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WO2020038607A2 - Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft Download PDF

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WO2020038607A2
WO2020038607A2 PCT/EP2019/025276 EP2019025276W WO2020038607A2 WO 2020038607 A2 WO2020038607 A2 WO 2020038607A2 EP 2019025276 W EP2019025276 W EP 2019025276W WO 2020038607 A2 WO2020038607 A2 WO 2020038607A2
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WO
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separation unit
separation
unit
separating unit
argon
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PCT/EP2019/025276
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Inventor
Stefan Lochner
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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Priority to US17/269,121 priority patent/US11976880B2/en
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    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/0489—Modularity and arrangement of parts of the air fractionation unit, in particular of the cold box, e.g. pre-fabrication, assembling and erection, dimensions, horizontal layout "plot"

Definitions

  • the invention relates to a method for the low-temperature separation of air and a corresponding system according to the preambles of the independent claims.
  • Air separation plants have distillation column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • distillation column systems which can be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • Distillation columns for the production of nitrogen and / or oxygen in the liquid and / or gaseous state that is to say the distillation columns for the nitrogen-oxygen separation, distillation columns for the production of further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon, can be provided.
  • the distillation columns of the above-mentioned distillation column systems are operated at different pressure levels.
  • Known double column systems have a so-called high pressure column (also referred to as a pressure column, medium pressure column or lower column) and a so-called low pressure column (also referred to as an upper column).
  • the high-pressure column is typically operated at a pressure level of 4 to 7 bar, in particular approximately 5.3 bar.
  • the low pressure column is operated at a pressure level of typically 1 to 2 bar, in particular approximately 1.4 bar. In certain cases, higher pressure levels can also be used in the low pressure column.
  • the pressures specified here and below are absolute pressures at the top of the columns specified.
  • Feeding into the low-pressure column can be partially or completely evaporated, wherein, if necessary, evaporated and non-evaporated portions can be fed into the low-pressure column at different positions.
  • the present invention is based on a method or a corresponding system in which a high and a low pressure column is used.
  • the low-pressure column is not formed in one piece, but is divided into a first section and a second section, the first and the second section at different positions
  • Air separation plant and are arranged at different heights and
  • first and the second section of the low pressure column are operated at a common pressure level within the scope of the present invention.
  • the used in the context of the present invention divided into two sections
  • Low-pressure column differs from also known arrangements in which, in addition to the high-pressure and low-pressure columns, a further column for separating nitrogen and oxygen is provided, which, however, is operated at a pressure level which lies between the pressure levels at which the high-pressure column and the Low pressure column operated.
  • Air separation plants with raw and pure argon columns can be used to obtain argon.
  • An example is illustrated by Häring (see above) in Figure 2.3A and described from page 26 in the section “Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column” and from page 29 in the section “Cryogenic Production of Pure Argon”.
  • argon accumulates at a certain height in the low-pressure column in corresponding plants. At this or at another convenient point, possibly below the argon maximum, the so-called
  • Argon transition, gas with an argon concentration of typically 5 to 15 mole percent can be withdrawn from the low-pressure column and filled with argon and transferred into the crude argon column.
  • a corresponding gas typically contains approx. 100 ppm nitrogen and otherwise essentially oxygen.
  • the crude argon column essentially serves to separate the oxygen from the gas drawn off from the low-pressure column.
  • the separated oxygen in the crude argon column or a corresponding oxygen-rich fluid can be returned to the low-pressure column in liquid form.
  • the oxygen or the oxygen-rich fluid is typically fed into the low-pressure column several theoretical or practical trays below the feed point for the liquid which has been drawn off from the high-pressure column, enriched with oxygen and depleted with nitrogen and possibly partially or completely evaporated.
  • the crude and the pure argon column have top condensers, which can be cooled in particular with a portion of the liquid which has been drawn off from the high-pressure column and enriched with oxygen and nitrogen and which partially evaporates during this cooling. Other fluids can also be used for cooling.
  • a pure argon column can also be dispensed with in corresponding systems, typically ensuring that the
  • Nitrogen content at the argon transition is below 1 ppm.
  • argon of the same quality as from a conventional pure argon column is drawn off from the raw argon column somewhat below the fluid conventionally transferred into the pure argon column, the bottoms in the section between the raw argon condenser, i.e. the top condenser of the raw argon column, and a corresponding vent as barrier bottoms for Serve nitrogen.
  • the separation in the lowest separation section of the low pressure column which typically comprises 30 to 40 theoretical or practical trays, can be regarded as an essentially binary separation between oxygen and argon. Only from the exit point for the gas transferred to the crude argon column does the separation within a few theoretical or practical soils change into a ternary separation of nitrogen, oxygen and argon. Therefore, even in a corresponding plant or a corresponding method, if argon is not to be obtained, it may prove advantageous to discharge argon from the low-pressure column.
  • argon-enriched gas is transferred from the low-pressure column to the crude argon column, but essentially only the oxygen contained in this gas is returned to the low-pressure column.
  • the argon discharged with a correspondingly removed gas is permanently withdrawn from the low pressure column.
  • argon discharge is generally understood to mean a measure in which an argon-containing fluid is transferred from the low-pressure column to a further separation unit and, after depletion of argon, is partially or completely returned from the further separation unit to the low-pressure column.
  • the classic way of evacuating argon is to use a crude argon column.
  • argon discharge columns explained below can also be used.
  • the advantageous effect of the argon discharge is due to the fact that the separation of oxygen and argon is no longer necessary for the amount of argon discharged in the low pressure column, but this binary separation can be outsourced from the low pressure column.
  • the separation of oxygen and argon in the low-pressure column itself is fundamentally complex and requires a corresponding "heating" performance of the main condenser.
  • the heating capacity of the main condenser can be reduced. Therefore, with a constant yield of oxygen, for example, either more air can be blown into the low-pressure column or more pressurized nitrogen can be removed from the high-pressure column, which in turn can offer energetic advantages.
  • raw argon is obtained in a conventional raw argon column and processed into pure argon in a downstream pure argon column.
  • Argon discharge column is primarily used for argon discharge for the explained purpose of improving the separation in the low pressure column.
  • an "argon discharge column” can be understood here as a separation column for the separation of oxygen and argon, which is not used to obtain a pure argon product, but essentially serves to discharge argon from the low pressure column.
  • Argon discharge column typically has significantly fewer theoretical or practical trays, namely fewer than 40, in particular between 15 and 30. For further values for the tray number, reference is made to the explanations below. As with a conventional crude argon column, the
  • An argon discharge column can in particular be cooled by means of a top condenser in which the liquid drawn off from the high-pressure column, oxygen-enriched and nitrogen-depleted, is partially evaporated.
  • An argon discharge column typically does not have a bottom evaporator.
  • the present invention employs an argon discharge column, which is arranged in the manner explained below.
  • No. 5,339,648 A discloses an air separation plant with a high-pressure column and a low-pressure column divided vertically in one section. A portion of the low-pressure column thus formed in the section can be used for
  • Argon discharge can be used.
  • US 5 311 744 A there is a complete argon column on the high pressure column.
  • FR 2 739 438 A1 discloses a
  • Argon column stands next to this arrangement.
  • the object of the present invention is to improve the low-temperature separation of air using argon discharge columns and in particular to make the arrangement of the distillation columns used more advantageous.
  • the present invention proposes a method for
  • Liquids and gases can, in the language used here, be rich or poor in one or more components, “rich” for a content of at least 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99, 9% or 99.99% and “poor” for a maximum of 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis ,
  • the term “predominantly” can correspond to the definition of "rich”.
  • Liquids and gases can also be enriched or depleted in one or more components, these terms refer to a content in a starting liquid or gas from which the liquid or gas was obtained.
  • 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, and " depleted "if this or this 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”, “nitrogen” or “argon” is mentioned here, this should also be understood to mean a liquid or a gas which is rich in oxygen or nitrogen, but does not necessarily have to consist exclusively of it.
  • pressure level and "temperature level”, which is intended to express that corresponding pressures and temperatures in a corresponding system are not in the form of exact pressure or temperature values must be used to implement the inventive concept. However, such pressures and temperatures are typically in certain ranges, for example ⁇ 1%, 5% or 10% around an average.
  • pressure levels and temperature levels can lie in disjoint areas or in areas that overlap one another.
  • pressure levels include, for example, unavoidable or expected pressure drops.
  • temperature levels With the one given here in cash
  • Pressure levels are absolute pressures.
  • the high-pressure column and the low-pressure column (or, in the context of the present invention, its first section) of an air separation plant are in heat-exchanging connection via a so-called main condenser.
  • Main capacitor can in particular in a lower (sump) area of the
  • Low pressure column (or here from its first section) can be arranged.
  • it is a so-called internal main condenser and the evaporation space of the main condenser is also the interior of the
  • the main condenser can basically be arranged outside the interior of the high-pressure column, that is to say a so-called external main condenser.
  • the main capacitor and the top capacitor of an argon discharge column used in the present invention can each be used as
  • Condenser evaporator be formed.
  • a "condenser evaporator” is a heat exchanger in which a first, condensing fluid stream enters into indirect heat exchange with a second, evaporating fluid stream.
  • Each condenser evaporator has a liquefaction space and one
  • Evaporation and liquefaction space are formed by groups of passages that are in heat exchange relationship with each other.
  • the main condenser can be designed in particular as a single-storey or multi-storey bath evaporator, in particular as a cascade evaporator (as described, for example, in EP 1 287 302 B1), or else as a falling-film evaporator. It can be done by a single heat exchanger block or by several heat exchanger blocks in one common pressure vessel are arranged, are formed.
  • the present invention is expressly not limited to corresponding types of
  • a distillation column system of an air separation plant is arranged in one or more cold boxes.
  • a "cold box” is understood here to mean an insulating sheath that covers a heat-insulated interior except for bushings
  • Plant parts to be insulated are arranged in the interior, for example one or more
  • Distillation columns and / or heat exchangers Distillation columns and / or heat exchangers.
  • the insulating effect can be brought about by appropriate design of the outer walls and / or by filling the space between the system parts and outer walls with an insulating material.
  • a powdery material such as pearlite is preferably used.
  • Both the distillation column system of a plant for the low-temperature separation of air as well as the main heat exchanger and other cold plant parts are enclosed in conventional air separation plants by one or more cold boxes.
  • the external dimensions of the cold box usually determine the transport dimensions for prefabricated systems.
  • a "main heat exchanger" of an air separation plant is used to cool the feed air in indirect heat exchange with return flows from the
  • Distillation column system It can be formed from a single or a plurality of heat exchanger sections connected in parallel and / or in series, for example from one or more plate heat exchanger blocks. Separate heat exchangers, which are used specifically for the evaporation or pseudo-evaporation of a single liquid or supercritical fluid, without heating and / or evaporation of another fluid, are not part of the main heat exchanger.
  • a “subcooler” or “subcooling counterflow” is a heat exchanger used here, through which gaseous and liquid material flows in an air separation plant are subjected to heat exchange, which is taken from the rectification column system and after the heat exchange partially or completely in the
  • the present invention is based on the knowledge that an arrangement of an argon discharge column in a distillation column system of an air separation plant, which has a two-part low-pressure column, which is significantly different from the state of the art, allows an air separation process to be designed particularly efficiently and, in particular, a corresponding air separation plant can be produced particularly simply and inexpensively.
  • Argon discharge columns make it possible to prefabricate and transport them to the respective place of use.
  • the advantages of the present invention are not limited to the improved arrangement and transportability of the components in cold boxes, but in particular also include the simple creation of a corresponding air separation plant by dispensing with extensive ones Piping, as is typically required in a different, conventional arrangement of an argon discharge column.
  • An essential aspect of a particularly preferred embodiment of the present invention in addition to the already mentioned division of the low-pressure column, is to place an argon discharge column in the open state on the lower section of a corresponding two-part low-pressure column.
  • the “lower” or “first” section of a two-part low-pressure column is understood to mean the section in the sump of which, as in the sump of a conventional one-piece low-pressure column, an oxygen-rich liquid is formed.
  • the “lower” or “first” section of a two-part low-pressure column is understood to mean the section in the sump of which, as in the sump of a conventional one-piece low-pressure column, an oxygen-rich liquid is formed.
  • Argon discharge column can also be connected via lines to the lower section of the two-part low-pressure column.
  • the argon discharge column is arranged above the lower part of the low pressure column.
  • the lower or first section of a corresponding two-part low-pressure column can in all cases be connected to the high-pressure column as a structural unit.
  • the first or lower section of the two-part low-pressure column there is in particular also the high-pressure column and the low-pressure column
  • the "second" or “upper” section of the two-part low-pressure column is the one in which a nitrogen-rich head gas is formed on the head side, which acts as a corresponding (low-pressure)
  • the division of the low-pressure column in the context of the present invention is such that a maximum of the argon concentration results in an upper region or at the head of the first or lower section of the two-part low-pressure column, corresponding to the range of the maximum argon concentration in a conventional one-part
  • the arrangement of the high-pressure column, the first section of the low-pressure column and the argon discharge column proposed according to the invention allows a correspondingly created structural unit, in particular one that is still transportable Coldbox introduced, therefore a corresponding air separation plant is prefabricated and, if necessary, a corresponding coldbox can be brought to the respective place of use.
  • the other components in the cold part of the air separation plant ie in particular the second section of the low-pressure column and possibly a subcooling counterflow, can be outsourced to at least one second cold box, which likewise typically does not exceed the maximum sizes for any transport to the place of use.
  • a particularly advantageous embodiment of the present invention results when the second section of the low-pressure column is moved into a cold box and the lines used for the piping of the separation units mentioned, in particular together with a subcooler, are moved to another cold box.
  • the distillation column system comprises a first separation unit (corresponding to the high-pressure column of a conventional air separation plant), a second separation unit (corresponding to the first or lower section of a two-part system)
  • Low pressure column Low pressure column
  • a third separation unit corresponding to the argon discharge column
  • a fourth separation unit corresponding to the second or upper section of a two-part low pressure column.
  • Compressed and cooled air is fed into the first separation unit, but not necessarily only into this, within the scope of the present invention.
  • Corresponding air can be compressed using known measures, in particular using a main air compressor and possibly one or more secondary compressors, boosters and the like. Within the scope of the present invention, it is prepared using measures which are also known, i.e. especially freed of water and carbon dioxide. Within the scope of the present invention, different measures for air treatment and cooling as well as for the further treatment of this air can be used.
  • one or more expansion valves, boosters, turbines and the like can also be used, as are known in principle from the field of air separation.
  • expansion valves boosters, turbines and the like
  • the first separation unit is operated at a first pressure level of 4 to 9 bar, in particular 4 to 8 bar absolute pressure, For example, a pressure level of approximately 5.3 bar absolute pressure, which corresponds to the normal operating pressure of a high-pressure column in an air separation plant.
  • the second, the third and the fourth separation unit are operated in the context of the present invention, however, at a common second pressure level, which in the context of the present invention is 1 to 3 bar, in particular 1 to 2 bar absolute pressure, i.e. the typical pressure level of a low pressure column corresponds to an air separation plant.
  • the second pressure level can be, for example, approximately 1.4 bar absolute pressure.
  • the first separating unit as is known in this respect for high-pressure columns of air separation plants, is used to contain an oxygen-enriched and nitrogen-depleted first argon
  • the first bottoms liquid is partially or completely transferred to the fourth separation unit and the first overhead gas is partially or completely liquefied and returned to the first separation unit.
  • a main condenser which in the present case connects the first separation unit and the second separation unit in a heat-exchanging manner. Further details on a corresponding main capacitor are explained below.
  • the present invention is not limited to only the first
  • further overhead gas can also be liquefied and in particular as a liquid air product, without or with subsequent evaporation or conversion into the supercritical state, as a product from the
  • liquefied first overhead gas can be fed in as a return to the fourth separation unit, in particular after the corresponding liquefied overhead gas has previously been passed through a Hypothermia counterflow was performed.
  • Un liquefied overhead gas can also be drawn off from the top of the first separation unit and, for example, as
  • discharged head gas of the high pressure column can be enlarged.
  • an oxygen-rich second bottom liquid and a second top gas enriched in argon are formed by means of the second separation unit.
  • This may, for example, have an argon content of 5 to 15% and essentially oxygen in the rest.
  • the second separation unit in the context of the present invention essentially corresponds to the lower section or first section of a two-part low-pressure column or the lower part of a classic, one-part low-pressure column up to
  • a corresponding design of the second separation unit enables advantageous argon removal in the third separation unit.
  • a second portion of the second overhead gas is transferred to the third separation unit and a second portion to the fourth separation unit.
  • the fourth separation unit corresponds to the conventional second or upper section of a two-part low-pressure column
  • the third separation unit is essentially intended to discharge argon.
  • the third separation unit can be designed as a structural unit together with the second separation unit within the scope of the present invention. In this case, it is therefore not necessary to remove the appropriate fluid from the low-pressure column and to transfer it to an argon discharge column.
  • the second overhead gas is instead transferred, in particular without deflection, to the third separation unit. In this embodiment, the transfer takes place in particular without a wire.
  • the third separation unit has separation zones which can be formed using known separation devices, in particular ordered or disordered packings or trays.
  • the third separation unit can be designed in a known manner, the third separation unit corresponding to an argon discharge column, which, however, is open in the lower area with respect to the second separation unit.
  • a fourth bottom liquid and a fourth top gas are formed by means of the fourth separation unit and the fourth bottom liquid is partly or completely returned to the second separation unit.
  • the fourth separation unit is arranged next to the first (and thus possibly also the second) separation unit, which is why a suitable pump is used in particular for the transfer of the fourth bottom liquid to the second separation unit.
  • the second separation unit that is to say the first or lower section of the low-pressure column
  • the third separation unit has 10 to 60 theoretical plates, in particular 15 to 30 theoretical plates.
  • the second separation unit is therefore the section of a low-pressure column that contains the typical oxygen section or corresponding separation devices of such a column
  • the third separation unit is, as already explained several times, as an argon discharge column.
  • the third separation unit can in particular have a diameter that is at most 80%, 70%, 60% or 50% of a diameter of the second separation unit.
  • Separation unit (in the sense of the above explanations) is arranged above the second separation unit, in particular exactly above this, and that the third
  • Separating unit opens in a lower area, in particular in a tapered manner, towards an upper area of the second separating unit, or that the third separating unit is connected to the second separating unit via pipelines which run between an upper area of the second separating unit and a lower area of the third separating unit.
  • a non-tapered opening of the third separation unit understood that a column jacket of the third separation unit has no constriction compared to a column jacket of the second separation unit.
  • the third separation unit can have a smaller cross section than the second separation unit, and the entire cross section of the third separation unit can allow an inflow of the first portion of the second
  • Head gas are available in the third separation unit. In contrast to
  • Argon discharge column is arranged next to the distillation column system formed from high and low pressure column, no transfer of corresponding fluids by means of pumps, lines and the like is required in the context of the present invention, even if between the upper region of the second
  • Separation unit and the lower region of the third separation unit in one embodiment lines. Rather, second overhead gas can rise from the second separation unit essentially unhindered into the third separation unit and liquid from the third separation unit can flow off into the second separation unit essentially unhindered. This can take place when the third separation unit opens in the lower area relative to the upper area of the second separation unit, in particular without deflection or without a cable.
  • second overhead gas can rise from the second separation unit essentially unhindered into the third separation unit and liquid from the third separation unit can flow off into the second separation unit essentially unhindered. This can take place when the third separation unit opens in the lower area relative to the upper area of the second separation unit, in particular without deflection or without a cable.
  • first and second separation units are also arranged one above the other in the context of the present invention, as is moreover also evident from the foregoing and those which follow
  • the argon discharge column used in the context of the present invention can also have a top condenser which can be cooled with oxygen-enriched liquid from the high-pressure column, in this case the first bottom liquid.
  • Corresponding liquid which is partially evaporated during cooling, can then be fed into the fourth separation unit, in particular at different heights.
  • the corresponding currents are advantageously outside the fourth separation unit
  • Main condensers that is to say as condensers, which connect the first separation unit and the second separation unit to one another in an heat-exchanging manner, in particular falling film or cascade evaporators, in particular multi-storey cascade evaporators of the type explained above.
  • the present invention is expressly not applicable to such forms of
  • the compressed and cooled air which is fed into the first separation unit can in particular comprise a gaseous and a liquefied feed air stream, which are each fed into the first separation unit at the first pressure level.
  • This can be a gaseous
  • Feed air flow at a first feed position and a liquid feed air flow at a second feed position are fed into the first separation unit, the first feed position being below the second feed position, with no separation devices typically being provided in the first separation unit below the first feed position, the second feed position advantageously lies above a liquid retention device from which a liquid stream can be withdrawn from the first separation unit, and the second
  • Feed position is above a separation unit or a separation area of the first separation device. It should be expressly emphasized that in the context of the present invention, feed air can also be fed into the first separation unit, for example in two phases, in a common line. The formation of appropriate
  • Separating unit and the second separating unit are structurally connected to one another and can be arranged within a common column casing, wherein the common column casing can also be structurally connected to the third separating unit.
  • a common column jacket in the sense of the present invention can in particular be a common cylindrical outer container, so that the first separation unit and the second separation unit within the scope of the present invention have the same Cross section can be made. Assigns the high pressure column or first
  • Separating unit has a smaller diameter than the first section of the
  • Low pressure column or the second separation unit is typically not
  • the column jacket of the high-pressure column is attached to the lower side of the column jacket of the foot section of the low-pressure column.
  • the first and the second separation unit have separate, but interconnected column jackets. Different cross sections can therefore also be used in principle.
  • the third separation unit has in particular a smaller cross-section than the first and / or the second separation unit and therefore does not have to be arranged within this common cylindrical column jacket, but is when the third separation unit opens in the lower area relative to the upper area of the second separation unit , connected to the common column jacket of the first and second separation unit or the column jacket of the second separation unit,
  • the fourth separation unit is advantageously not structurally connected to the first, the second and the third separation unit, but is only connected to the first, the second and the third separation unit via piping or lines. In this way, the first, the second and the third separation unit on the one hand and the fourth separation unit on the other hand can be in different positions
  • the fourth separation unit can also have a smaller, but also a larger cross-section than the second separation unit. she can
  • the first portion of the second top gas has in particular 20 to 50 percent by volume and the second portion of the second top gas has 50 to 80 percent by volume (in particular the rest) second head gas.
  • the fourth separation unit is arranged next to the first separation unit and in particular in a separate cold box. In this way, the overall height of a corresponding air separation plant is reduced overall.
  • the fourth sump liquid is used in the second using a transfer pump or at least two transfer pumps arranged in parallel
  • Separation unit is fed back, and in particular is applied to the second separation unit as a liquid return at the top of the second separation unit.
  • two pumps can be operated in parallel and a third can be provided for reasons of redundancy.
  • the use of two transfer pumps arranged in parallel enables a particularly simple construction because pumps of corresponding sizes are available as standard.
  • a corresponding transfer pump is provided in order to overcome the height difference between the second separation unit and the fourth separation unit or vice versa.
  • the second portion of the second top gas can advantageously be introduced into the fourth by a minimal pressure difference between the second separation unit and the fourth separation unit
  • the arrangement of the fourth separation unit next to the first separation unit is in particular such that a lower termination of the fourth separation unit does not exceed eight meters, in particular not more than seven, six or five meters, for example one to four meters, above a lower termination first separation unit is arranged.
  • a "lower degree" is that part of the
  • Separation unit is a column sump that delimits the column interior. However, lines can still lead out of this.
  • the fourth separation unit is arranged in particular on a frame with the stated height in order to ensure a sufficient holding pressure height for the pump (s) used. With such an arrangement, a particularly compact air separation plant with limited vertical expansion can be created.
  • the first separation unit, the second separation unit and the third separation unit are advantageously arranged in a common cold box and the fourth separation unit is arranged in a further cold box.
  • the first separating unit, the second separating unit and the third separating unit on the one hand and the fourth separating unit on the other hand are connected to one another and / or to other apparatuses by means of piping. At least part of this piping can run vertically. At least part of such piping can be separated from the two cold boxes in which the first
  • Separation unit, the second separation unit and the third separation unit on the one hand and the fourth separation unit on the other hand are arranged in an additional cold box, here referred to as "piping cold box", which can be prefabricated.
  • piping cold box an additional cold box, here referred to as "piping cold box”
  • the provision of a corresponding piping cold box makes it possible to reduce the dimensions of the other two cold boxes accordingly and, in particular, to make them (better) transportable.
  • a large part of the instrumentation, valves, etc. can also be accommodated in the piping gold box. For example, it can contain at least 50, 60, 70 or 80% of the line length of the lines forming the piping.
  • Air separation plant the cold boxes are connected to each other and thus a piping is produced. It is particularly advantageous if one
  • Piping gold box also one provided in the air separation plant
  • Piping can be arranged in a particularly favorable manner.
  • the first sump liquid regardless of whether it is arranged in a further cold box or not, is first passed through a corresponding countercooling counterflow and then fed into the fourth separation unit at a first feed position. It can also be provided in the vicinity, preferably directly below the feed position of a liquid feed air stream into the first
  • Separation unit withdraw a liquid stream from the first separation unit, pass through the countercooling countercurrent, and feed into the fourth separation unit at a second feed position.
  • Separation unit is advantageously above the first feed position in the fourth separation unit and is advantageously separated from the latter by at least one separation section.
  • a liquid air product in particular can be removed from the distillation column system, increased in pressure in the liquid state, converted into the gaseous or supercritical state by heating, and discharged from the air separation plant.
  • the present invention can therefore in particular in connection with a so-called internal compression of
  • Air products are used.
  • Distillation column system further material flows are taken and made available as air products.
  • a gaseous material stream can be removed from the fourth separation unit, passed through the supercooling countercurrent and carried out as so-called impure nitrogen from the distillation column system.
  • a removal point from the fourth separation unit is advantageously above the second feed position in the fourth separation unit.
  • a liquid stream can be removed from an upper region of the fourth separation unit and made available as a liquid nitrogen product. It is also possible, in an upper region of the fourth separation unit, to withdraw a gaseous, nitrogen-rich stream through which
  • the invention also extends to an air separation plant with a
  • Distillation column system comprising a first separation unit, a second separation unit, a third separation unit and a fourth separation unit as set out in the corresponding independent claim.
  • Figure 1 illustrates a distillation column system of an air separation plant according to an embodiment of the present invention in partial representation.
  • Figure 1 shows a distillation column system of an air separation plant, which is set up for operation according to an embodiment of the present invention, in a greatly simplified partial representation. That illustrated in Figure 1
  • Distillation column system is designated 100 in total. It is provided in an air separation plant 200, which is only indicated here.
  • the components of the distillation column system 100 illustrated in FIG. 1 comprise a first separation unit 110, a second separation unit 120, a third separation unit 130 and a fourth separation unit 140, a main condenser 150, a supercooling counterflow 160, a transfer pump 170, a
  • Internal compression pump 180 and a head condenser 190 Internal compression pump 180 and a head condenser 190.
  • the first separation unit 110 corresponds to a high-pressure column of a conventional air separation plant.
  • the first separation unit is on a corresponding one
  • first pressure level operated.
  • Separation unit 120 and the fourth separation unit 140 correspond to a first section and a second section of a low pressure column of a conventional one
  • Second pressure level operated.
  • Separation unit 130 represents an argon discharge column. It is also operated at the second pressure level.
  • the first separation unit 110 and the second separation unit 120 are in heat-exchanging connection via the main condenser 150, as will also be explained below.
  • the first separating unit 110 and the second separating unit 120 are furthermore arranged, in particular within a common column jacket and in the sense explained above, one above the other, in particular directly one above the other.
  • the top capacitor 190 is arranged at the top of the third Separating unit 130.
  • the third separation unit (130) opens in a lower area relative to an upper area of the second separation unit (120).
  • the third separation unit (130) may be connected to the second separation unit (120) via pipelines which run between an upper region of the second separation unit (120) and a lower region of the third separation unit (130). This is not illustrated separately.
  • Feed air stream 1 and a liquefied feed air stream 2 are provided.
  • Main heat exchangers of a known type can be used.
  • the feed air streams 1 and 2 are fed into the first separation unit 110 at feed positions 11 1 and 1 12, respectively.
  • an oxygen-enriched and nitrogen-depleted and argon-containing bottoms liquid and a nitrogen-enriched and oxygen-depleted top gas are formed at the first pressure level.
  • the bottom liquid is drawn off from the first separation unit 110 in the form of a stream 3.
  • the top gas is drawn off in the form of a stream 4 from the first separation unit 110.
  • Liquid in the form of a material flow 5 from the first separation unit 110 is carried out directly below the feed position 1 12 for the feed air flow 2.
  • the material flow 3 is passed through the supercooling counterflow 160 and partly fed into the fourth separation unit 140 in the form of a material flow 31 at a feed position 141. Another part is in the form of a material flow 32 in one
  • Evaporation space of the top condenser 190, a liquid stream 33 and a gaseous stream 34 are drawn off and likewise fed into the fourth separation unit 140, in particular at different heights.
  • the stream 4 is also divided into two sub-streams 41 and 42.
  • the first partial flow 41 is in the Main condenser 150 partially or completely liquefied.
  • a first portion 411 of the first partial flow 41 is fed back to the first separation unit 110 at a feed position 113 as a return.
  • a second portion 412 of the first partial flow 41 is passed through the supercooling counterflow 160 and is fed as return to the fourth separation unit 140.
  • the partial flow 42 is called gaseous
  • Nitrogen pressure product from the distillation column system 100 executed.
  • the material flow 5 is passed through the supercooling counterflow 160 and fed into the fourth separation unit 140 at a feed position 142.
  • an oxygen-rich bottom liquid and an overhead gas enriched with argon are formed in the second separation unit 120.
  • the bottom liquid is drawn off from the second separation unit 120 in the form of a stream 6.
  • a first partial flow 61 of the material flow 6 is increased in pressure in the internal compression pump 180 in the liquid state, converted into the gaseous or supercritical state by heating (not illustrated separately in FIG. 1) and carried out as an internally compressed oxygen pressure product.
  • a second partial flow 62 of the material flow 6 is after partial passage through the supercooling counterflow 160 and
  • the top gas of the second separation unit 120 partly rises into the third separation unit 130, which is arranged above the second separation unit 120 and which, in particular, does not taper to the second in a lower region
  • Separation unit 120 opens. Another part of the overhead gas is in the form of a
  • the material flow 7 is fed into a lower region of the fourth separation unit 140 at a feed position 143.
  • a top gas is formed which contains at least the major part of the argon, which was previously in the third separation unit 130.
  • Distillation column system 100 feed air was included. This overhead gas from the third separation unit 130 is drawn off in the form of a stream 8. Liquid trickling down from the third separation unit 130, which is depleted of argon in this way or is (essentially) free of argon, passes directly back to the second separation unit 120
  • a sump liquid and a top gas are formed in the fourth separation unit 140.
  • the bottom liquid is drawn off in the form of a material flow 9 from the fourth separation unit 140 and by means of the transfer pump 170 as a return to the second
  • Separation unit 120 is fed back and fed into the second separation unit 120 at an infeed position 114.
  • a material stream 10, so-called impure nitrogen, is removed from the fourth separation unit, passed through the supercooling counterflow 160 and carried out from the distillation column system 100.
  • Liquid nitrogen product provided. Will not be gaseous
  • a corresponding separation section in the fourth separation unit 14 can be omitted and all overhead gas can be removed as impure nitrogen according to the material flow 10.
  • the first separation unit 110, the second separation unit 120 and the third separation unit 130, on the one hand, and the fourth separation unit 140, on the other hand are each provided in a cold box A and B, and with one another and / or with other devices like that
  • Hypothermia counterflow 160 and the main heat exchanger, not shown, are connected to one another by means of lines or piping, here combined with 20.
  • the piping runs vertically, at least in sections. At least part of such piping 20 can be separate from the two cold boxes A and B, in which the first separation unit 110, the second separation unit 120 and the third
  • Separation unit 130 on the one hand and the fourth separation unit 140 on the other hand are arranged in an additional cold box C.
  • This additional cold box C for piping can also contain subcooler 160 in particular.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem (100), das eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Trenneinheit (110-140) aufweist. In die erste Trenneinheit (110) wird verdichtete und abgekühlte Luft eingespeist wird, die erste Trenneinheit (110) wird auf einem ersten Druckniveau von 4 bis 9 bar Absolutdruck betrieben, die zweite, die dritte und die vierte Trenneinheit (120-140) werden auf einem zweiten Druckniveau von 1 bis 3 bar Absolutdruck betrieben, mittels der ersten Trenneinheit (110) werden eine an Sauerstoff angereicherte und an Stickstoff abgereicherte, Argon enthaltende erste Sumpfflüssigkeit und ein an Stickstoff angereichertes und an Sauerstoff abgereichertes erstes Kopfgas gebildet, die erste Sumpfflüssigkeit wird zumindest teilweise in die vierte Trenneinheit (130) überführt, das erste Kopfgas wird zumindest teilweise verflüssigt und auf die erste Trenneinheit (110) zurückgeführt, mittels der zweiten Trenneinheit (120) werden eine sauerstoffreiche zweite Sumpfflüssigkeit und ein an Argon angereichertes zweites Kopfgas gebildet, das zweite Kopfgas wird zu einem ersten Anteil in die dritte Trenneinheit (130) und zu einem zweiten Anteil in die vierte Trenneinheit (140) überführt, mittels der dritten Trenneinheit (130) wird zumindest der überwiegende Teil des Argons, das in einer dem Destillationssäulensystem (100) insgesamt zugeführten Luftmenge enthalten ist, abgetrennt und mittels der dritten Trenneinheit (130) wird ein flüssiger Rücklauf auf die zweite Trenneinheit (120) bereitgestellt, mittels der vierten Trenneinheit (140) werden eine vierte Sumpfflüssigkeit und ein viertes Kopfgas gebildet werden, und die vierte Sumpfflüssigkeit wird zumindest teilweise auf die zweite Trenneinheit (120) zurückgeführt. Die zweite Trenneinheit (120) weist 10 bis 50 theoretische Böden auf, die dritte Trenneinheit (130) weist 10 bis 60 theoretische Böden auf, die dritte Trenneinheit (130) ist oberhalb der zweiten Trenneinheit (120) angeordnet und die vierte Trenneinheit (140) ist neben der ersten Trenneinheit (110) angeordnet. Die dritte Trenneinheit (130) öffnet sich in einem unteren Bereich gegenüber einem oberen Bereich der zweiten Trenneinheit (120), oder die dritte Trenneinheit (130) ist über Rohrleitungen, die zwischen einem oberen Bereich der zweiten Trenneinheit (120) und einem unteren Bereich der dritten Trenneinheit (130) verlaufen, mit der zweiten Trenneinheit (120) verbunden. Eine entsprechende Anlage (200) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anlage zur Tieftemperaturzerlequnq von Luft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine entsprechende Anlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und
beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den
Destillationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Destillationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung, können Destillationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Die Destillationssäulen der genannten Destillationssäulensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelsäulensysteme weisen eine sogenannte Hochdrucksäule (auch als Drucksäule, Mitteldrucksäule oder untere Säule bezeichnet) und eine sogenannte Niederdrucksäule (auch als obere Säule bezeichnet) auf. Die Hochdrucksäule wird typischerweise auf einem Druckniveau von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die Niederdrucksäule wird auf einem Druckniveau von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1 ,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in der Niederdrucksäule auch höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Säulen.
In bekannten Verfahren und Anlagen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft wird in einem unteren Bereich der Hochdrucksäule eine an Sauerstoff angereicherte und an Stickstoff abgereicherte Flüssigkeit gebildet und aus der Hochdrucksäule abgezogen. Diese Flüssigkeit, die insbesondere auch Argon enthält, wird zumindest zum Teil in die Niederdrucksäule eingespeist und dort weiter aufgetrennt. Sie kann vor der
Einspeisung in die Niederdrucksäule teilweise oder vollständig verdampft werden, wobei ggf. verdampfte und unverdampfte Anteile an unterschiedlichen Positionen in die Niederdrucksäule eingespeist werden können.
Die vorliegende Erfindung geht von einem Verfahren bzw. einer entsprechenden Anlage aus, in dem bzw. der eine Hoch- und eine Niederdrucksäule verwendet wird.
Die Niederdrucksäule ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch nicht einteilig ausgebildet, sondern in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt unterteilt, wobei der erste und der zweite Abschnitt an unterschiedlichen Positionen der
Luftzerlegungsanlage und in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind und
insbesondere in Draufsicht auf eine Säulenlängsachse nicht aufeinander projizieren. Der erste und der zweite Abschnitt der Niederdrucksäule werden jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einem gemeinsamen Druckniveau betrieben. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte, in zwei Abschnitte unterteilte
Niederdrucksäule unterscheidet sich damit von ebenfalls bekannten Anordnungen, bei denen neben der Hoch- und der Niederdrucksäule eine weitere Säule zur Trennung von Stickstoff und Sauerstoff bereitgestellt ist, welche jedoch auf einem Druckniveau betrieben wird, das zwischen den Druckniveaus liegt, auf denen die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule betrieben werden.
Zur Argongewinnung können Luftzerlegungsanlagen mit Roh- und Reinargonsäulen eingesetzt werden. Ein Beispiel ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A veranschaulicht und ab Seite 26 im Abschnitt "Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column" sowie ab Seite 29 im Abschnitt "Cryogenic Production of Pure Argon" beschrieben. Wie dort erläutert, reichert sich Argon in entsprechenden Anlagen in einer bestimmten Höhe in der Niederdrucksäule an. An dieser oder an einer anderen günstigen Stelle, ggf. auch unterhalb des Argonmaximums, dem sogenannten
Argonübergang, kann aus der Niederdrucksäule an Argon angereichertes Gas mit einer Argonkonzentration von typischerweise 5 bis 15 Molprozent abgezogen und in die Rohargonsäule überführt werden. Ein entsprechendes Gas enthält typischerweise ca. 100 ppm Stickstoff und ansonsten im Wesentlichen Sauerstoff. Die Rohargonsäule dient im Wesentlichen dazu, den Sauerstoff aus dem aus der Niederdrucksäule abgezogenen Gas abzutrennen. Der in der Rohargonsäule abgetrennte Sauerstoff bzw. ein entsprechendes sauerstoffreiches Fluid kann flüssig in die Niederdrucksäule zurückgeführt werden. Der Sauerstoff bzw. das sauerstoffreiche Fluid wird dabei typischerweise mehrere theoretische oder praktische Böden unterhalb der Einspeisestelle für die aus der Hochdrucksäule abgezogene, an Sauerstoff angereicherte und an Stickstoff abgereicherte und ggf. teilweise oder vollständig verdampfte Flüssigkeit in die Niederdrucksäule eingespeist. Eine bei der Trennung in der Rohargonsäule verbleibende gasförmige Fraktion, die im Wesentlichen Argon und Stickstoff enthält, wird in der Reinargonsäule unter Erhalt von Reinargon weiter aufgetrennt. Die Roh- und die Reinargonsäule weisen Kopfkondensatoren auf, die insbesondere mit einem Teil der aus der Hochdrucksäule abgezogenen, an Sauerstoff angereicherten und an Stickstoff abgereicherten Flüssigkeit gekühlt werden können, welche bei dieser Kühlung teilweise verdampft. Auch andere Fluide können zur Kühlung eingesetzt werden.
Grundsätzlich kann in entsprechenden Anlagen auch auf eine Reinargonsäule verzichtet werden, wobei hier typischerweise sichergestellt wird, dass der
Stickstoffgehalt am Argonübergang unter 1 ppm liegt. Argon gleicher Qualität wie aus einer herkömmlichen Reinargonsäule wird in diesem Fall aus der Rohargonsäule etwas weiter unterhalb als das herkömmlicherweise in die Reinargonsäule überführte Fluid abgezogen, wobei die Böden im Abschnitt zwischen dem Rohargonkondensator, also dem Kopfkondensator der Rohargonsäule, und einem entsprechenden Abzug als Sperrböden für Stickstoff dienen.
Wie bei Häring (s.o.) unter Bezugnahme auf Figur 2.4A ausgeführt, übt Argon, wenngleich es in atmosphärischer Luft mit einem Gehalt von weniger als 1 Molprozent enthalten ist, einen starken Einfluss auf das Konzentrationsprofil in der
Niederdrucksäule aus. So kann die Trennung im untersten Trennabschnitt der Niederdrucksäule, der typischerweise 30 bis 40 theoretische oder praktische Böden umfasst, als im Wesentlichen binäre Trennung zwischen Sauerstoff und Argon angesehen werden. Erst ab der Ausspeisestelle für das in die Rohargonsäule überführte Gas geht die Trennung innerhalb weniger theoretischer oder praktischer Böden in eine ternäre Trennung von Stickstoff, Sauerstoff und Argon über. Auch in einer entsprechenden Anlage bzw. einem entsprechenden Verfahren keine Gewinnung von Argon vorgenommen werden soll, kann es sich daher als vorteilhaft erweisen, Argon aus der Niederdrucksäule auszuschleusen. Wie erwähnt, erfolgt bei Einsatz einer Rohargonsäule eine entsprechende Argonausschleusung, weil an Argon angereichertes Gas aus der Niederdrucksäule in die Rohargonsäule überführt, aber im Wesentlichen nur der in diesem Gas enthaltene Sauerstoff in die Niederdrucksäule zurückgeführt wird. Das mit einem entsprechend entnommenen Gas ausgeleitete Argon wird der Niederdrucksäule hingegen dauerhaft entzogen.
Unter einer "Argonausschleusung" wird hier allgemein eine Maßnahme verstanden, bei aus der Niederdrucksäule ein Argon enthaltendes Fluid in eine weitere Trenneinheit überführt und nach einer Abreicherung an Argon teilweise oder vollständig aus der weiteren Trenneinheit in die Niederdrucksäule zurückgeführt wird. Die klassische Art der Argonausschleusung besteht in der Verwendung einer Rohargonsäule. Es können jedoch auch nachfolgend erläuterte Argonausschleussäulen verwendet werden.
Der vorteilhafte Effekt der Argonausschleusung ist darauf zurückzuführen, dass die Trennung von Sauerstoff und Argon für die ausgeschleuste Argonmenge in der Niederdrucksäule nicht mehr erforderlich ist, sondern diese binäre Trennung aus der Niederdrucksäule ausgelagert werden kann. Die Trennung von Sauerstoff und Argon in der Niederdrucksäule selbst ist grundsätzlich aufwendig und verlangt nach einer entsprechenden "Heiz"-Leistung des Hauptkondensators. Durch die Ausschleusung von Argon aus der Niederdrucksäule kann die Heizleistung des Hauptkondensators reduziert werden. Daher kann, bei gleichbleibender Ausbeute an Sauerstoff, beispielsweise entweder mehr Luft in die Niederdrucksäule eingeblasen oder mehr Druckstickstoff aus der Hochdrucksäule entnommen werden, was wiederum jeweils energetische Vorteile bieten kann.
In einer herkömmlichen Rohargonsäule wird, wie erläutert, Rohargon gewonnen und in einer nachgeschalteten Reinargonsäule zu Reinargon aufbereitet. Eine
Argonausschleussäule dient hingegen vornehmlich zur Argonausschleusung zu dem erläuterten Zweck der Verbesserung der Trennung in der Niederdrucksäule.
Grundsätzlich kann hier unter einer "Argonausschleussäule" eine Trennsäule zur Trennung von Sauerstoff und Argon verstanden werden, die nicht zur Gewinnung eines reinen Argonprodukts, sondern im Wesentlichen zur Ausschleusung von Argon aus der Niederdrucksäule dient.
Der Aufbau einer Argonausschleussäule unterscheidet sich grundsätzlich nur wenig von jenem einer klassischen Rohargonsäule. Allerdings enthält eine
Argonausschleussäule typischerweise deutlich weniger theoretische oder praktische Böden, nämlich weniger als 40, insbesondere zwischen 15 und 30. Zu weiteren Werten für die Bodenzahl wird auf die Ausführungen unten verwiesen. Wie bei einer herkömmlichen Rohargonsäule kann herkömmlicherweise insbesondere der
Sumpfbereich einer Argonausschleussäule mit einer Zwischenstelle der
Niederdrucksäule verbunden sein. Eine Argonausschleussäule kann insbesondere mittels eines Kopfkondensators gekühlt werden, in dem die aus der Hochdrucksäule abgezogene, an Sauerstoff angereicherte und an Stickstoff abgereicherte Flüssigkeit teilweise verdampft wird. Eine Argonausschleussäule weist typischerweise keinen Sumpfverdampfer auf. Die vorliegende Erfindung setzt eine Argonausschleussäule ein, die in der nachfolgend erläuterten Weise angeordnet ist.
In der US 5 339 648 A ist eine Luftzerlegungsanlage mit einer Hochdrucksäule und einer in einem Abschnitt vertikal unterteilten Niederdrucksäule offenbart. Ein dadurch in dem Abschnitt gebildeter Teilbereich der Niederdrucksäule kann zur
Argonausschleusung genutzt werden. Gemäß der US 5 311 744 A befindet sich eine komplette Argonsäule auf der Hochdrucksäule. Unterhalb der Argonsäule ist ein weiterer Trennabschnitt vorhanden, oberhalb dessen Fluid abgezogen und in eine Stickstoffstrippkolonne eingespeist wird. Die FR 2 739 438 A1 offenbart ein
Destillationssäulensystem mit einer zweiteiligen Niederdrucksäule, wobei eine
Argonsäule neben dieser Anordnung steht.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Einsatz von Argonausschleussäulen zu verbessern und insbesondere die Anordnung der eingesetzten Destillationssäulen vorteilhafter zu gestalten.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine entsprechende Anlage mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung näher erläutert und nachfolgend verwendete Begriffe definiert.
Die in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus", beschrieben. Sofern die nachfolgenden Definitionen nicht hiervon abweichen, wird daher zum Sprachgebrauch, der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, ausdrücklich auf die zitierte Fachliteratur verwiesen.
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", "Stickstoff" oder "Argon" die Rede, sei hierunter auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, die bzw. das 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.
Die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule (bzw. im Rahmen der vorliegenden Erfindung deren erster Abschnitt) einer Luftzerlegungsanlage stehen über einen sogenannten Hauptkondensator in wärmetauschender Verbindung. Der
Hauptkondensator kann insbesondere in einem unteren (Sumpf-)Bereich der
Niederdrucksäule (bzw. hier von deren erstem Abschnitt) angeordnet sein. In diesem Fall handelt es sich um einen sogenannten innenliegenden Hauptkondensator und der Verdampfungsraum des Hauptkondensators ist zugleich der Innenraum der
Niederdrucksäule (bzw. von deren erstem Abschnitt). Der Hauptkondensator kann jedoch grundsätzlich, also sogenannter außenliegender Hauptkondensator, außerhalb des Innenraums der Hochdrucksäule angeordnet sein.
Der Hauptkondensator und der Kopfkondensator einer Argonausschleussäule, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, können jeweils als
Kondensatorverdampfer ausgebildet sein. 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, die Verflüssigungs- bzw. Verdampfungspassagen aufweisen. 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. 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. Er kann durch einen einzigen Wärmetauscherblock oder durch mehrere Wärmetauscherblöcke, die in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sind, gebildet werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch ausdrücklich nicht auf entsprechende Typen von
Kondensatorverdampfern bzw. Kondensatoren beschränkt.
Ein Destillationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage ist in einer oder mehreren Coldboxen angeordnet. Unter einer "Coldbox" wird hier eine isolierende Umhüllung verstanden, die einen wärmeisolierten Innenraum bis auf Durchführungen für
Leitungen und dergleichen vollständig mit Außenwänden umfasst. In dem Innenraum sind zu isolierende Anlagenteile angeordnet, beispielsweise ein oder mehrere
Destillationssäulen und/oder Wärmetauscher. Die isolierende Wirkung kann durch entsprechende Ausgestaltung der Außenwände und/oder durch die Befüllung des Zwischenraums zwischen Anlagenteilen und Außenwänden mit einem Isoliermaterial bewirkt werden. Bei der letzteren Variante wird vorzugsweise ein pulverförmiges Material wie zum Beispiel Perlit verwendet. Sowohl das Destillationssäulensystem einer Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft als auch der Hauptwärmetauscher und weitere kalte Anlagenteile sind in üblichen Luftzerlegungsanlagen von einer oder mehreren Coldboxen umschlossen. Die Außenmaße der Coldbox bestimmen üblicherweise die Transportmaße bei vorgefertigten Anlagen.
Ein "Hauptwärmetauscher" einer Luftzerlegungsanlage dient zur Abkühlung von Einsatzluft in indirektem Wärmeaustausch mit Rückströmen aus dem
Destillationssäulensystem. Er kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, beispielsweise aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Separate Wärmetauscher, die speziell der Verdampfung oder Pseudoverdampfung eines einzigen flüssigen oder überkritischen Fluids dienen, ohne Anwärmung und/oder Verdampfung eines weiteren Fluids, gehören nicht zum Hauptwärmetauscher.
Bei einem "Unterkühler" oder "Unterkühlungsgegenströmer" (die beiden Begriffe werden nachfolgend vollständig austauschbar miteinander verwendet) handelt es sich im hier verwendeten Sprachgebrauch um einen Wärmetauscher, durch den gasförmige und flüssige Stoffströme in einer Luftzerlegungsanlage einem Wärmeaustausch miteinander unterworfen werden, welche dem Rektifikationssäulensystem entnommen und nach dem Wärmetausch teilweise oder vollständig in das
Rektifikationssäulensystem zurückgeführt werden. Die relativen räumlichen Begriffe "oben", "unten", "über", "unter", "oberhalb",
"unterhalb", "neben", "nebeneinander", "vertikal", "horizontal" etc. beziehen sich hier auf die räumliche Ausrichtung der Destillationssäulen einer Luftzerlegungsanlage im Normalbetrieb. Unter einer Anordnung zweier Destillationssäulen oder anderer Komponenten "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 Apparateteile und sich die Projektionen der beiden Apparateteile in einer horizontalen Ebene überschneiden. Insbesondere sind die beiden Apparateteile genau übereinander angeordnet, das heißt die Achsen der beiden Apparateteile verlaufen auf derselben vertikalen Geraden. In anderen Fällen, insbesondere wenn die Apparateteile unterschiedliche Durchmesser aufweisen, kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Achsen nicht übereinander anzuordnen, beispielsweise um den Apparateteil mit dem geringeren Durchmesser näher an einer Coldboxwand anzuordnen.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch eine vom Stand der Technik deutlich abweichende Anordnung einer Argonausschleussäule in einem Destillationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage, welches eine zweigeteilte Niederdrucksäule aufweist, ein Luftzerlegungsverfahren besonders effizient ausgestaltet und insbesondere eine entsprechende Luftzerlegungsanlage besonders einfach und kostengünstig erstellt werden kann.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile umfassen
insbesondere eine besonders vorteilhafte Anordenbarkeit der jeweiligen Komponenten eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Destillationssäulensystems in
unterschiedlichen Coldboxen, welche es auch bei der Verwendung von
Argonausschleussäulen ermöglicht, diese vorzufertigen und vorgefertigt zum jeweiligen Einsatzort zu transportieren. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf die verbesserte Anordenbarkeit und Transportierbarkeit der Komponenten in Coldboxen beschränkt, sondern umfassen insbesondere auch eine einfache Erstellung einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage durch Verzicht auf umfangreiche Verrohrungen, wie sie bei einer abweichenden, herkömmlichen Anordnung einer Argonausschleussäule typischerweise erforderlich ist.
Ein wesentlicher Aspekt einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht neben der bereits erwähnten Zweiteilung der Niederdrucksäule darin, eine Argonausschleussäule in unterseits geöffnetem Zustand auf den unteren Abschnitt einer entsprechenden zweigeteilten Niederdrucksäule aufzusetzen. Generell wird im Rahmen dieser Anmeldungen mit "unteren" bzw. "ersten" Abschnitt einer zweigeteilten Niederdrucksäule jener Abschnitt verstanden, in deren Sumpf sich, wie im Sumpf einer herkömmlichen einteiligen Niederdrucksäule, eine sauerstoffreiche Flüssigkeit bildet. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung kann die
Argonausschleussäule aber auch über Leitungen mit dem unteren Abschnitt der zweigeteilten Niederdrucksäule verbunden sein. In sämtlichen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist die Argonausschleussäule oberhalb des unteren Teils der Niederdrucksäule angeordnet.
Der untere bzw. erste Abschnitt einer entsprechenden zweigeteilten Niederdrucksäule kann dabei in allen Fällen mit der Hochdrucksäule als bauliche Einheit verbunden sein. Im ersten bzw. unteren Abschnitt der zweigeteilten Niederdrucksäule befindet sich insbesondere auch der die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule
wärmetauschend verbindende Hauptkondensator. Der "zweite" bzw. "obere" Abschnitt der zweigeteilten Niederdrucksäule ist hingegen jener, in dem sich kopfseitig ein stickstoffreiches Kopfgas bildet, welches als entsprechendes (Niederdruck-)
Stickstoffprodukt ausgeführt werden kann. Insbesondere ist die Zweiteilung der Niederdrucksäule im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart, dass sich in einem oberen Bereich bzw. am Kopf des ersten bzw. unteren Abschnitts der zweigeteilten Niederdrucksäule ein Maximum der Argonkonzentration ergibt, entsprechend dem Bereich der maximalen Argonkonzentration in einer herkömmlichen einteiligen
Niederdrucksäule. Dies wird insbesondere durch eine entsprechende Wahl der Anzahl der theoretischen Böden in dem ersten Teil bzw. unteren Abschnitt der
Niederdrucksäule und bekannte bauliche Maßnahmen bewirkt.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung der Hochdrucksäule, des ersten Abschnitts der Niederdrucksäule und der Argonausschleussäule kann eine entsprechend geschaffene bauliche Einheit insbesondere in eine noch transportable Coldbox eingebracht, daher eine entsprechende Luftzerlegungsanlage vorgefertigt und ggf. eine entsprechende Coldbox an den jeweiligen Einsatzort verbracht werden. Die übrigen Komponenten im kalten Teil der Luftzerlegungsanlage, d.h. insbesondere der zweite Abschnitt der Niederdrucksäule und ggf. ein Unterkühlungsgegenströmer, können in wenigstens eine zweite Coldbox ausgelagert werden, die ebenfalls typischerweise die Maximalgrößen für einen etwaigen Transport zum Einsatzort nicht überschreitet. Eine besonders vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ergibt sich, wenn der zweite Abschnitt der Niederdrucksäule in eine Coldbox und die zur Verrohrung der genannten Trenneinheiten verwendeten Leitungen, insbesondere zusammen mit einem Unterkühler, in eine weitere Coldbox ausgelagert werden.
Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem vor. Das Destillationssäulensystem umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine erste Trenneinheit (entsprechend der Hochdrucksäule einer herkömmlichen Luftzerlegungsanlage), eine zweite Trenneinheit (entsprechend dem ersten oder unteren Abschnitt einer zweigeteilten
Niederdrucksäule), eine dritte Trenneinheit (entsprechend der Argonausschleussäule) und eine vierte Trenneinheit (entsprechend dem zweiten oder oberen Abschnitt einer zweigeteilten Niederdrucksäule). In die erste Trenneinheit, nicht notwendigerweise aber nur in diese, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verdichtete und abgekühlte Luft eingespeist. Entsprechende Luft kann mittels bekannter Maßnahmen, insbesondere unter Verwendung eines Hauptluftverdichters und ggf. eines oder mehrerer Nachverdichter, Booster und dergleichen, verdichtet werden. Sie wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mittels ebenfalls bekannter Maßnahmen aufbereitet, d.h. insbesondere von Wasser und Kohlendioxid befreit. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Maßnahmen zur Luftaufbereitung und Abkühlung sowie zur weiteren Behandlung dieser Luft eingesetzt werden.
Insbesondere können auch ein oder mehrere Entspannungsventile, Booster, Turbinen und dergleichen verwendet werden, wie sie aus dem Bereich der Luftzerlegung grundsätzlich bekannt sind. Für Details wird nochmals auf die einschlägige
Fachliteratur, beispielsweise Häring (s.o.) verwiesen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die erste T renneinheit auf einem ersten Druckniveau von 4 bis 9 bar, insbesondere von 4 bis 8 bar Absolutdruck, beispielsweise einem Druckniveau von ca. 5,3 bar Absolutdruck, wie es dem normalen Betriebsdruck einer Hochdrucksäule einer Luftzerlegungsanlage entspricht, betrieben. Die zweite, die dritte und die vierte Trenneinheit werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung hingegen auf einem gemeinsamen zweiten Druckniveau betrieben, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei 1 bis 3 bar, insbesondere bei 1 bis 2 bar Absolutdruck liegt, also dem typischen Druckniveau einer Niederdrucksäule einer Luftzerlegungsanlage entspricht. Das zweite Druckniveau kann beispielsweise bei ca. 1 ,4 bar Absolutdruck liegen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird mittels der ersten Trenneinheit, wie insoweit für Hochdrucksäulen von Luftzerlegungsanlagen bekannt, eine an Sauerstoff angereicherte und an Stickstoff abgereicherte, Argon enthaltende erste
Sumpfflüssigkeit und ein an Stickstoff angereichertes und an Sauerstoff abgereichertes erstes Kopfgas gebildet. Zu weiteren Details sei auch hier auf einschlägige
Fachliteratur zur Luftzerlegung bzw. zum Betrieb von Hochdrucksäulen bekannter Luftzerlegungsanlagen verwiesen.
Die erste Sumpfflüssigkeit wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung teilweise oder vollständig in die vierte Trenneinheit überführt und das erste Kopfgas wird teilweise oder vollständig verflüssigt und auf die erste Trenneinheit zurückgeführt. Zur
Verflüssigung des ersten Kopfgases oder dessen auf die erste Trenneinheit zurückgeführten Anteils wird insbesondere ein Hauptkondensator verwendet, der im vorliegenden Fall die erste Trenneinheit und die zweite Trenneinheit wärmetauschend verbindet. Weitere Details zu einem entsprechenden Hauptkondensator sind weiter unten erläutert.
Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, nur den auf die erste
Trenneinheit zurückgeführten Anteil des ersten Kopfgases zu verflüssigen. Vielmehr kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch weiteres Kopfgas verflüssigt und insbesondere als flüssiges Luftprodukt, ohne oder mit nachfolgender Verdampfung oder Überführung in den überkritischen Zustand, als Produkt aus der
Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Ferner kann weiteres verflüssigtes Kopfgas vom Kopf der ersten Trenneinheit, also verflüssigtes erstes Kopfgas, im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Rücklauf auf die vierte Trenneinheit aufgegeben werden, insbesondere nachdem entsprechendes verflüssigtes Kopfgas zuvor durch einen Unterkühlungsgegenströmer geführt wurde. Auch unverflüssigtes Kopfgas kann vom Kopf der ersten Trenneinheit abgezogen und, beispielsweise als
Druckstickstoffprodukt, aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt werden. Wie bereits erläutert, kann durch den Einsatz einer Argonausschleussäule insbesondere erreicht werden, dass sich die Menge entsprechend aus der Luftzerlegungsanlage
ausgeschleusten Kopfgases der Hochdrucksäule vergrößern lässt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird mittels der zweiten Trenneinheit eine sauerstoffreiche zweite Sumpfflüssigkeit und ein an Argon angereichertes zweites Kopfgas gebildet. Dieses kann beispielsweise einen Argongehalt von 5 bis 15% und im verbleibenden Rest im Wesentlichen Sauerstoff aufweisen. Wie erwähnt, entspricht die zweite Trenneinheit im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen dem unteren Abschnitt bzw. ersten Abschnitt einer zweigeteilten Niederdrucksäule bzw. dem unteren Teil einer klassischen, einteiligen Niederdrucksäule bis zum
Argonmaximum. Dies wird, wie ebenfalls bereits erwähnt, durch die Wahl
entsprechender Trennmittel bzw. die Auswahl der Anzahl von Trennböden erzielt. Eine entsprechende Ausbildung der zweiten Trenneinheit ermöglicht eine vorteilhafte Argonausschleusung in der dritten Trenneinheit.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dazu das zweite Kopfgas zu einem ersten Anteil in die dritte Trenneinheit und zu einem zweiten Anteil in die vierte Trenneinheit überführt. Während die vierte Trenneinheit dem herkömmlichen zweiten bzw. oberen Abschnitt einer zweigeteilten Niederdrucksäule entspricht, ist die dritte Trenneinheit im Wesentlichen dazu vorgesehen, eine Argonausschleusung vorzunehmen. Wie nachfolgend erläutert, kann die dritte Trenneinheit im Rahmen der vorliegenden Erfindung als bauliche Einheit zusammen mit der zweiten T renneinheit ausgebildet sein. Es ist daher in diesem Fall nicht erforderlich, entsprechendes Fluid aus der Niederdrucksäule aus- und in eine Argonausschleussäule zu überführen. Das zweite Kopfgas wird stattdessen in dieser Ausgestaltung insbesondere umlenkungsfrei in die dritte Trenneinheit überführt. Die Überführung erfolgt in dieser Ausgestaltung insbesondere leitungslos.
Mittels der dritten Trenneinheit wird zumindest der überwiegende Teil des Argons, das in einer dem Destillationssäulensystem insgesamt zugeführten Luftmenge enthalten ist, abgetrennt, wobei mittels der dritten Trenneinheit ein flüssiger Rücklauf erzeugt wird, der auf die zweite Trenneinheit zurückgeführt wird. Die dritte Trenneinheit weist hierzu Trennzonen auf, die unter Verwendung bekannter Trenneinrichtungen, insbesondere geordneter oder ungeordneter Packungen oder Böden, ausgebildet sein können. Zur Dimensionierung der dritten Trenneinheit wird auf die Erläuterungen unten verwiesen. Grundsätzlich kann die dritte Trenneinheit in bekannter Art ausgebildet sein, wobei die dritte Trenneinheit einer Argonausschleussäule entspricht, die jedoch im unteren Bereich gegenüber der zweiten T renneinheit geöffnet ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden mittels der vierten T renneinheit eine vierte Sumpfflüssigkeit und ein viertes Kopfgas gebildet und die vierte Sumpfflüssigkeit wird teilweise oder vollständig auf die zweite Trenneinheit zurückgeführt. Die vierte Trenneinheit ist erfindungsgemäß neben der ersten (und damit ggf. auch der zweiten) Trenneinheit angeordnet, weshalb für die Überführung der vierten Sumpfflüssigkeit auf die zweite Trenneinheit insbesondere eine geeignete Pumpe verwendet wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist insbesondere vorgesehen, dass die zweite Trenneinheit, also der erste bzw. untere Abschnitt der Niederdrucksäule, 10 bis 50 theoretische Böden, insbesondere 20 bis 40 theoretische Böden, aufweist. Die dritte Trenneinheit weist im Rahmen der vorliegenden Erfindung 10 bis 60 theoretische Böden, insbesondere 15 bis 30 theoretische Böden, auf. Bei der zweiten Trenneinheit handelt es sich damit um den Abschnitt einer Niederdrucksäule, der den typischen Sauerstoffabschnitt bzw. entsprechende Trenneinrichtungen eines derartigen
Sauerstoffabschnitts umfasst. Die dritte Trenneinheit ist hingegen, wie bereits mehrfach erläutert, als eine Argonausschleussäule ausgebildet. Die dritte Trenneinheit kann insbesondere einen Durchmesser aufweisen, der höchstens 80%, 70%, 60% oder 50% eines Durchmessers der zweiten Trenneinheit beträgt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die dritte
Trenneinheit (im Sinne der obigen Erläuterungen) oberhalb der zweiten Trenneinheit, insbesondere genau oberhalb dieser, angeordnet ist, und dass sich die dritte
Trenneinheit in einem unteren Bereich, insbesondere unverjüngt, gegenüber einem oberen Bereich der zweiten Trenneinheit öffnet oder dass die dritte Trenneinheit über Rohrleitungen, die zwischen einem oberen Bereich der zweiten Trenneinheit und einem unteren Bereich der dritten Trenneinheit verlaufen, mit der zweiten Trenneinheit verbunden ist. Unter einer "unverjüngten" Öffnung der dritten Trenneinheit wird dabei verstanden, dass ein Säulenmantel der dritten Trenneinheit keine Einschnürung gegenüber einem Säulenmantel der zweiten Trenneinheit aufweist. Insbesondere liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung in dieser Ausgestaltung keine
Querschnittsverringerung gegenüber einem Querschnitt der dritten Trenneinheit vor. Insbesondere kann die dritte Trenneinheit jedoch, wie erläutert, einen geringeren Querschnitt als die zweite Trenneinheit aufweisen und der gesamte Querschnitt der dritten Trenneinheit kann für eine Einströmung des ersten Anteils des zweiten
Kopfgases in die dritte Trenneinheit zur Verfügung stehen. Im Gegensatz zu
herkömmlicherweise vorzufindenden Anordnungen, bei denen eine
Argonausschleussäule neben dem aus Hoch- und Niederdrucksäule gebildeten Destillationssäulensystem angeordnet ist, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung also keine Überführung entsprechender Fluide mittels Pumpen, Leitungen und dergleichen erforderlich, auch wenn zwischen dem oberen Bereich der zweiten
Trenneinheit und dem unteren Bereich der dritten Trenneinheit in einer Ausgestaltung Leitungen verlaufen. Vielmehr kann zweites Kopfgas aus der zweiten Trenneinheit im Wesentlichen ungehindert in die dritte Trenneinheit aufsteigen und Flüssigkeit aus der dritten Trenneinheit kann im Wesentlichen ungehindert in die zweite Trenneinheit abfließen. Dies kann, wenn sich die dritte Trenneinheit in dem unteren Bereich gegenüber dem oberen Bereich der zweiten Trenneinheit öffnet, insbesondere umlenkungsfrei bzw. leitungslos erfolgen. Auch hierin besteht, wie bereits erwähnt, ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung.
Lediglich der Vollständigkeit halber sei nochmals betont, dass auch die erste und zweite Trenneinheit im Rahmen der vorliegenden Erfindung übereinander angeordnet sind, wie sich im Übrigen auch aus den vorstehenden und noch folgenden
Erläuterungen ergibt.
Wie insoweit für Argonausschleussäulen bekannt, kann auch die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte Argonausschleussäule, also die dritte Trenneinheit, einen Kopfkondensator aufweisen, der mit sauerstoffangereicherter Flüssigkeit aus der Hochdrucksäule, hier also der ersten Sumpfflüssigkeit, gekühlt werden kann.
Entsprechende Flüssigkeit, die bei der Kühlung teilverdampft wird, kann anschließend in die vierte Trenneinheit eingespeist werden, insbesondere in unterschiedlichen Höhen. Vorteilhafterweise werden die entsprechenden Ströme außerhalb des
Kopfkondensators geteilt, damit diese unterschiedliche Konzentrationen haben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können, wie bereits erwähnt, als
Hauptkondensatoren, also als Kondensatoren, die die erste Trenneinheit und die zweite Trenneinheit wärmetauschend miteinander verbinden, insbesondere Fallfilm oder Kaskadenverdampfer, insbesondere mehrstöckige Kaskadenverdampfer der zuvor erläuterten Art, eingesetzt werden. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders effiziente Verflüssigung in einem entsprechenden Hauptkondensator. Die vorliegende Erfindung ist jedoch ausdrücklich nicht auf solche Formen von
Kondensatorverdampfern beschränkt, sondern kann mit beliebigen Arten von
Hauptkondensatoren eingesetzt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die verdichtete und abgekühlte Luft, die in die erste Trenneinheit eingespeist wird, insbesondere einen gasförmigen und einen verflüssigten Einsatzluftstrom umfassen, die jeweils auf dem ersten Druckniveau in die erste Trenneinheit eingespeist werden. Hierbei können ein gasförmiger
Einsatzluftstrom an einer ersten Einspeiseposition und ein flüssiger Einsatzluftstrom an einer zweiten Einspeiseposition in die erste Trenneinheit eingespeist werden, wobei die erste Einspeiseposition unterhalb der zweiten Einspeiseposition liegt, wobei unterhalb der ersten Einspeiseposition typischerweise keine Trenneinrichtungen in der ersten Trenneinheit vorgesehen sind, wobei die zweite Einspeiseposition vorteilhafterweise oberhalb einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung liegt, aus der ein flüssiger Stoffstrom aus der ersten Trenneinheit abgezogen werden kann, und wobei die zweite
Einspeiseposition oberhalb einer Trenneinheit bzw. eines Trennbereichs der ersten Trenneinrichtung liegt. Ausdrücklich sei betont, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung Einsatzluft auch beispielsweise zweiphasig in einer gemeinsamen Leitung in die erste Trenneinheit eingespeist werden kann. Die Bildung entsprechender
Stoffströme ist auf dem Gebiet der Luftzerlegung bekannt.
Mit besonderem Vorteil sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung die erste
Trenneinheit und die zweite Trenneinheit baulich miteinander verbunden und können innerhalb eines gemeinsamen Säulenmantels angeordnet sein, wobei der gemeinsame Säulenmantel auch mit der dritten Trenneinheit baulich verbunden sein kann. Ein gemeinsamer Säulenmantel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere ein gemeinsamer zylindrischer Außenbehälter sein, so dass die erste Trenneinheit und die zweite T renneinheit im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit gleichem Querschnitt hergestellt werden können. Weist die Hochdrucksäule bzw. erste
Trenneinheit einen geringeren Durchmesser als der erste Abschnitt der
Niederdrucksäule bzw. die zweite Trenneinheit, wird typischerweise keine
Unterbringung in einem gemeinsamen Säulenmantel vorgesehen; der Säulenmantel der Hochdrucksäule wird unterseitig des Säulenmantels des Fußabschnitts der Niederdrucksäule an diesen angebracht. Allgemeiner weisen in diesem Fall die erste und die zweite Trenneinheit also separate, aber miteinander verbundene Säulenmäntel auf. Auch unterschiedliche Querschnitte können also grundsätzlich verwendet werden. Die dritte Trenneinheit weist insbesondere einen geringeren Querschnitt als die erste und/oder die zweite Trenneinheit und muss daher nicht innerhalb dieses gemeinsamen zylindrischen Säulenmantels angeordnet sein, ist jedoch dann, wenn sich die dritte Trenneinheit in dem unteren Bereich gegenüber dem oberen Bereich der zweiten Trenneinheit öffnet, mit dem gemeinsamen Säulenmantel der ersten und zweiten Trenneinheit bzw. dem Säulenmantel der zweiten Trenneinheit verbunden,
beispielsweise an eine Öffnung im oberen Bereich der zweiten Trenneinheit angeschweißt. Allgemeiner ist in diesem Fall ein leitungsloser Direktkontakt der Säulenmäntel der zweiten und dritten Trenneinheit vorgesehen. Wie erähnt, kann aber auch eine Verbindung über Leitungen vorgesehen sein.
Die vierte Trenneinheit ist vorteilhafterweise baulich nicht derart mit der ersten, der zweiten und der dritten Trenneinheit verbunden, sondern lediglich über Verrohrungen bzw. Leitungen an die erste, die zweite und die dritte Trenneinheit angebunden. Auf diese Weise lassen sich die erste, die zweite und die dritte Trenneinheit einerseits und die vierte Trenneinheit andererseits an unterschiedlichen Positionen einer
entsprechenden Anlage anordnen und insbesondere in unterschiedlichen Coldboxen unterbringen. Die vierte Trenneinheit kann dabei ebenfalls einen geringeren, aber auch einen größeren Querschnitt als die zweite Trenneinheit aufweisen. Sie kann
insbesondere 18 bis 65 theoretische Böden aufweisen und damit dem Rest einer entsprechenden zweigeteilten Niederdrucksäule entsprechen, deren erster Abschnitt durch die zweite Trenneinheit gebildet ist.
In dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren weist der erste Anteil des zweiten Kopfgases insbesondere 20 bis 50 Volumenprozent und der zweite Anteil des zweiten Kopfgases 50 bis 80 Volumenprozent (also insbesondere den Rest) des zweiten Kopfgases auf. Auf diese Weise ergibt sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine besonders effiziente Argonausschleusung in der dritten Trenneinheit.
Wie bereits erwähnt, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die vierte Trenneinheit neben der ersten Trenneinheit und dabei insbesondere in einer separaten Coldbox angeordnet. Auf diese Weise verringert sich die Gesamthöhe einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage insgesamt. In einer derartigen Ausgestaltung ist insbesondere vorgesehen, dass die vierte Sumpfflüssigkeit unter Verwendung einer Transferpumpe oder mindestens zweier parallel angeordneter Transferpumpen in die zweite
Trenneinheit zurückgeführt und dabei insbesondere am Kopf der zweiten Trenneinheit auf die zweite T renneinheit als flüssiger Rücklauf aufgegeben wird. Es können insbesondere zwei Pumpen parallel betrieben und eine dritte aus Redundanzgründen bereitgestellt werden. Die Verwendung zweier parallel angeordneter Transferpumpen ermöglicht eine besonders einfache Baubarkeit, weil Pumpen entsprechender Größen standardmäßig verfügbar sind. Eine entsprechende Transferpumpe ist dabei vorgesehen, um den Höhenunterschied zwischen der zweiten Trenneinheit und der vierten Trenneinheit bzw. umgekehrt zu überwinden. Hingegen kann der zweite Anteil des zweiten Kopfgases vorteilhafterweise durch einen minimalen Druckunterschied zwischen der zweiten T renneinheit und der vierten T renneinheit in die vierte
Trenneinheit strömen.
Die Anordnung der vierten T renneinheit neben der ersten T renneinheit erfolgt insbesondere derart, dass ein unterer Abschluss der vierten Trenneinheit nicht mehr als acht Meter, insbesondere nicht mehr als sieben, sechs oder fünf Meter, beispielsweise ein bis vier Meter, oberhalb eines unteren Abschlusses der ersten Trenneinheit angeordnet ist. Ein "unterer Abschluss" ist dabei jener Teil der
Trenneinheit ein Säulensumpf, der den Säuleninnenraum begrenzt. Aus diesem können aber noch Leitungen herausführen. Die vierte Trenneinheit wird insbesondere auf einem Gestell mit der genannten Höhe angeordnet, um für die verwendete(n) Pumpe(n) eine ausreichende Haltedruckhöhe zu gewährleisten. Durch eine derartige Anordnung kann eine besonders kompakte und in ihrer vertikalen Ausdehnung begrenzte Luftzerlegungsanlage erstellt werden. Wie bereits mehrfach erwähnt, sind die erste Trenneinheit, die zweite Trenneinheit und die dritte Trenneinheit vorteilhafterweise in einer gemeinsamen Coldbox angeordnet und die vierte Trenneinheit ist in einer weiteren Coldbox angeordnet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die die erste Trenneinheit, die zweite T renneinheit und die dritte T renneinheit einerseits und die vierte T renneinheit andererseits insbesondere miteinander und/oder mit weiteren Apparaten mittels Verrohrung miteinander verbunden. Zumindest ein Teil dieser Verrohrung kann vertikal verlaufen. Zumindest Ein Teil einer derartigen Verrohrung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung separat zu den beiden Coldboxen, in denen die erste
Trenneinheit, die zweite Trenneinheit und die dritte Trenneinheit einerseits und die vierte Trenneinheit andererseits angeordnet sind, in einer zusätzlichen Coldbox, hier als "Verrohrungscoldbox" bezeichnet, angeordnet werden, die vorgefertigt werden kann. Die Bereitstellung einer entsprechenden Verrohrungscoldbox ermöglicht es, die Dimensionen der anderen beiden Coldboxen entsprechend zu verringern und diese insbesondere (besser) transportabel auszubilden. In der Verrohrungscoldbox kann auch ein Großteil der Instrumentierung, Ventile usw. untergebracht werden. Sie kann beispielsweise wenigstens 50, 60, 70 oder 80% der Leitungslänge der die Verrohrung bildenden Leitungen enthalten. Am Ort der Erstellung einer entsprechenden
Luftzerlegungsanlage werden die Coldboxen miteinander verbunden und damit zugleich einer Verrohrung hergestellt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine
Verrohrungscoldbox auch einen in der Luftzerlegungsanlage bereitgestellten
Unterkühler bzw. Unterkühlungsgegenströmer enthält, der zusammen mit der
Verrohrung in besonders günstiger Weise angeordnet werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, die erste Sumpfflüssigkeit unabhängig davon, ob dieser in einer weiteren Coldbox angeordnet ist oder nicht, zunächst durch einen entsprechenden Unterkühlungsgegenströmer zu führen und diese sodann an einer ersten Einspeiseposition in die vierte Trenneinheit einzuspeisen. Ferner kann vorgesehen sein, in der Nähe, vorzugsweise direkt unterhalb der Einspeiseposition eines flüssigen Einsatzluftstroms in die erste
Trenneinheit, einen flüssigen Stoffstrom aus der ersten Trenneinheit abzuziehen, durch den Unterkühlungsgegenströmer zu führen, und an einer zweiten Einspeiseposition in die vierte Trenneinheit einzuspeisen. Die zweite Einspeiseposition in die vierte
Trenneinheit liegt dabei vorteilhafterweise oberhalb der ersten Einspeiseposition in die vierte Trenneinheit und ist vorteilhafterweise von letzterer durch wenigstens einen Trennabschnitt getrennt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann dem Destillationssäulensystem insbesondere ein flüssiges Luftprodukt entnommen, in flüssigem Zustand druckerhöht, durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Die vorliegende Erfindung kann also insbesondere in Zusammenhang mit einer sogenannten Innenverdichtung von
Luftprodukten zum Einsatz kommen. Zu Details zu Innenverdichtungsverfahren sei auf den zitierten Stand der Technik verwiesen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann bzw. können dem
Destillationssäulensystem weitere Stoffströme entnommen und als Luftprodukte bereitgestellt werden. So kann insbesondere der vierten Trenneinheit ein gasförmiger Stoffstrom entnommen, durch den Unterkühlungsgegenströmer geführt und als sogenannter Unrein Stickstoff aus dem Destillationssäulensystem ausgeführt werden. Eine Entnahmestelle aus der vierten Trenneinheit liegt dabei vorteilhafterweise oberhalb der zweiten Einspeiseposition in die vierte Trenneinheit. Ferner kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem oberen Bereich der vierten Trenneinheit ein flüssiger Stoffstrom entnommen und als flüssiges Stickstoffprodukt bereitgestellt werden. Es ist ferner auch möglich, in einem oberen Bereich der vierten Trenneinheit einen gasförmigen, stickstoffreichen Strom zu entnehmen, durch den
Unterkühlungsgegenströmer zu führen und als entsprechendes
Niederdruckstickstoffprodukt bereit zu stellen.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage mit einem
Destillationssäulensystem, das eine erste Trenneinheit, eine zweite Trenneinheit, eine dritte Trenneinheit und eine vierte Trenneinheit umfasst, wie in dem entsprechenden unabhängigen Patentanspruch angegeben.
Die erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage, die vorteilhafterweise zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, wie es zuvor erläutert wurde, profitiert von den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens in seinen erläuterten Ausgestaltungen in gleicher Weise. Auf die obigen Erläuterungen wird daher ausdrücklich verwiesen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 veranschaulicht ein Destillationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Teildarstellung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt ein Destillationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage, die für einen Betrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingerichtet ist, in stark vereinfachter Teildarstellung. Das in Figur 1 veranschaulichte
Destillationssäulensystem ist insgesamt mit 100 bezeichnet. Es ist in einer hier nur angedeuteten Luftzerlegungsanlage 200 bereitgestellt.
Die in Figur 1 veranschaulichten Komponenten des Destillationssäulensystems 100 umfassen eine erste Trenneinheit 1 10, eine zweite Trenneinheit 120, eine dritte Trenneinheit 130 und eine vierte Trenneinheit 140, einen Hauptkondensator 150, einen Unterkühlungsgegenströmer 160, eine Transferpumpe 170, eine
Innenverdichtungspumpe 180 und einen Kopfkondensator 190.
Die erste T renneinheit 110 entspricht einer Hochdrucksäule einer herkömmlichen Luftzerlegungsanlage. Die erste Trenneinheit wird auf einem entsprechenden
Druckniveau, hier als "erstes Druckniveau" bezeichnet, betrieben. Die zweite
Trenneinheit 120 und die vierte Trenneinheit 140 entsprechen einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt einer Niederdrucksäule einer herkömmlichen
Luftzerlegungsanlage. Sie werden auf einem entsprechenden gemeinsamen
Druckniveau, hier als "zweites Druckniveau" bezeichnet, betrieben. Die dritte
Trenneinheit 130 stellt eine Argonausschleussäule dar. Sie wird ebenfalls auf dem zweiten Druckniveau betrieben.
In dem in Figur 1 veranschaulichten Destillationssäulensystem 100 stehen die erste Trenneinheit 1 10 und die zweite Trenneinheit 120 über den Hauptkondensator 150 in wärmetauschender Verbindung, wie auch nachfolgend noch erläutert. Die erste Trenneinheit 1 10 und die zweite Trenneinheit 120 sind ferner insbesondere innerhalb eines gemeinsamen Säulenmantels und im oben erläuterten Sinn übereinander, insbesondere direkt übereinander, angeordnet. Am oberen Ende der dritten Trenneinheit 130 ist der Kopfkondensator 190 angeordnet. In der hier veranschaulichten Alternative öffnet sich die dritte Trenneinheit (130) in einem unteren Bereich gegenüber einem oberen Bereich der zweiten Trenneinheit (120). Es ist aber alternativ auch möglich, dass die dritte Trenneinheit (130) über Rohrleitungen, die zwischen einem oberen Bereich der zweiten Trenneinheit (120) und einem unteren Bereich der dritten Trenneinheit (130) verlaufen, mit der zweiten Trenneinheit (120) verbunden ist. Dies ist nicht separat veranschaulicht.
Bezüglich weiterer Erläuterungen zu einer Luftzerlegungsanlage, deren Teil das Destillationssäulensystem 1 10 sein kann, sei auf einschlägige Fachliteratur, beispielsweise Häring (s.o.), insbesondere Kapitel 2.2.5 und Figur 2.3A, verwiesen. In einer derartigen Luftzerlegungsanlage können insbesondere ein gasförmiger
Einsatzluftstrom 1 und ein verflüssigter Einsatzluftstrom 2 bereitgestellt werden. In diesem Zusammenhang können insbesondere ein Hauptluftverdichter, Reinigungs- und Aufbereitungseinrichtungen, Turbinen, Entspannungsventile und ein
Hauptwärmetauscher bekannter Art verwendet werden.
Die Einsatzluftströme 1 und 2 werden jeweils an Einspeisepositionen 11 1 und 1 12 in die erste Trenneinheit 110 eingespeist. In der ersten Trenneinheit 110 werden auf dem ersten Druckniveau eine an Sauerstoff angereicherte und an Stickstoff abgereicherte sowie Argon enthaltende Sumpfflüssigkeit und ein an Stickstoff angereichertes und an Sauerstoff abgereichertes Kopfgas gebildet. Die Sumpfflüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms 3 aus der ersten Trenneinheit 110 abgezogen. Das Kopfgas wird in Form eines Stoffstroms 4 aus der ersten Trenneinheit 1 10 abgezogen. Direkt unterhalb der Einspeiseposition 1 12 für den Einsatzluftstrom 2 wird Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms 5 aus der ersten Trenneinheit 1 10 ausgeführt.
Der Stoffstrom 3 wird durch den Unterkühlungsgegenströmer 160 geführt und teilweise in Form eines Stoffstroms 31 an einer Einspeiseposition 141 in die vierte Trenneinheit 140 eingespeist. Ein weiterer Teil wird in Form eines Stoffstroms 32 in einen
Verdampfungsraum des Kopfkondensators 190 überführt. Aus dem
Verdampfungsraum des Kopfkondensators 190 werden ein flüssiger Stoffstrom 33 und ein gasförmiger Stoffstrom 34 abgezogen und ebenfalls in die vierte Trenneinheit 140 eingespeist, und zwar insbesondere in unterschiedlichen Höhen. Der Stoffstrom 4 wird ebenfalls in zwei Teilströme 41 und 42 aufgeteilt. Der erste Teilstrom 41 wird in dem Hauptkondensator 150 teilweise oder vollständig verflüssigt. Ein erster Anteil 411 des ersten Teilstroms 41 wird an einer Einspeiseposition 113 als Rücklauf auf die erste Trenneinheit 1 10 zurückgeführt. Ein zweiter Anteil 412 des ersten Teilstroms 41 wird durch den Unterkühlungsgegenströmer 160 geführt und als Rücklauf auf die vierte Trenneinheit 140 aufgegeben. Der Teilstrom 42 wird als gasförmiges
Stickstoffdruckprodukt aus dem Destillationssäulensystem 100 ausgeführt. Der Stoffstrom 5 wird durch den Unterkühlungsgegenströmer 160 geführt und an einer Einspeiseposition 142 in die vierte Trenneinheit 140 eingespeist.
In der zweiten Trenneinheit 120 werden eine sauerstoffreiche Sumpfflüssigkeit und ein an Argon angereichertes Kopfgas gebildet. Die Sumpfflüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms 6 aus der zweiten Trenneinheit 120 abgezogen. Ein erster Teilstrom 61 des Stoffstroms 6 wird in der Innenverdichtungspumpe 180 in flüssigem Zustand druckerhöht, durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt (in Figur 1 nicht gesondert veranschaulicht) und als innenverdichtetes Sauerstoffdruckprodukt ausgeführt. Ein zweiter Teilstrom 62 des Stoffstroms 6 wird nach teilweisem Führen durch den Unterkühlungsgegenströmer 160 und
entsprechender Temperierung als flüssiges Sauerstoffprodukt bereitgestellt.
Das Kopfgas der zweiten Trenneinheit 120 steigt zum Teil in die dritte Trenneinheit 130 auf, die oberhalb der zweiten Trenneinheit 120 angeordnet ist und die sich in einem unteren Bereich insbesondere ohne eine Querschnittsverjüngung zur zweiten
Trenneinheit 120 öffnet. Ein weiterer Teil des Kopfgases wird in Form eines
Stoffstroms 7 abgezogen. Der Stoffstrom 7 wird an einer Einspeiseposition 143 einen unteren Bereich der vierten Trenneinheit 140 eingespeist.
In der dritten T renneinheit 130 wird ein Kopfgas gebildet, das zumindest den überwiegenden Teil des Argons enthält, das zuvor in der dem
Destillationssäulensystem 100 zugeführten Einsatzluft enthalten war. Dieses Kopfgas aus der dritten Trenneinheit 130 wird in Form eines Stoffstroms 8 abgezogen. Aus der dritten Trenneinheit 130 herabrieselnde Flüssigkeit, die auf diese Weise an Argon abgereichert oder (im Wesentlichen) frei von Argon ist, gelangt direkt wieder auf die zweite Trenneinheit 120. In der dritten Trenneinheit 130 wird also eine
Argonausschleusung vorgenommen. In der vierten Trenneinheit 140 werden eine Sumpfflüssigkeit und ein Kopfgas gebildet. Die Sumpfflüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms 9 aus der vierten Trenneinheit 140 abgezogen und mittels der Transferpumpe 170 als Rücklauf auf die zweite
Trenneinheit 120 zurückgeführt und dabei an einer Einspeiseposition 1 14 in die zweite Trenneinheit 120 eingespeist. Aus der vierten Trenneinheit wird ein Stoffstrom 10, sogenannter Unrein Stickstoff, entnommen, durch den Unterkühlungsgegenströmer 160 geführt und aus dem Destillationssäulensystem 100 ausgeführt. Entsprechendes gilt für einen stickstoffreichen Stoffstrom 11 , der als gasförmiges
Niederdruckstickstoffprodukt bereitgestellt wird. Aus einer
Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung am Kopf der vierten Trenneinheit (140) wird stickstoffreiche Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms 12 abgezogen und als
Flüssigstickstoffprodukt bereitgestellt. Wird kein gasförmiges
Niederdruckstickstoffprodukt benötigt, kann ein entsprechender Trennabschnitt in der vierten Trenneinheit 14 entfallen und sämtliches Kopfgas als Unrein Stickstoff entsprechend dem Stoffstrom 10 abgezogen werden.
Wie hier veranschaulicht, aber für die vorliegende Erfindung nicht obligatorisch, sind die erste T renneinheit 1 10, die zweite T renneinheit 120 und die dritte T renneinheit 130 einerseits und die vierte Trenneinheit 140 andererseits jeweils in einer Coldbox A bzw. B bereitgestellt und miteinander und/oder mit weiteren Apparaten wie dem
Unterkühlungsgegenströmer 160 und dem nicht dargestellten Hauptwärmetauscher mittels Leitungen bzw. einer Verrohrung, hier mit 20 zusammengefasst, miteinander verbunden. Die Verrohrung verläuft zumindest abschnittsweise vertikal. Zumindest ein Teil einer derartigen Verrohrung 20 kann separat zu den beiden Coldboxen A und B, in denen die erste Trenneinheit 110, die zweite Trenneinheit 120 und die dritte
Trenneinheit 130 einerseits und die vierte Trenneinheit 140 andererseits angeordnet sind, in einer zusätzlichen Coldbox C angeordnet werden. Diese zusätzliche Coldbox C zur Verrohrung kann auch insbesondere den Unterkühler 160 enthalten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Verwendung einer
Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem (100), das eine erste T renneinheit (1 10), eine zweite T renneinheit (120), eine dritte T renneinheit (130) und eine vierte Trenneinheit (140) aufweist, wobei in die erste Trenneinheit (1 10) verdichtete und abgekühlte Luft eingespeist wird, die erste Trenneinheit (110) auf einem ersten Druckniveau von 4 bis 9 bar Absolutdruck betrieben wird, die zweite Trenneinheit (120), die dritte Trenneinheit (130) und die vierte Trenneinheit (140) auf einem zweiten Druckniveau von 1 bis 3 bar Absolutdruck betrieben werden, mittels der ersten T renneinheit (110) eine an Sauerstoff angereicherte und an Stickstoff abgereicherte, Argon enthaltende erste Sumpfflüssigkeit und ein an Stickstoff angereichertes und an Sauerstoff abgereichertes erstes Kopfgas gebildet werden, die erste Sumpfflüssigkeit teilweise oder vollständig in die vierte Trenneinheit (130) überführt wird, das erste Kopfgas teilweise oder vollständig verflüssigt und auf die erste T renneinheit (110) zurückgeführt wird, mittels der zweiten Trenneinheit (120) eine sauerstoffreiche zweite Sumpfflüssigkeit und ein an Argon angereichertes zweites Kopfgas gebildet werden, das zweite Kopfgas zu einem ersten Anteil in die dritte Trenneinheit (130) und zu einem zweiten Anteil in die vierte Trenneinheit (140) überführt wird, mittels der dritten Trenneinheit (130) das Argon, das in einer dem Destillationssäulensystem (100) insgesamt zugeführten Luftmenge enthalten ist, teilweise oder vollständig abgetrennt wird, mittels der dritten Trenneinheit (130) ein flüssiger Rücklauf auf die zweite
Trenneinheit (120) bereitgestellt wird, mittels der vierten Trenneinheit (140) eine vierte Sumpfflüssigkeit und ein viertes Kopfgas gebildet werden, und die vierte Sumpfflüssigkeit teilweise oder vollständig auf die zweite Trenneinheit (120) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trenneinheit (120) 10 bis 50 theoretische Böden aufweist, dass die dritte Trenneinheit (130) 10 bis 60 theoretische Böden aufweist, dass die dritte Trenneinheit (130) oberhalb der zweiten Trenneinheit (120) angeordnet ist, dass die vierte Trenneinheit (140) neben der ersten Trenneinheit (110) angeordnet ist, und dass sich die dritte Trenneinheit (130) in einem unteren Bereich gegenüber einem oberen Bereich der zweiten Trenneinheit (120) öffnet oder die dritte Trenneinheit (130) über
Rohrleitungen, die zwischen einem oberen Bereich der zweiten Trenneinheit (120) und einem unteren Bereich der dritten Trenneinheit (130) verlaufen, mit der zweiten Trenneinheit (120) verbunden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein unterer Abschluss der vierten
Trenneinheit (140) nicht mehr als acht Meter oberhalb eines unteren Abschlusses der ersten T renneinheit (1 10) angeordnet ist.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem verdichtete und abgekühlte Luft, die in die erste Trenneinheit eingespeist wird, einen gasförmigen und einen verflüssigten Einsatzluftstrom (1 , 2) umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste
Trenneinheit (110) und die zweite Trenneinheit (120) innerhalb eines
gemeinsamen Säulenmantels oder in zwei miteinander baulich verbundenen Säulenmänteln angeordnet sind, wobei der gemeinsame Säulenmantel oder der Säulenmantel der zweiten Trenneinheit (120) mit der dritten Trenneinheit (130) baulich verbunden ist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die vierte
Trenneinheit 18 bis 55 theoretische Böden aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der erste Anteil des zweiten Kopfgases 20 bis 60 Volumenprozent und der zweite Anteil des zweiten Kopfgases 40 bis 80 Volumenprozent des zweiten Kopfgases umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die vierte
Sumpfflüssigkeit unter Verwendung einer Transferpumpe (170) oder unter Verwendung zweier oder mehrerer parallel angeordneter Transferpumpen in die zweite Trenneinheit (120) zurückgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste
T renneinheit (110), die zweite T renneinheit (120) und die dritte T renneinheit (130) in einer gemeinsamen Coldbox (A) angeordnet sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die vierte Trenneinheit (140) in der
gemeinsamen Coldbox (A) oder einer weiteren Coldbox (B) angeordnet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die erste T renneinheit (110), die zweite Trenneinheit (120) und die dritte Trenneinheit (130) einerseits und die vierte Trenneinheit (140) andererseits miteinander und/oder mit weiteren Apparaten mittels einer Verrohrung (20) miteinander verbunden sind, die in Abschnitten vertikal verläuft, wobei zumindest ein Teil der Verrohrung (20) in einer separaten Verrohrungscoldbox (C) angeordnet sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem in der Verrohrungscoldbox (C) ferner ein Unterkühler (120) angeordnet ist.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem dem
Destillationssäulensystem (100) ein flüssiges Luftprodukt entnommen, in flüssigem Zustand druckerhöht, durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird.
13. Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem (100), das eine erste Trenneinheit (110), eine zweite Trenneinheit (120), eine dritte Trenneinheit (130) und eine vierte Trenneinheit (140) aufweist, wobei die Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet ist, in die erste Trenneinheit (110) verdichtete und abgekühlte Luft einzuspeisen, die erste Trenneinheit (1 10) auf einem ersten Druckniveau von 4 bis 9 bar Absolutdruck zu betreiben, die zweite Trenneinheit (120), die dritte
Trenneinheit (130) und die vierte Trenneinheit (140) auf einem zweiten
Druckniveau von 1 bis 3 bar Absolutdruck zu betreiben, mittels der ersten
Trenneinheit (110) eine an Sauerstoff angereicherte und an Stickstoff
abgereicherte, Argon enthaltende erste Sumpfflüssigkeit und ein an Stickstoff angereichertes und an Sauerstoff abgereichertes erstes Kopfgas zu bilden, die erste Sumpfflüssigkeit teilweise oder vollständig in die vierte Trenneinheit (130) zu überführen, das erste Kopfgas teilweise oder vollständig zu verflüssigen und auf die erste T renneinheit (110) zurückzuführen, mittels der zweiten T renneinheit (120) eine sauerstoffreiche zweite Sumpfflüssigkeit und ein an Argon angereichertes zweites Kopfgas zu bilden, das zweite Kopfgas zu einem ersten Anteil in die dritte Trenneinheit (130) und zu einem zweiten Anteil in die vierte Trenneinheit (140) zu überführen, mittels der dritten Trenneinheit (130) das Argon, das in einer dem Destillationssäulensystem (100) insgesamt zugeführten Luftmenge enthalten ist, teilweise oder vollständig abzutrennen, mittels der dritten Trenneinheit (130) einen flüssigen Rücklauf auf die zweite Trenneinheit (120) bereitzustellen, mittels der vierten Trenneinheit (140) eine vierte Sumpfflüssigkeit und ein viertes Kopfgas zu bilden, und die vierte Sumpfflüssigkeit zumindest teilweise auf die zweite
Trenneinheit (120) zurückzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite
Trenneinheit (120) 10 bis 50 theoretische Böden aufweist, die dritte Trenneinheit (130) 10 bis 60 theoretische Böden aufweist, dass die dritte Trenneinheit (130) oberhalb der zweiten Trenneinheit (120) angeordnet ist, dass die vierte
Trenneinheit (140) neben der ersten Trenneinheit (1 10) angeordnet ist, und dass sich die dritte Trenneinheit (130) in einem unteren Bereich gegenüber einem oberen Bereich der zweiten T renneinheit (120) öffnet, oder die dritte T renneinheit (130) über Rohrleitungen, die zwischen einem oberen Bereich der zweiten Trenneinheit (120) und einem unteren Bereich der dritten Trenneinheit (130) verlaufen, mit der zweiten Trenneinheit (120) verbunden ist.
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