat exchange line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
    • F25J3/04163—Hot end purification of the feed air
    • F25J3/04169—Hot end purification of the feed air by adsorption of the impurities
    • F25J3/04181—Regenerating the adsorbents

Definitions

  • the invention relates to a method for generating oxygen by
  • argon discharge column here refers to a separation column for argon-oxygen separation, which does not serve for producing a pure argon product but for discharging argon from the air to be separated into the high-pressure column and low-pressure column.
  • Their circuit differs only slightly from that of a conventional crude argon column, but it contains significantly less theoretical plates, namely less than 40, in particular between 15 and 30.
  • a crude argon column is the bottom region of a Argonausschleuskla with an intermediate point of
  • Cooled overhead condenser, on its evaporation side relaxed bottom liquid is introduced from the high-pressure column; an argon discharge column has no bottom evaporator.
  • the main condenser and the argon discharge head condenser are designed in the invention as a condenser-evaporator.
  • the term "condenser-evaporator" refers to a heat exchanger in which a first condensing fluid stream undergoes indirect heat exchange with a second evaporating fluid stream. Each condenser-evaporator has a liquefaction space and a
  • Evaporating passages exist. In the liquefaction space, the condensation (liquefaction) of the first fluid flow is performed, in the evaporation space the evaporation of the second fluid flow. Evaporation and liquefaction space are formed by groups of passages that intercommunicate with each other
  • the distillation column system of an air separation plant is arranged in one or more cold boxes.
  • a "cold box” is here understood to mean an insulating casing which comprises a heat-insulated interior completely with outer walls; in the interior are arranged to be isolated plant parts, for example, one or more separation columns and / or heat exchangers.
  • the insulating effect can be effected by appropriate design of the outer walls and / or by the filling of the gap between system parts and outer walls with an insulating material. In the latter variant, a powdery material such as perlite is preferably used.
  • Both the distillation column system for nitrogen-oxygen separation of a cryogenic air separation plant and the main heat exchanger and other cold plant parts must be enclosed by one or more cold boxes.
  • the outer dimensions of the coldbox usually determine the transport dimensions of prefabricated systems.
  • a "main heat exchanger" serves for cooling of feed air in indirect
  • Heat exchange with recycle streams from the distillation column system can be composed of a single or several parallel and / or serially connected Heat exchanger sections may be formed, for example, from one or more plate heat exchanger blocks. Separate heat exchangers, specially the
  • Evaporation or pseudo-evaporation of a single liquid or supercritical fluid without heating and / or evaporation of another fluid, does not belong to the main heat exchanger.
  • Low pressure column and is consequently operated at the same pressure as the corresponding section of the low pressure column.
  • gas is fed from the low-pressure column.
  • the invention has for its object to make the method of the type mentioned and a corresponding system energetically efficient. It relates in particular to air separation plants of particularly high capacity, in particular for the production of oxygen. In particular, such systems are designed for an air volume of more than 370,000 Nm 3 / h, preferably more than 1,000,000 Nm 3 / h.
  • the raw oxygen from the high-pressure column is not or not completely passed into the evaporation space of the argon condenser, but at least one part, in particular more than 10%, preferably more than 20%, is fed to the auxiliary column at an intermediate point, that is to say above at least one mass transfer section.
  • the operating pressure at the top of the auxiliary column is at least 50 mabr higher than that at the top of the low-pressure column.
  • the pressure difference is besipiellus 50 to 200 mbar, preferably 50 to 150 mbar.
  • the vaporized fraction from the argon discharge column overhead condenser (oxygen content, usually about 32 to 40 mol%) is rectified outside the low pressure column.
  • oxygen content usually about 32 to 40 mol%
  • the capacity can be correspondingly increased and a larger amount of oxygen can be obtained in the overall plant.
  • all of the gas from the evaporation chamber of the argon discharge head condenser can be introduced into the auxiliary column and rectified there.
  • the auxiliary column of the invention exactly two mass transfer sections, wherein at least a portion of the
  • Raw oxygen from the high pressure column is fed to the intermediate point between the two mass transfer sections;
  • the auxiliary column has three or more mass transfer sections.
  • the mass transfer sections consist of ordered packing, conventional rectification trays such as sieve trays or a combination of various types of mass transfer elements. Return receives the auxiliary column from the high-pressure column or the main condenser.
  • the cooling liquid for the argon discharge column head condenser can be any suitable cooling liquid for the argon discharge column head condenser.
  • a gaseous overhead fraction is recovered from the auxiliary column as a gaseous nitrogen product separated from the gaseous overhead nitrogen of the low pressure column.
  • gaseous nitrogen product is understood here to mean a gas which has a higher nitrogen content than air, for example a residual gas which still contains 0.1 to 7 mol% of oxygen In principle, the gas could be recovered from the evaporation chamber of the
  • Argon discharge column head condenser are passed via lines to the bottom region of the auxiliary column.
  • the argon discharge column top condenser and the auxiliary column could then be arranged in two separate containers. However, it is generally more favorable if the auxiliary column and the argon discharge column head condenser are enclosed by a common container and
  • the argon discharge column head capacitor is arranged in the bottom of the auxiliary column.
  • the Argonausschleußäulen overhead condenser thus also represents the bottom evaporator of the auxiliary column.
  • the system according to the invention can also have one or more
  • Liquid lines for one or more liquids from one or more intermediate points or the bottom of the auxiliary column are introduced into the low-pressure column.
  • return liquid and / or bottom liquid of the auxiliary column as additional intermediate return in the
  • the system has a further intermediate supply line for introducing an additional liquid or gaseous fraction into the auxiliary column at a second intermediate point.
  • an additional liquid fraction in particular a liquid-air fraction
  • additional intermediate lines each introduced by a gas or liquid fraction, for example, liquid air in the auxiliary column and also participates in the nitrogen-oxygen separation in the auxiliary column instead of in the low-pressure column.
  • each such intermediate feed further contributes to the optimization of the load distribution between low-pressure column and auxiliary column and to optimum liquid-to-vapor ratios in the respective mass transfer sections of low pressure column and auxiliary column. In particular, the efficiency of the rectification in the auxiliary column is optimized.
  • the argon discharge head condenser and the auxiliary column can be arranged above the high-pressure column.
  • the juxtaposition of high-pressure column and low-pressure column is known per se, for example from DE 827364 or US 2762208. This reduces the transport length of the columns with respect to a double-column arrangement and the
  • An arrangement of two columns "next to each other" means that the two columns are positioned in the normal operation of the plant so that the projections of their
  • An arrangement of two columns “one above the other” or “one below the other” is understood here to mean that the two columns are arranged in the normal operation of the installation in such a way that the projections of their cross-sections overlap on a horizontal plane.
  • the two columns are arranged exactly one above the other, that is, the axes of the two columns are on the same vertical line.
  • the high-pressure column and the low-pressure column preferably have the same column diameter.
  • equal is meant here a deviation smaller than 0.4 m.
  • a predetermined maximum diameter can be optimally utilized.
  • High-pressure column (1), low-pressure column (2) and auxiliary column (14) may, for example, have a diameter of more than 3.5 m, in particular more than 4.1 m.
  • High-pressure column, low-pressure column and auxiliary column of the invention preferably have a diameter of more than 3.5 m, in particular more than 4, 1 m.
  • the mass transfer elements in the auxiliary column is formed by an ordered packing which has the same or a higher specific surface than that in the low-pressure column. If, for example, the
  • Low pressure column packings of 500 and 750 m 2 / m 3 are used, the packing density in the auxiliary column, for example, 750 or 1200 m 2 / m 3 .
  • Argon throw-out head condenser but a cup or other means for collecting at least a portion of the auxiliary column
  • the auxiliary column and the argon discharge column overhead condenser can be arranged in separate containers. This allows greater flexibility in the arrangement of the system components.
  • the auxiliary column above the low-pressure column is arranged side by side, the argon discharge column above the Low pressure column and the auxiliary column in addition to the combination of low pressure column and Argonausschleusklale and above the high pressure column, in particular above the main capacitor, is arranged. This results in a particularly space-saving arrangement, which is advantageous also from a transport point of view.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a system according to the first variant of the invention with a double column from auxiliary column and
  • Figure 2 shows a second embodiment according to the second variant of
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment similar to FIG. 1, but with a superposition of high-pressure column and low-pressure column,
  • FIG. 4 shows a modification of FIG. 3 with a shorter auxiliary column
  • Figure 6 shows another embodiment with auxiliary column over the
  • Figure 8 is a system similar to Figure 2, but with in the low pressure column
  • the system of the embodiment of Figure 1 has a high pressure column 1, a low pressure column 2 and a main capacitor 3.
  • the main capacitor 3 is designed here as a multi-storey bath evaporator, more precisely as a cascade evaporator.
  • the high pressure column 1 and the low pressure column 2 are arranged side by side; in particular, their lower ends are at the same geodetic level.
  • a first partial stream 4 of the feed air flows in gaseous form into the high-pressure column 1, specifically directly above the sump.
  • a second part 5 of the feed air is at least partially liquid and is fed to the high-pressure column 1 at an intermediate point. At least a portion of the liquid air is removed again via line 6 immediately, cooled in a supercooling countercurrent 7 and fed via the lines 108 and 108b at least partially the low-pressure column 2 at a first intermediate point.
  • High pressure column 1 at least partially condensed. The won
  • Liquid nitrogen 1 1 is given to a first part 12 as reflux to the head of the high-pressure column 1.
  • a second part 13 is supplied to an internal compression (not shown) and finally recovered as gaseous pressure nitrogen product.
  • Another part 14 of the gaseous head nitrogen 9 is in
  • Liquid crude oxygen 15 from the high-pressure column 1 is cooled in the subcooling countercurrent 7 and fed via the lines 16 and 18 and by a argon discharge column head capacitor 17 of the low-pressure column 2 at a second intermediate point, which is below the first intermediate point.
  • liquid impure nitrogen 35 is withdrawn, cooled in the subcooling countercurrent and fed via line 36 / 136a on the head of the low pressure column 2. Part of this can be recovered via line 37 as a liquid nitrogen product (LIN).
  • gaseous impurity nitrogen 138a is withdrawn and after warming in
  • Subcooling countercurrent 7 further led via line 39 to the main heat exchanger (not shown).
  • Liquid oxygen 20 from the bottom of the low-pressure column 2 is fed to a first part 22 by means of a pump 21 into the evaporation space of the main condenser 3 transported and evaporated there at least in part. Resulting gas 23 is returned to the bottom of the low-pressure column 2, where it serves as an ascending gas.
  • a second portion 24 of the liquid oxygen 20 is cooled in the supercooling countercurrent 7 and withdrawn via line 25 as a liquid oxygen product (LOX).
  • a third part 26 of the liquid oxygen 20 is supplied to an internal compression (not shown) and finally recovered as a gaseous pressure oxygen product, which is the main product of the plant.
  • An argon discharge column 31 is connected, as usual, via a gas feed line 32 and a liquid return line 33 to an intermediate point of the low-pressure column 2.
  • a gas feed line 32 and a liquid return line 33 to an intermediate point of the low-pressure column 2.
  • liquid reflux for the argon discharge column is produced.
  • the gaseous residual product 34 is withdrawn from the liquefaction space and heated in the main heat exchanger.
  • An auxiliary column 140 is located in the same container as the argon discharge head condenser 17, which acts as a sump heater for the auxiliary column and produces ascending steam therefor.
  • reflux liquid at the top of the auxiliary column 140 a portion 136 b of the supercooled liquid impure nitrogen 36 from the high-pressure column 1 is used.
  • a portion 108a of the supercooled liquid air 108 may be supplied to the auxiliary column 140 at a "second intermediate point". Another part 108b becomes the
  • Low-pressure column 2 is supplied at the same intermediate point, as well as a flow 141 turbine-relaxed air 141, or higher (not shown).
  • gaseous impurity nitrogen 138b is withdrawn and mixed with the gaseous impure nitrogen 138a from the top of the low-pressure column 2.
  • the total flow 38 is passed after heating in the subcooling countercurrent 7 via line 39 on to the main heat exchanger (not shown).
  • the two nitrogen streams 138a, 138b may also be passed separately to and through the main heat exchanger.
  • the auxiliary column 140 With the help of the auxiliary column 140, the upper portion of the low-pressure column is relieved. This can therefore be designed with a lower capacity; Conversely, at same dimensions of the low-pressure column, the capacity of the entire system can be increased.
  • the pressure difference at the head between auxiliary column and low pressure column is 50 to 150 mbar.
  • Argon throw-out column head capacitor 17 is arranged, but in a partition wall portion A2 of the low-pressure column 2. mutually corresponding elements carry in both drawings the same reference numerals.
  • Section A1 a middle section A2 and an upper section A3.
  • the middle section A2 of the low pressure column 2 is formed as a partition wall section.
  • a vertical partition wall 27 separates a first subspace 28 and a second subspace 29 from each other.
  • the partition is formed in the example by a flat sheet, which is welded on both sides with the column wall. Both subspaces contain mass transfer elements, for example ordered ones
  • the mass transfer layers in the subspaces may or may not be the same.
  • the two subspaces can be the same or different sizes.
  • the first subspace 28 forms the argon portion of the low pressure column 1. It is at the bottom with the lower portion and at the top with the upper portion in
  • Section through the first compartment 28 to the upper section A3 flow. Conversely, liquid flows from the upper section A3 through the first compartment 28 into the lower section A1.
  • the second subspace 29 forms the argon discharge column 31. It is also connected to the lower section A1 in flow communication, so that from there a second part of the gas rising from the first section A1 can flow. Above, however, it is gas-tightly sealed with a horizontal wall 30 opposite the upper section A3.
  • the horizontal wall is approximately semicircular and welded to the column wall and the partition wall 27. Neither gas nor gas can flow from the head of the argon discharge column 31 into the upper section A3
  • Argon-enriched gas 32 is withdrawn from the top of the argon discharge column 31 and partially liquefied in the liquefaction space of the argon discharge column top condenser 17.
  • the generated liquid 33 is used as reflux in the
  • Argon discharge column 31 returned.
  • the gaseous remaining fraction is as argon-enriched product or residual gas 34 gaseous from the
  • Argon flash-off head condenser 17 and passed through a separate passage group through the main heat exchanger (not shown).
  • High-pressure column 1 consumes the Argonausschleusung no additional footprint over the pure nitrogen-oxygen separation. The increase in
  • the embodiment of Figure 2 has a cup 150 in the auxiliary column 140 and a conduit 151.
  • the liquid flowing down in the auxiliary column 140 is not at all, partially or completely collected in the cup 150 above the argon discharge column top condenser.
  • the collected liquid is partially or completely introduced via the line 151 in the low-pressure column 2, preferably above the line 18. This is a mixing of this liquid with the raw liquid oxygen 16 from the high-pressure column. 1
  • the cup 150 and the pipe 151 can also be used in all others
  • Catcher for liquid can be used.
  • the liquid may be collected in a chimney tray or withdrawn from a rectification tray or drainage tray.
  • high-pressure column 1, main condenser 3 and low-pressure column 2 are arranged one above the other in the form of a classic double column.
  • Auxiliary column 140, argon discharge column head condenser 17 and argon discharge column 31 likewise form a double column, as in FIG. However, this is not arranged above the high-pressure column 1, but next to the double column of high-pressure column 1 and low-pressure column 2, for example on a scaffold.
  • High-pressure column 1 passed into the evaporation space of argon discharge column head capacitor, but only a part of line 16 b. Another part goes directly via line 16a directly into the low pressure column 2, the rest via line 16c to a "first intermediate point" of the auxiliary column 140.
  • the auxiliary column 140 is slightly shorter than in Figure 3, the head-return is here by liquid air 108 formed. This is applied via the "return fluid line" 408b to the top of the auxiliary column 140.
  • Oxygen column 336 receives at the top reflux liquid from line 33 and / or at least part of the effluent from argon discharge column 31
  • bypass lines 501, 502 are shown in dashed lines in FIG. 5, which make it possible to shut down argon discharge head condenser 17 and to continue driving the remainder of the system.
  • Line 501 then directs the liquid from the bath of the
  • the system shown in FIG. 6 comprises an atmospheric air inlet filter 302, a main air compressor 303, an air pre-cooling unit 304, a
  • Air purification unit 305 typically formed by a pair of molecular sieve adsorbers), a three-stage, intermediate and post-cooled Booster Air Compressor 306 (BAC) and a main heat exchanger 308 on.
  • a first partial stream 4 of the feed air flows in gaseous form into the high-pressure column 1, specifically directly above the sump.
  • a second part 5 of the feed air is at least partially liquid and is fed to the high-pressure column 1 at an intermediate point.
  • At least a portion of the liquid air is removed again via line 6 immediately, cooled in a supercooling countercurrent 7 and at least partially fed via the lines 108 and 108b of the low pressure column 2 at a first intermediate point.
  • High pressure column 1 at least partially condensed. The won
  • Liquid nitrogen 1 1 is a first part 12 as reflux to the head of
  • Abandoned high-pressure column 1 A second part 13 is supplied to an internal compression (pump 313) and finally recovered as a gaseous pressure nitrogen product. Another part 14 of the gaseous top nitrogen 9 is internally compressed (pump 621), heated in the main heat exchanger 308 and recovered directly as gaseous pressure product (GANIC). Liquid raw oxygen 15 from the high-pressure column 1 is cooled in the supercooling countercurrent 7, passed on via the line 16 and then via the lines 18a, 18b, 18c to the argon discharge head condenser 17, the low-pressure column 2 and the auxiliary column 140 divided at a second intermediate point fed, which is below the first intermediate point.
  • Liquid impurity nitrogen 35 is withdrawn from an intermediate point of the high-pressure column 1, cooled in the subcooling countercurrent and fed via the lines 36 and 136a / 136b to the top of the low-pressure column 2 or to the top of the auxiliary column 140. From the top of the low-pressure column 2, a first stream of gaseous impurity nitrogen 138a is withdrawn and after heating in
  • Liquid oxygen 20 from the bottom of the low-pressure column 2 is conveyed to a first part 22 by means of a pump 21 into the evaporation space of the main condenser 3 and there at least partially evaporated. Resulting gas 23 is returned to the bottom of the low-pressure column 2, where it serves as an ascending gas.
  • a second portion 24 of the liquid oxygen 20 is cooled in the supercooling countercurrent 7 and withdrawn via line 25 as a liquid oxygen product (LOX).
  • a third part 26 of the liquid oxygen 20 is internally compressed, that is brought by means of a pump 321 to the desired product pressure, in
  • Main heat exchanger 308 warmed up and finally as gaseous
  • Pressure oxygen product (GOXIC), which is the main product of the plant.
  • the argon discharge column 31 is connected, as usual, via a gas feed line 32 and a liquid return line 33 to an intermediate point of the low-pressure column 2.
  • a gas feed line 32 and a liquid return line 33 to an intermediate point of the low-pressure column 2.
  • liquid reflux for the argon discharge column is produced.
  • the gaseous residual product 34, 334 is withdrawn from the liquefaction space, in the main heat exchanger 308th
  • auxiliary column 140 and the argon discharge column head condenser 17 are in separate containers.
  • the gas line 61 ensures that - as in the previous embodiments - in the evaporation chamber of the
  • Argon outflow column head condenser 17 is still introduced into the bottom of the auxiliary column 140 and there is available as rising steam.
  • resulting liquid is fed via a liquid line 62 of the low-pressure column 2 at a suitable intermediate point.
  • reflux liquid at the top of the auxiliary column 140 a portion 136 b of the supercooled liquid impure nitrogen 36 from the high-pressure column 1 is used.
  • a portion 108a of the supercooled liquid air 108 may be supplied to the auxiliary column 140 at an intermediate location.
  • a second stream of gaseous impure nitrogen 138b is withdrawn at a slightly higher pressure than stream 138a, heated separately from first stream 138a in subcooler countercurrent 7 and main heat exchanger 308, and at least partially, or at least temporarily, as regeneration gas in line 638 via line 638 Air cleaning unit 305 used.
  • the gas line 32 and the liquid line 33 between the low-pressure column and Argonausschleusklale can also be combined in a single line with a particularly large cross-section.
  • the low pressure column can be supplemented by an additional nitrogen section, which receives its own return, preferably liquid nitrogen from the
  • the auxiliary column may also produce purer nitrogen than the low pressure column when the auxiliary column is receiving reflux from a purer part of the high pressure column.
  • individual, several or all elements such as the air compression, the air pre-cooling, the
  • Figure 7 corresponds procedurally largely Figure 6, but here are the Argonausschleuskla 31 and the auxiliary column 140 arranged reversed.
  • the auxiliary column is above the high-pressure column 1 and the main capacitor 3, the
  • Argon discharge column 31 is arranged above the low-pressure column 2. Furthermore, a nitrogen compressor 777 is provided to further increase the product pressure of the gaseous nitrogen 14, 714 with respect to the high-pressure column pressure.
  • FIG. 8 shows a system similar to that of FIG.
  • the low-pressure column 2 contains a partition wall section 253.
  • the argon capacitor 17 is installed in the low-pressure column and is not designed as a simple bath evaporator, but as a two-story pocket evaporator (also called cascade evaporator).
  • the bottom of the auxiliary column 140 is connected via a gas line 237 and a liquid line 238 with evaporation space of the
  • Argon capacitor 17 in fluid communication. Notwithstanding the graphic representation in FIG. 8, the top fractions 138a, 138b of the low-pressure column 2 and the auxiliary column 140 are withdrawn under slightly different pressure, conducted separately through the subcooling countercurrents 7 and fed separately to the main heat exchanger (not shown).

Abstract

Die Anlage dient zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft. Sie weist eine Hochdrucksäule (1), eine Niederdrucksäule (2), und einen Hauptkondensator (3) auf. Eine Argonausschleussäule (31) steht in Strömungsverbindung (32,33) mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule (2) und ist mit einem Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17) verbunden. Eine Hilfssäule (140) weist einen Sumpfbereich auf, in den Gas aus dem Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17) eingeleitet wird. Der Kopf der Hilfssäule (140) ist mit einer Rücklaufflüssigkeitsleitung (136b) zum Einleiten eines Flüssigstroms aus der Hochdrucksäule oder dem Hauptkondensator verbunden. Dieser Flüssigstrom weist einen Stickstoffgehalt auf, der mindestens gleich demjenigen der Luft ist. Mindestens ein erster Teil des flüssigen Rohsauerstoffs (16c) aus dem Sumpf der Hochdrucksäule (1) wird der Hilfssäule (140) an einer ersten Zwischenstelle zugeführt. Der Druck im Kopf der Hilfssäule ist mindestens 50 mbar höher als der Druck im Kopf der Niederdrucksäule (2).

Description

Beschreibung
Anlage zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlequng von Luft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der Aufbau von Zwei-Säulen-Anlagen im Speziellen sind in der Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No.2, 1967, Seite 35) beschrieben. Die Wärmeaustauschbeziehung zwischen Hochdrucksäule und Niederdrucksäule einer Doppelsäule wird im Regelfall durch einen Hauptkondensator realisiert, in dem
Kopfgas der Hochdrucksäule gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der
Niederdrucksäule verflüssigt wird. Das Destillationssäulen-System der Erfindung kann grundsätzlich als klassisches Zwei- Säulen-System mit Hochdrucksäule und Niederdrucksäule ausgebildet sein. Es kann zusätzlich zu den beiden Trennsäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Krypton-Xenon-Gewinnung.
Unter einer "Argonausschleussäule" wird hier eine Trennsäule zur Argon-Sauerstoff- Trennung bezeichnet, die nicht zur Gewinnung eines reinen Argonprodukts, sondern zur Ausschleusung von Argon der in Hochdrucksäule und Niederdrucksäule zu zerlegenden Luft dient. Ihre Schaltung unterscheidet sich nur wenig von der einer klassischen Rohargonsäule, allerdings enthält sie deutlich weniger theoretische Böden, nämlich weniger als 40, insbesondere zwischen 15 und 30. Wie eine Rohargonsäule ist der Sumpfbereich einer Argonausschleussäule mit einer Zwischenstelle der
Niederdrucksäule verbunden und die Argonausschleussäule wird durch einen
Kopfkondensator gekühlt, auf dessen Verdampfungsseite entspannte Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule eingeleitet wird; eine Argonausschleussäule weist keinen Sumpfverdampfer auf. Der Hauptkondensator und der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator sind bei der Erfindung als Kondensator-Verdampfer ausgebildet. Als "Kondensator-Verdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensator-Verdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen
Verdampfungsraum auf, die aus Verflüssigungspassagen beziehungsweise
Verdampfungspassagen bestehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in
Wärmeaustauschbeziehung stehen.
Dabei kann der Hauptkondensator als ein- oder mehrstöckiger Badverdampfer, insbesondere als Kaskadenverdampfer (beispielsweise wie in EP 1287302 B1 = US 6748763 B2 beschrieben), oder aber als Fallfilmverdampfer ausgebildet sein. Er kann durch einen einzigen Wärmetauscherblock gebildet werden oder auch durch mehrere Wärmetauscherblöcke, die in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sind.
Das Destillationssäulen-System einer Luftzerlegungsanlage ist in einer oder mehreren Coldboxen angeordnet. Unter einer "Coldbox" wird hier eine isolierende Umhüllung verstanden, die einen wärmeisolierten Innenraum vollständig mit Außenwänden umfasst; in dem Innenraum sind zu isolierenden Anlagenteile angeordnet, zum Beispiel ein oder mehrere Trennsäulen und/oder Wärmetauscher. Die isolierende Wirkung kann durch entsprechende Ausgestaltung der Außenwände und/oder durch die Füllung des Zwischenraums zwischen Anlagenteilen und Außenwänden mit einem Isoliermaterial bewirkt werden. Bei der letzteren Variante wird vorzugsweise ein pulverförmiges Material wie zum Beispiel Perlite verwendet. Sowohl das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage als auch der Hauptwärmetauscher und weitere kalte Anlagenteile müssen von einer oder mehreren Coldboxen umschlossen sein. Die Außenmaße der Coldbox bestimmen üblicherweise die Transportmaße bei vorgefertigten Anlagen.
Ein "Hauptwärmetauscher" dient zur Abkühlung von Einsatzluft in indirektem
Wärmeaustausch mit Rückströmen aus dem Destillationssäulen-System. Er kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken. Separate Wärmetauscher, die speziell der
Verdampfung oder Pseudo-Verdampfung eines einzigen flüssigen oder überkritischen Fluids dienen, ohne Anwärmung und/oder Verdampfung eines weiteren Fluids, gehören nicht zum Hauptwärmetauscher.
Die relativen räumlichen Begriffe "oben", "unten", "über", "unter", "oberhalb",
"unterhalb", "neben", "nebeneinander", "vertikal", "horizontal" etc. beziehen sich hier auf die räumliche Ausrichtung der Trennsäulen im Normalbetrieb. Unter einer
Anordnung zweier Säulen oder Apparateteile "übereinander" wird hier verstanden, dass das sich obere Ende des unteren der beiden Apparateteile sich auf niedrigerer oder gleicher geodätischer Höhe befindet wie das untere Ende der oberen der beiden Appärateteile und sich die Projektionen der beiden Apparateteile in eine horizontale Ebene überschneiden. Insbesondere sind die beiden Apparateteile genau
übereinander angeordnet, das heißt die Achsen der beiden Säulen verlaufen auf derselben vertikalen Geraden.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Anlage sind aus IPCOM000176762D bekannt. Dort ist in Figur 3 eine Luftzerlegungsanlage mit Doppelsäule aus Hochdrucksäule und Niederdrucksäulen, mit Argonsäule und darüber angeordneter Hilfssäule dargestellt. Die Hilfssäule dient zur Entlastung der
Niederdrucksäule und wird konsequenterweise mit demselben Druck wie der entsprechende Abschnitt der Niederdrucksäule betrieben. Am Sumpf der Hilfssäule wird Gas aus der Niederdrucksäule eingespeist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Anlage energetisch effizienter zu machen. Sie betrifft insbesondere Luftzerlegungsanlagen besonders hoher Kapazität, insbesondere für die Sauerstoffgewinnung. insbesondereSolche Anlagen sind für eine Luftmenge von mehr als 370.000 Nm3/h ausgelegt, vorzugsweise mehr als 1.000.000 Nm3/h.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der Erfindung wird der Rohsauerstoff aus der Hochdrucksäule nicht oder nicht vollständig in den Verdampfungsraum des Argonkondensators geleitet, sondern mindestens ein Teil, insbesondere mehr als 10 %, vorzugsweise mehr als 20... % wird der Hilfssäule an einer Zwischenstelle zugeleitet, also oberhalb mindestens eines Stoffaustauschabschnitts. Der Betriebsdruck am Kopf der Hilfssäule ist mindestens 50 mabr größer als derjenige am Kopf der Niederdrucksäule. Die Druckdifferenz beträgt besipielsweise 50 bis 200 mbar, vorzugsweise 50 bis 150 mbar. Dadurch hat das Stickstoffprodukt vom Kopf der Hilfssäule auch dann genügend Druck, um als Regeneriergas für die Luftreinigung dienen zu können. Der Druck am Kopf der Niederdrucksäule kann deshalb extrem niedrig sein. Dieser legt aber über den Hauptkondensator (etwa Faktor 3) und die Hochdrucksäule den Einsatzluftdruck fest, auf den die gesamte Einsatzluft verdichtet werden muss. Eine Druckverminderung am Kopf der Niederdrucksäule führt dabei zu einer deutlich höheren Verminderung des Hochdrucksäulendrucks von etwa 200 bis 300 mbar und damit zu einer erheblichen Energieeinsparung bei der Verdichtung der Einsatzluft.
In der Hilfssäule wird die verdampfte Fraktion aus dem Argonausschleussäulen- Kopfkondensator (Sauerstoffgehalt üblicherweise etwa 32 bis 40 mol-%) außerhalb der Niederdrucksäule rektifiziert. Damit wird ein Teil der Stickstoff-Sauerstoff-Trennung nicht mehr in dem entsprechenden Abschnitt der Niederdrucksäule durchgeführt und die Niederdrucksäule wird entsprechend entlastet. Umgekehrt kann bei nahezu gleicher Dimensionierung von Durchmesser und Länge der Niederdrucksäule die Kapazität entsprechend erhöht werden und in der Gesamtanlage eine größere Menge an Sauerstoff gewonnen werden. Grundsätzlich kann das gesamte Gas aus dem Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators in die Hilfssäule eingeleitet und dort rektifiziert werden. Allerdings ist es möglich, nur einen Teil dieses Gases in die Hilfssäule einzuleiten und den Rest über eine separate Gasleitung in die Niederdrucksäule zu führen. Zusätzlich ist es möglich, Gas aus der Niederdrucksäule in die Hilfssäule einzuleiten. Im einfachsten Fall weist die Hilfssäule der Erfindung genau zwei Stoffaustauschabschnitte auf, wobei mindestens ein Teil des
Rohsauerstoffs aus der Hochdrucksäule der Zwischenstelle zwischen den beiden Stoffaustauschabschnitten zugeführt wird; alternativ weist die Hilfssäule drei oder mehr Stoffaustauschabschnitte auf. Die Stoffaustauschabschnitte bestehen aus geordneter Packung, konventionellen Rektifizierböden wie etwa Siebböden oder aus einer Kombination verschiedener Typen von Stoffaustauschelementen. Rücklauf erhält die Hilfssäule aus der Hochdrucksäule oder dem Hauptkondensator.
Die Kühlflüssigkeit für den Argonausschleussäulen-Kopfkondensator kann
ausschließlich vom Sumpf der Hochdrucksäule kommen, wenn alle Rücklaufflüssigkeit aus der Hilfssäule oberhalb des Sumpfes abgezogen wird. Wird nur ein Teil der Rücklaufflüssigkeit oder gar keine Rücklaufflüssigkeit der Hilfssäule abgezogen, so vermischt sich diese mit der Kühlflüssigkeit vom Sumpf der Hochdrucksäule. Diese kann direkt in den Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators eingeleitet werden. Alternativ wird sie in die Hilfssäule oberhalb des Sumpfs
eingespeist; sie strömt dann über einen Stoffaustauschabschnitt in den Sumpf der Hilfssäule und damit in den Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen- Kopfkondensators. Vorzugsweise wird eine gasförmige Kopffraktion aus der Hilfssäule als gasförmiges Stickstoffprodukt getrennt vom gasförmigen Kopfstickstoff der Niederdrucksäule gewonnen. Durch diese direkte Produktentnahme aus der Hilfssäule wird die entsprechende Gasmenge gar nicht erst in die Niederdrucksäule eingeführt, sodass diese entlastet wird. Unter einem "gasförmigen Stickstoffprodukt wird hier ein Gas verstanden, das einen höheren Stickstoffgehalt als Luft aufweist. Es kann sich dabei besipielsweise um ein Restgas handeln, das noch 0,1 bis 7 mol-% Sauerstoff enthält. In einer weiteren Ausgestaltung kann auch Stickstoff mit einer technischen Reinheit bis 1 ppm Sauerstoffgehalt gewonnen werden. Grundsätzlich könnte das Gas aus dem Verdampfungsraum des
Argonausschleussäulen-Kopfkondensators über Leitungen zum Sumpfbereich der Hilfssäule geleitet werden. Der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator und die Hilfssäule könnten dann in zwei getrennten Behältern angeordnet werden. Es ist jedoch im Allgemeinen günstiger, wenn die Hilfssäule und der Argonausschleussäulen- Kopfkondensator von einem gemeinsamen Behälter umschlossen sind und
insbesondere der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator im Sumpf der Hilfssäule angeordnet ist . Der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator stellt damit gleichzeitig den Sumpfverdampfer der Hilfssäule dar. Die erfindungsgemäße Anlage kann außerdem eine oder mehrere
Flüssigkeitsleitungen für eine oder mehrere Flüssigkeiten von einer oder mehreren Zwischenstellen oder dem Sumpf der Hilfssäule aufweisen. Jede dieser Flüssigkeiten wird in die Niederdrucksäule eingeleitet. Damit wird Rücklaufflüssigkeit und/oder Sumpfflüssigkeit der Hilfssäule als zusätzlicher Zwischenrücklauf in die
Niederdrucksäule eingeleitet.
Günstig ist es außerdem, wenn die Anlage eine weitere Zwischenzuleitung zum Einleiten einer zusätzlichen flüssigen oder gasförmigen Fraktion in die Hilfssäule an einer zweiten Zwischenstelle aufweist. Hier wird eine zusätzliche flüssige Fraktion, insbesondere eine Flüssigluftfraktion, in die Hilfssäule an einer zweiten Zwischenstelle eingeleitet wird, die oberhalb der ersten Zwischenstelle angeordnet ist. Es können eine oder mehrere solcher weiteren Zwischenzuleitungen vorgesehen sein, durch die je eine Gas- oder Flüssigfraktion, beispielsweise Flüssigluft, in die Hilfssäule eingeleitet und ebenfalls an der Stickstoff-Sauerstoff-Trennung in der Hilfssäule statt in der Niederdrucksäule teilnimmt. Es kann sich dabei um jede Fraktion handeln, deren Stickstoffgehalt zwischen demjenigen am Sumpf der Hilfssäule beziehungsweise im Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators und demjenigen am Kopf der Hilfssäule liegt, beispielsweise auch um gasförmige Luft aus einer Turbinenentspannung. Jede solche Zwischenzuspeisung trägt weiter zur Optimierung der Lastverteilung zwischen Niederdrucksäule und Hilfssäule und zu optimalen Flüssigkeits-zu-Dampf-Verhältnissen in den jeweilgen Stoffaustauschabschnitten von Niederdrucksäule und Hilfssäule bei. Insbesondere wird die Effizienz der Rektifikation in der Hilfssäule optimiert .
Im Rahmen der Erfindung können Hochdrucksäule und Niederdrucksäule
nebeneinander angeordnet und der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator und die Hilfssäule über der Hochdrucksäule angeordnet sein. . Die Nebeneinander-Anordnung von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule ist an sich bekannt, zum Beispiel aus DE 827364 oder US 2762208. Hierdurch verringert sich die Transportlänge der Säulen gegenüber einer Doppelsäulenanordnung und der
Transport zu Baustelle erfordert weniger Aufwand. Eine Anordnung zweier Säulen "nebeneinander" bedeutet, dass die beiden Säulen im normalen Betrieb der Anlage so positioniert sind, dass die Projektionen ihrer
Querschnitte auf eine horizontale Ebene sich nicht überschneiden. Häufig befinden sich dabei die unteren Enden der beiden Säulen etwa auf der gleichen geodätischen Höhe plus/minus 5 m.
Unter einer Anordnung zweier Säulen "übereinander" oder "untereinander" wird hier verstanden, dass die beiden Säulen im normalen Betrieb der Anlage so angeordnet sind, dass die Projektionen ihrer Querschnitte auf eine horizontale Ebene sich überschneiden. Beispielsweise sind die beiden Säulen genau übereinander angeordnet, das heißt die Achsen der beiden Säule verlaufen auf derselben vertikalen Geraden.
Durch die Anordnung von Argonausschleussäulen-Kopfkondensator und Hilfssäule über der Hochdrucksäule verbrauchen diese Apparate keine zusätzliche Grundfläche; der Fußabdruck der Anlage bleibt gleich. Auch bei Anlagen mit Höhenbegrenzung ist diese Übereinander-Anordnung unproblematisch, weil die Hochdrucksäule deutlich niedriger als die Niederdrucksäule ist. Auch verfahrenstechnisch ist diese Aufstellung vorteilhaft, weil keine Prozesspumpe für den Flüssigkeitstransport benötigt wird - abgesehen der Sauerstoff- oder Stickstoffpumpe am Hauptkondensator, die bei Nebeneinanderanordnung der Hauptsäulen obligatorisch ist.
Die Argonausschleussäule kann in einer ersten Variante der Erfindung unterhalb des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators angeordnet sein. Vorzugsweise bilden Hilfssäule und Argonausschleussäule eine Doppelsäule mit dem
Argonausschleussäulen-Kopfkondensator als "Hauptkondensator". Diese Doppelsäule steht dann vorzugsweise direkt auf dem Kopf der Hochdrucksäule. Bei Übereinander- Anordnung von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule steht oder hängt die
Kombination aus Hilfssäule, Argonausschleussäulen-Kopfkondensator und
Argonausschleussäule neben der Doppelsäule aus Hochdrucksäule und
Niederdrucksäule.
In einer zweiten Variante der Erfindung sind die Argonausschleussäule und der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator räumlich voneinander getrennt angeordnet; insbesondere ist die Argonausschleussäule in einem Trennwandkolonnenbereich der Niederdrucksäule angeordnet. Die Kombination aus Argonausschleussäulen- Kopfkondensator und Hilfssäule befindet sich weiterhin außerhalb der Niederdrucksäule, insbesondere über der Hochdrucksäule.
Vorzugsweise weisen die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule den gleichen Kolonnendurchmesser auf. Unter "gleich" wird hier eine Abweichung kleiner als 0,4 m verstanden. Dadurch kann ein vorgegebener Höchstdurchmesser optimal ausgenutzt werden.
Hochdrucksäule (1), Niederdrucksäule (2) und Hilfssäule (14) können zum Beispiel einen Durchmesser von mehr als 3,5 m, insbesondere von mehr als 4,1 m aufweisen. Hochdrucksäule, Niederdrucksäule und Hilfssäule der Erfindung weisen vorzugsweise einen Durchmesser von mehr als 3,5 m, insbesondere von mehr als 4, 1 m auf.
Es ist günstig, wenn die Stoffaustauschelemente in der Hilfssäule durch geordnete Packung gebildet wird, die die gleiche oder eine höhere spezifische Oberfläche aufweist als diejenige in der Niederdrucksäule. Wenn zum Beispiel die
Niederdrucksäule Packungen von 500 und 750 m2/m3 eingesetzt werden, beträgt die Packungsdichte in der Hilfssäule beispielsweise 750 oder bis 1200 m2/m3.
Außerdem ist es vorteilhaft, nicht die gesamte aus dem Stoffaustauschbereich der Hilfssäule ablaufende Flüssigkeit in den Verdampfungsraum des
Argonausschleussäulen-Kopfkondensators einzuleiten, sondern eine Tasse oder ein anderes Mittel zum Auffangen mindestens eines Teils der in der Hilfssäule
herabfließenden Flüssigkeit unmittelbar oberhalb des Sumpfs vorzusehen, verbunden mit Mitteln zum Einleiten der aufgefangenen Flüssigkeit in die Niederdrucksäule.
Alternativ zur Anordnung der Argonausschleussäulen-Kopfkondensators im Sumpf der Hilfssäule können die Hilfssäule und der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator in getrennten Behältern angeordnet sein. Die ermöglicht eine höhere Flexibilität in der Anordnung der Anlagenteile.
Insbesondere können dann zwei Kombinationen von Anlagenteilen nebeneinander angeordnet werden, nämlich einerseites die Argonausschleussäule über der
Hochdrucksäule, insbesondere über dem Hauptkondensator und andererseits die Hilfssäule über der Niederdrucksäule. Ähnlich günstig ist es, wenn die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule nebeneinander, die Argonausschleussäule oberhalb der Niederdrucksäule und die Hilfssäule neben der Kombination aus Niederdrucksäule und Argonausschleussäule und oberhalb der Hochdrucksäule, insbesondere oberhalb des Hauptkondensators, angeordnet ist. Hiermit ergibt sich eine besonders Platz sparende Anordnung, die auch aus Transportgesichtspunkten vorteilhaft ist.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen sind nur die wichtigsten Elemente dargestellt, insbesondere solche, mit denen sich das System der Erfindung von üblichen
Luftzerlegungssystemen unterscheidet. Hierbei zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Anlage gemäß der ersten Variante der Erfindung mit einer Doppelsäule aus Hilfssäule und
Argonausschleussäule oberhalb der Hochdrucksäule,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der zweiten Variante der
Erfindung, bei dem die Argonausschleussäule in einem
Trennwandkolonnenbereich der Niederdrucksäule angeordnet ist,
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel ähnlich Figur 1 , aber mit Übereinander- Anordnung von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule,
Figur 4 eine Abwandlung von Figur 3 mit kürzerer Hilfssäule,
Figur 5 das Ausführungsbeispiel von Figur 3 ergänzt durch eine Sauerstoffsäule,
Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Hilfssäule über der
Niederdrucksäule,
Figur 7 eine Variante mit Hilfssäule über Hochdrucksäule und Hauptkondensator und
Figur 8 ein System ähnlich Figur 2, aber mit in der Niederdrucksäule
angeordnetem Argonkondensator..
In den Zeichnungen sind Luftverdichtung, Luftreinigung und Hauptwärmetauscher nicht dargestellt. Auch sonst ist die Darstellung vereinfacht; manche Ströme sind nicht eingezeichnet, die für das Verständnis der Erfindung keine Rolle spielen.
Die Anlage des Ausführungsbeispiels der Figur 1 weist eine Hochdrucksäule 1 , eine Niederdrucksäule 2 und einen Hauptkondensator 3 auf. Der Hauptkondensator 3 ist hier als mehrstöckiger Badverdampfer ausgebildet, genauer als Kaskadenverdampfer. Die Hochdrucksäule 1 und die Niederdrucksäule 2 sind nebeneinander angeordnet; insbesondere befinden sich ihre unteren Enden auf dem gleichen geodätischen Niveau. Ein erster Teilstrom 4 der Einsatzluft strömt gasförmig in die Hochdrucksäule 1 , und zwar unmittelbar oberhalb des Sumpfs. Ein zweiter Teil 5 der Einsatzluft ist mindestens zum Teil flüssig und wird der Hochdrucksäule 1 an einer Zwischenstelle zugeleitet. Mindestens ein Teil der Flüssigluft wird über Leitung 6 gleich wieder entnommen, in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 7 abgekühlt und über die Leitungen 108 und 108b mindestens teilweise der Niederdrucksäule 2 an einer ersten Zwischenstelle zugeführt.
Im Hauptkondensator 3 wird ein Teil 10 des gasförmigen Kopf Stickstoffs 9 der
Hochdrucksäule 1 mindestens teilweise kondensiert. Der dabei gewonnene
Flüssigstickstoff 1 1 wird zu einem ersten Teil 12 als Rücklauf auf den Kopf der Hochdrucksäule 1 aufgegeben. Ein zweiter Teil 13 wird einer Innenverdichtung (nicht dargestellt) zugeführt und schließlich als gasförmiges Druckstickstoffprodukt gewonnen. Ein anderer Teil 14 des gasförmigen Kopfstickstoffs 9 wird im
Hauptwärmetauscher (nicht dargestellt) angewärmt und direkt als gasförmiges
Druckprodukt gewonnen.
Flüssiger Rohsauerstoff 15 aus der Hochdrucksäule 1 wird im Unterkühlungs- Gegenströmer 7 abgekühlt und über die Leitungen 16 und 18 sowie durch einen Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17 der Niederdrucksäule 2 an einer zweiten Zwischenstelle zugeführt, die unterhalb der ersten Zwischenstelle liegt.
Von einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule 1 wird flüssiger Unreinstickstoff 35 abgezogen, in dem Unterkühlungs-Gegenströmer abgekühlt und über Leitung 36/136a auf den Kopf der Niederdrucksäule 2 aufgegeben. Ein Teil davon kann über Leitung 37 als Flüssigstickstoff-Produkt (LIN) gewonnen werden. Vom Kopf der Niederdrucksäule 2 wird gasförmiger Unreinstickstoff 138a abgezogen und nach Anwärmung im
Unterkühlungs-Gegenströmer 7 über Leitung 39 weiter zum Hauptwärmetauscher geführt (nicht dargestellt).
Flüssiger Sauerstoff 20 vom Sumpf der Niederdrucksäule 2 wird zu einem ersten Teil 22 mit Hilfe einer Pumpe 21 in den Verdampfungsraum des Hauptkondensators 3 befördert und dort mindestens zum Teil verdampft. Dabei entstehendes Gas 23 wird zum Sumpf der Niederdrucksäule 2 zurückgeleitet und dient dort als aufsteigendes Gas. Ein zweiter Teil 24 des Flüssigsauerstoffs 20 wird im Unterkühlungs- Gegenströmer 7 abgekühlt und über Leitung 25 als flüssiges Sauerstoffprodukt (LOX) abgezogen. Ein dritter Teil 26 des Flüssigsauerstoffs 20 wird einer Innenverdichtung (nicht dargestellt) zugeführt und schließlich als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt gewonnen, welches das Hauptprodukt der Anlage ist.
Eine Argonausschleussäule 31 ist wie üblich über eine Gaszuleitung 32 und eine Flüssigkeitsrückleitung 33 mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule 2 verbunden. Im Verflüssigungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17 wird flüssiger Rücklauf für die Argonausschleussäule erzeugt. Das gasförmige Restprodukt 34 wird aus dem Verflüssigungsraum abgezogen und im Hauptwärmetauscher angewärmt. Eine Hilfssäule 140 befindet sich im selben Behälter wie der Argonausschleussäulen- Kopfkondensator 17, der als Sumpfheizung für die Hilfssäule wirkt und aufsteigenden Dampf für diese produziert. Als Rücklaufflüssigkeit am Kopf der Hilfssäule 140 wird ein Teil 136b des unterkühlten flüssigen Unreinstickstoffs 36 aus der Hochdrucksäule 1 eingesetzt.
Ein Teil 108a der unterkühlten flüssigen Luft 108 kann der Hilfssäule 140 an einer "zweiten Zwischenstelle" zugespeist werden. Ein anderer Teil 108b wird der
Niederdrucksäule 2 an derselben Zwischenstelle zugeführt, ebenso wie ein Strom 141 turbinenentspannter Luft 141 , oder höher (nicht dargestellt).
Vom Kopf der Hilfssäule 140 wird gasförmiger Unreinstickstoff 138b abgezogen und mit dem gasförmigen Unreinstickstoff 138a vom Kopf der Niederdrucksäule 2 vermischt. Der Gesamtstrom 38 wird nach Anwärmung im Unterkühlungs- Gegenströmer 7 über Leitung 39 weiter zum Hauptwärmetauscher geführt (nicht dargestellt). Alternativ können die beiden Stickstoffströme 138a, 138b auch getrennt zum und durch den Hauptwärmetauscher geleitet werden.
Mit Hilfe der Hilfssäule 140 wird der obere Abschnitt der Niederdrucksäule entlastet. Dieser kann also mit einer geringeren Kapazität ausgelegt werden; umgekehrt kann bei gleichen Abmessungen der Niederdrucksäule die Kapazität der Gesamtanlage erhöht werden.
In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Druckdifferenz am Kopf zwischen Hilfssäule und Niederdrucksäule 50 bis 150 mbar. Abweichend von der zeichnerischen
Darstellung in Figur 1 können die Kopffraktionen 138a, 138,b der Niederdrucksäule 2 und der Hilfssäule 140 unter leicht unterschiedlichem Druck abgezogen, durch den Unterkühlungs-Gegenströmer 7 geleitet und dem Hauptwärmetauscher (nicht dargestellt) zugeführt werden. Dies gilt auch für die folgenden Ausführungsbeispiele.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 unterscheidet sich von demjenigen der Figur 1 dadurch, dass die Argonausschleussäule 17 nicht unterhalb des
Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 17 angeordnet ist, sondern in einem Trennwandabschnitt A2 der Niederdrucksäule 2. Einander entsprechende Elemente tragen in beiden Zeichnungen dieselben Bezugszeichen.
In Figur 2 sind drei Abschnitte der Niederdrucksäule 2 bezeichnet: ein unterer
Abschnitt A1 , ein mittlerer Abschnitt A2 und ein oberer Abschnitt A3. Der mittlere Abschnitt A2 der Niederdrucksäule 2 ist als Trennwandabschnitt ausgebildet ist. Eine vertikale Trennwand 27 trennt einen ersten Teilraum 28 und einen zweiten Teilraum 29 voneinander ab. Die Trennwand wird in dem Beispiel durch ein ebenes Blech gebildet, das auf beiden Seiten mit der Kolonnenwand verschweißt ist. Beide Teilräume enthalten Stoffaustauschelemente, beispielsweise geordnete
Packung. Die Stoffaustauschschichten in den Teilräumen können, müssen aber nicht gleich hoch sein. Die beiden Teilräume können gleich oder unterschiedlich groß sein.
Der erste Teilraum 28 bildet den Argonabschnitt der Niederdrucksäule 1. Er steht unten mit dem unteren Abschnitt und oben mit dem oberen Abschnitt in
Strömungsverbindung. Dadurch kann ein erster Teil des Gases aus dem unteren
Abschnitt durch den ersten Teilraum 28 zum oberen Abschnitt A3 strömen. Umgekehrt fließt Flüssigkeit aus dem oberen Abschnitt A3 durch den ersten Teilraum 28 in den unteren Abschnitt A1. Der zweite Teilraum 29 bildet die Argonausschleussäule 31. Er steht unten ebenfalls mit dem unteren Abschnitt A1 in Strömungsverbindung, sodass von dort ein zweiter Teil des aus dem ersten Abschnitt A1 aufsteigenden Gases einströmen kann. Oben ist er jedoch mit einer horizontalen Wand 30 gegenüber dem oberen Abschnitt A3 gasdicht verschlossen. Die horizontale Wand ist etwa halbkreisförmig ausgebildet und mit der Kolonnenwand und der Trennwand 27 verschweißt. Es kann weder Gas vom Kopf der Argonausschleussäule 31 in den oberen Abschnitt A3 fließen, noch
Flüssigkeit von dort in die Argonausschleussäule 31 eindringen. Am Kopf der Argonausschleussäule 31 wird argonangereichertes Gas 32 abgezogen und im Verflüssigungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 17 teilweise verflüssigt. Die dabei erzeugte Flüssigkeit 33 wird als Rücklauf in die
Argonausschleussäule 31 zurückgeleitet. Der gasförmig verbliebene Anteil wird als argonangereichertes Produkt oder Restgas 34 gasförmig aus dem
Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17 entnommen und durch eine separate Passagengruppe durch den Hauptwärmetauscher geführt (nicht dargestellt).
Durch die Integration der Argonausschleussäule 31 in die Niederdrucksäule 2 und durch die Anordnung des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators über der
Hochdrucksäule 1 verbraucht die Argonausschleusung keine zusätzliche Aufstellfläche gegenüber der reinen Stickstoff-Sauerstoff-Trennung. Die Erhöhung der
Sauerstoffausbeute kann somit ohne nennenswerte Vergrößerung der Anlage erzielt werden. Außerdem weist das Ausführungsbeispiel der Figur 2 eine Tasse 150 in der Hilfssäule 140 und eine Leitung 151 auf. Die in der Hilfssäule 140 herabfließende Flüssigkeit wird in der Tasse 150 oberhalb des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators gar nicht, teilweise oder vollständig aufgefangen. Die aufgefangene Flüssigkeit wird teilweise oder vollständig über die Leitung 151 in die Niederdrucksäule 2 eingeleitet, vorzugsweise oberhalb der Leitung 18. Dadurch wird eine Vermischung dieser Flüssigkeit mit dem flüssigen Rohsauerstoff 16 aus der Hochdrucksäule 1
beziehungsweise der nicht verdampften Flüssigkeit aus dem Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 17 vermieden. Außerdem ist eine vorteilhafte Regelung des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators möglich. Die Tasse 150 und die Leitung 151 können auch in allen anderen
Ausführungsbeispielen eingesetzt werden. Statt der Tasse kann jede andere
Auffangeinrichtung für Flüssigkeit verwendet werden. Zum Beispiel kann die Flüssigkeit in einem Kaminboden gesammelt oder von einem Rektifizierboden oder dessen Ablaufschaft abgezogen werden.
In Figur 3 sind Hochdrucksäule 1 , Hauptkondensator 3 und Niederdrucksäule 2 in Form einer klassischen Doppelsäule übereinander angeordnet. Hilfssäule 140, Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17 und Argonausschleussäule 31 bilden ähnlich wie in Figur 1 ebenfalls eine Doppelsäule. Diese ist nun aber nicht über der Hochdrucksäule 1 angeordnet, sondern neben der Doppelsäule aus Hochdrucksäule 1 und Niederdrucksäule 2, beispielsweise auf einem Gerüst.
Außerdem wird hier nicht die gesamte Rohsauerstoff 16 vom Sumpf der
Hochdrucksäule 1 in den Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen- Kopfkondensator geleitet, sondern über Leitung 16 b nur ein Teil. Ein anderer Teil geht direkt über Leitung 16a direkt in die Niederdrucksäule 2, der Rest über Leitung 16c zu einer "ersten Zwischenstelle" der Hilfssäule 140. In Figur 4 ist die Hilfssäule 140 etwas kürzer als in Figur 3 der Kopf-Rücklauf wird hier durch Flüssigluft 108 gebildet. Diese wird über die "Rücklaufflüssigkeitsleitung" 408b auf den Kopf der Hilfssäule 140 aufgegeben.
In Figur 5 ist im Vergleich zu Figur 3 die Argonausschleussäule sozusagen nach unten verlängert. Im selben Behälter wie die Argonausschleussäule 31 befindet sich eine Sauerstoffsäule 336 in Form eines zusätzlichen Destillationsabschnitts. Das untere Ende der Sauerstoffsäule 336 kommuniziert über die Gasleitung 332 und die
Flüssigkeitsleitung 333 mit der Niederdrucksäule 2 unmittelbar oberhalb ihres Sumpfs. Die Sauerstoffsäule 336 erhält oben Rücklaufflüssigkeit aus der Leitung 33 und/oder über mindestens einen Teil der aus der Argonausschleussäule 31 ablaufenden
Flüssigkeit. Mit den beiden Leitungen 32, 33 kann man die Kapazität in der
Sauerstoffsäule 36 einstellen. Ist die Flüssigkeitsleitung 33 geschlossen (oder fehlt sie), wird die Kapazität zwischen den beiden Säulen genau so verteilt, dass der Umsatz der Sauerstoffsäule 336 dem Umsatz der Argonausschleussäule 31 entspricht. Soll mehr Kapazität in die Sauerstoffsäule 336 verschoben werden, wird über die Flüssigleitung 33 - entgegen der in Figur 1 eingezeichneten Strömungsrichtung - Flüssigkeit von der Niederdrucksäule 2 in die Sauerstoffsäule 36 transportiert. Diese zusätzliche Kapazität wird als entsprechende Gasmenge der Sauerstoffsäule 336 unterhalb der Argonausschleussäule 31 entnommen und der Niederdrucksäule 2 zugeführt.
In Figur 5 sind außerdem zwei Bypassleitungen 501 , 502 gestrichelt dargestellt, die es erlauben, Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17 stillzulegen und den Rest der Anlage weiterzubetreiben. Leitung 501 leitet dann die Flüssigkeit aus dem Bad des
Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 17 auf den Kopf der Argonausschleussäule 31. In der Gegenrichtung wird über Leitung 502 der Kopfdampf der
Argonausschleussäule 31 in die Hilfssäule 140 geleitet. Dieses Merkmal kann auch mit allen anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Die in Figur 6 dargestellte Anlage weist ein Eintrittsfilter 302 für atmosphärische Luft (AIR), einen Hauptluftverdichter 303, eine Luftvorkühlungseinheit 304, eine
Luftreinigungseinheit 305 (üblicherweise gebildet durch ein Paar von Molekularsieb- Adsorbern), einen dreistufigen, zwischen- und nachgekühlten Luftnachverdichter 306 (Booster Air Compressor - BAC) und einen Hauptwärmetauscher 308 auf. Ein erster Teilstrom 4 der Einsatzluft strömt gasförmig in die Hochdrucksäule 1 , und zwar unmittelbar oberhalb des Sumpfs. Ein zweiter Teil 5 der Einsatzluft ist mindestens zum Teil flüssig und wird der Hochdrucksäule 1 an einer Zwischenstelle zugeleitet.
Mindestens ein Teil der Flüssigluft wird über Leitung 6 gleich wieder entnommen, in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 7 abgekühlt und über die Leitungen 108 und 108b mindestens teilweise der Niederdrucksäule 2 an einer ersten Zwischenstelle zugeführt.
Im Hauptkondensator 3 wird ein Teil 10 des gasförmigen Kopfstickstoffs 9 der
Hochdrucksäule 1 mindestens teilweise kondensiert. Der dabei gewonnene
Flüssigstickstoff 1 1 wird zu einem ersten Teil 12 als Rücklauf auf den Kopf der
Hochdrucksäule 1 aufgegeben. Ein zweiter Teil 13 wird einer Innenverdichtung (Pumpe 313) zugeführt und schließlich als gasförmiges Druckstickstoffprodukt gewonnen. Ein anderer Teil 14 des gasförmigen Kopfstickstoffs 9 wird innenverdichtet (Pumpe 621 ), im Hauptwärmetauscher 308 angewärmt und direkt als gasförmiges Druckprodukt (GANIC) gewonnen. Flüssiger Rohsauerstoff 15 aus der Hochdrucksäule 1 wird im Unterkühlungs- Gegenströmer 7 abgekühlt, über die Leitung 16 weitergeführt und dann über die Leitungen 18a, 18b, 18c auf den Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17, die Niederdrucksäule 2 und die Hilfssäule 140 aufgeteilt, an einer zweiten Zwischenstelle zugeführt, die unterhalb der ersten Zwischenstelle liegt.
Von einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule 1 wird flüssiger Unreinstickstoff 35 abgezogen, in dem Unterkühlungs-Gegenströmer abgekühlt und über die Leitungen 36 und 136a/136b auf den Kopf der Niederdrucksäule 2 beziehungsweise auf den Kopf der Hilfssäule 140 aufgegeben. Vom Kopf der Niederdrucksäule 2 wird ein erster Strom gasförmigen Unreinstickstoffs 138a abgezogen und nach Anwärmung im
Unterkühlungs-Gegenströmer 7 über Leitung 39. Nach Anwärmung
Hauptwärmetauscher (308) wird dieser Strom in die Atmosphäre (ATM) abgeblasen.
Flüssiger Sauerstoff 20 vom Sumpf der Niederdrucksäule 2 wird zu einem ersten Teil 22 mit Hilfe einer Pumpe 21 in den Verdampfungsraum des Hauptkondensators 3 befördert und dort mindestens zum Teil verdampft. Dabei entstehendes Gas 23 wird zum Sumpf der Niederdrucksäule 2 zurückgeleitet und dient dort als aufsteigendes Gas. Ein zweiter Teil 24 des Flüssigsauerstoffs 20 wird im Unterkühlungs- Gegenströmer 7 abgekühlt und über Leitung 25 als flüssiges Sauerstoffprodukt (LOX) abgezogen. Ein dritter Teil 26 des Flüssigsauerstoffs 20 wird innenverdichtet, das heißt mittels einer Pumpe 321 auf den gewünschten Produktdruck gebracht, im
Hauptwärmetauscher 308 angewärmt und schließlich als gasförmiges
Drucksauerstoffprodukt (GOXIC) gewonnen, welches das Hauptprodukt der Anlage ist.
Die Argonausschleussäule 31 ist wie üblich über eine Gaszuleitung 32 und eine Flüssigkeitsrückleitung 33 mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule 2 verbunden. Im Verflüssigungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17 wird flüssiger Rücklauf für die Argonausschleussäule erzeugt. Das gasförmige Restprodukt 34, 334 wird aus dem Verflüssigungsraum abgezogen, im Hauptwärmetauscher 308
angewärmt und schließlich in die Atmosphäre (ATM) abgegeben; alternativ könnte es als argonangereichertes Produkt gewonnen werden. Die Hilfssäule 140 und der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17 befinden sich in getrennten Behältern. Die Gasleitung 61 stellt jedoch sicher, dass - wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen - im Verdampfungsraum des
Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 17 erzeugtes Gas nach wie vor in den Sumpf der Hilfssäule 140 eingeleitet wird und dort als aufsteigender Dampf zur Verfügung steht. Im Sumpf der Hilfssäule 140 anfallende Flüssigkeit wird über eine Flüssigkeitsleitung 62 der Niederdrucksäule 2 an einer geeigneten Zwischenstelle zugeleitet. Als Rücklaufflüssigkeit am Kopf der Hilfssäule 140 wird ein Teil 136b des unterkühlten flüssigen Unreinstickstoffs 36 aus der Hochdrucksäule 1 eingesetzt.
Ein Teil 108a der unterkühlten flüssigen Luft 108 kann der Hilfssäule 140 an einer Zwischenstelle zugespeist werden. Vom Kopf der Hilfssäule 140 wird ein zweiter Strom gasförmigen Unreinstickstoffs 138b unter einem etwas höheren Druck als der Strom 138a abgezogen, getrennt vom ersten Strom 138a in Unterkühlungs-Gegenströmer 7 und Hauptwärmetauscher 308 angewärmt und über Leitung 638 mindestens teilweise beziehungsweise mindestens zeitweise als Regeneriergas in der Luftreinigungseinheit 305 eingesetzt.
Bei allen Ausführungsbeispielen können die Gasleitung 32 und die Flüssigkeitsleitung 33 zwischen Niederdrucksäule und Argonausschleussäule auch in einer einzigen Leitung mit besonders großem Querschnitt kombiniert werden. Ferner kann die Niederdrucksäule durch einen zusätzlichen Stickstoff-Abschnitt ergänzt werden, der einen eigenen Rücklauf erhält, vorzugsweise flüssigen Stickstoff aus der
Hochdrucksäule oder vom Hauptkondensator. Alternativ dazu kann auch die Hilfsäule reineren Stickstoff produzieren als die Niederdrucksäule, wenn die Hilfssäule Rücklauf aus einem reineren Teil der Hochdrucksäule erhält. Weiterhin können einzelne, mehrere oder alle Elemente wie die Luftverdichtung, die Luftvorkühlung, die
Luftreiningung, die Schaltung von Hauptwärmetauscher und Turbinen und die Führung der Unreinstickstoffprodukte aus Figur 6 jeweils mit den anderen
Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Figur 7 entspricht verfahrenstechnisch weitgehend Figur 6, allerdings sind hier die Argonausschleussäule 31 und die Hilfssäule 140 vertauscht angeordnet. Die Hilfssäule steht über der Hochdrucksäule 1 und dem Hauptkondensator 3, die
Argonausschleussäule 31 ist oberhalb der Niederdrucksäule 2 angeordnet. Außerdem ist hier noch ein Stickstoffverdichter 777 vorgesehen, um den Produktdruck des gasförmigen Stickstoffs 14, 714 gegenüber dem Hochdrucksäulendruck weiter zu erhöhen. In Figur 8 ist ein System dargestellt, das demjenigen von Figur 3 ähnelt. Insbesondere enthält die Niederdrucksäule 2 einen Trennwandabschnitt 253. Im Unterschied zu Figur 2 ist der Argonkondensator 17 in die Niederdrucksäule eingebaut und ist nicht als einfacher Badverdampfer ausgebildet, sondern als zweistöckiger Taschenverdampfer (auch Kaskadenverdampfer genannt). Der Sumpf der Hilfssäule 140 steht über eine Gasleitung 237 und eine Flüssigkeitsleitung 238 mit Verdampfungsraum des
Argonkondensators 17 in Strömungsverbindung. Abweichend von der zeichnerische Darstellung in Figur 8 werden die Kopffraktionen 138a, 138,b der Niederdrucksäule 2 und der Hilfssäule 140 unter leicht unterschiedlichem Druck abgezogen, separat durch den Unterkühlungs-Gegenströme 7 geleitet und separat dem Hauptwärmetauscher (nicht dargestellt) zugeführt.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäule-System, das
- eine Hochdrucksäule (1) und eine Niederdrucksäule (2),
- einen Hauptkondensator (3), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (3) mit dem Kopf der Hochdrucksäule (2) in Strömungsverbindung (9, 10, 11 , 12) steht und der Verdampfungsraum des Hauptkondensators (3) mit der Niederdrucksäule (2) in Strömungsverbindung steht,
- eine Argonausschleussäule (31), die in Strömungsverbindung mit einer
Zwischenstelle (A1/A2) der Niederdrucksäule (2) steht,
- einen Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17), der als Kondensator-
Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verflüssigungsraum des
Argonausschleussäulen-Kopfkondensators (17) mit dem Kopf der
Argonausschleussäule (31) in Strömungsverbindung steht,
- eine Hilfssäule (140), deren Sumpfbereich zum Einleiten von Gas aus dem
Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators (17) ausgestaltet ist,
aufweist, wobei
- flüssiger Rohsauerstoff (15, 16) aus dem Sumpf der Hochdrucksäule (1) in die
Hilfssäule (140) eingeleitet wird,
- ein Flüssigstrom aus der Hochdrucksäule (1 ) oder dem Hauptkondensator (3) über eine Rücklaufflüssigkeitsleitung (136b, 408a) als Rücklauf auf den Kopf der Hilfssäule (140) eingeleitet wird, wobei der Flüssigstrom einen
Stickstoffgehalt aufweist, der mindestens gleich demjenigen der Luft ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- mindestens ein erster Teil des flüssigen Rohsauerstoffs (15, 16) der Hilfssäule
(140) an einer ersten Zwischenstelle zugeführt wird,
- die Hilfssäule (140) am Kopf unter einem Druck betrieben wird, der mindestens
50 mbar höher als der Betriebsdruck am Kopf der Niederdrucksäule (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine gasförmige Kopffraktion (138b) aus der Hilfssäule (14) als gasförmiges Stickstoffprodukt getrennt vom gasförmigen Kopfstickstoff (138a) der Niederdrucksäule (2) gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche flüssige Fraktion (108a), insbesondere eine Flüssigluftfraktion, in die Hilfssäule (140) an einer zweiten Zwischenstelle eingeleitet wird, die oberhalb der ersten Zwischenstelle angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der in der Hilfssäule (1 0) herabfließenden Flüssigkeit unmittelbar oberhalb des Sumpfs aufgefangen (150) wird und mindestens ein Teil der aufgefangenen Flüssigkeit (151) in die Niederdrucksäule (2) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass keine Gasstrom und vorzugsweise keine Flüssigstrom aus der Niederdrucksäule (2) in die Hilfssäule (140) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Teil des flüssigen Rohsauerstoffs (15, 16) der Hilfssäule (140) am Sumpf oder dem Verdampfungsraum des Argonkondensators (17) zugeführt wird und dass insbesondere ein dritter Teil (16a) des flüssigen Rohsauerstoffs (15, 16) der Niederdrucksäule (2) an einer Zwischenstelle zugeführt wird .
7. Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit
- einer Hochdrucksäule (1) und einer Niederdrucksäule (2),
- einem Hauptkondensator (3), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (3) mit dem Kopf der Hochdrucksäule (2) in Strömungsverbindung (9, 10, 11, 12) steht und der
Verdampfungsraum des Hauptkondensators (3) mit der Niederdrucksäule (2) in Strömungsverbindung steht,
- einer Argonausschleussäule (31), die in Strömungsverbindung mit einer
Zwischenstelle (A1/A2) der Niederdrucksäule (2) steht,
- einem Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17), der als Kondensator-
Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verflüssigungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators (17) mit dem Kopf der
Argonausschleussäule (31 ) in Strömungsverbindung steht,
- einer Hilfssäule (140), deren Sumpfbereich zum Einleiten von Gas aus dem
Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators (17) ausgestaltet ist, und durch,
- einer Rohsauerstoffleitung (15, 16) zum Einleiten von flüssigem Rohsauerstoff aus dem Sumpf der Hochdrucksäule (1) in die Hilfssäule (140),
- eine Rücklaufflüssigkeitsleitung (136b, 408a) zum Einleiten eines Flüssigstroms aus der Hochdrucksäule (1 ) oder dem Hauptkondensator (3) als Rücklauf auf den Kopf der Hilfssäule (140), wobei der Flüssigstrom einen Stickstoffgehalt aufweist, der mindestens gleich demjenigen der Luft ist
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Rohsauerstoffleitung (15, 16) zum Einleiten des Rohsauerstoffs in die
Hilfssäule (140) an einer ersten Zwischenstelle ausgebildet ist, und dass - die Hilfssäule (140) für einen Betrieb ausgebildet ist, bei dem der Druck im Kopf der Hilfssäule mindestens 50 mbarr höher als der Druck im Kopf der
Niederdrucksäule (2) ist.
8. Anlage nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Mittel zum Gewinnen einer
gasförmigen Kopffraktion (138b) aus der Hilfssäule (14) als gasförmiges
Stickstoffprodukt getrennt vom gasförmigen Kopfstickstoff der Niederdrucksäule
(2).
9. Anlage nach einem der Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine
Zwischenzuleitung zum Einleiten einer zusätzlichen flüssigen Fraktion (108a) in die Hilfssäule (140) an einer zweiten Zwischenstelle, die oberhalb der ersten
Zwischenstelle angeordnet ist.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule nebeneinander und der
Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17) und die Hilfssäule (140) über der
Hochdrucksäule angeordnet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Argonausschleussäule (31) und der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17) räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.
12. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Argonausschleussäule (31) in einem Trennwandkolonnenbereich (A2) der Niederdrucksäule (2) angeordnet ist.
13. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffaustauschelemente in der Hilfssäule (140) eine gleiche oder höhere spezifische Oberfläche aufweisen als diejenigen in der Niederdrucksäule (2). 14. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch Mittel (150) zum Auffangen mindestens eines Teils der in der Hilfssäule (140) herabfließenden Flüssigkeit unmittelbar oberhalb des Sumpfs und durch Mittel (151) zum Einleiten der aufgefangenen Flüssigkeit in die Niederdrucksäule (2). 15. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 13, soweit nicht rückbezogen auf
Anspruch 3, bei der die Hilfssäule (140) und der Argonausschleussäulen- Kopfkondensator (17) in getrennten Behältern angeordnet sind.
16. Anlage nach Anspruch 14, bei der die Hochdrucksäule (1) und die
Niederdrucksäule (2) nebeneinander, die Argonausschleussäule (31) oberhalb der
Niederdrucksäule (2) und die Hilfssäule (140) neben der Kombination aus
Niederdrucksäule (2) und Argonausschleussäule (31) und oberhalb der
Hochdrucksäule (1), insbesondere oberhalb des Hauptkondensators (3), angeordnet ist.
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