DE102013017590A1

DE102013017590A1 - Verfahren zur Gewinnung eines Krypton und Xenon enthaltenden Fluids und hierfür eingerichtete Luftzerlegungsanlage

Info

Publication number: DE102013017590A1
Application number: DE201310017590
Authority: DE
Inventors: Lars Kirchner; Christian Kunz; Anton Moll; Dirk Schwenk
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2014-01-02

Abstract

Ein Verfahren zur Gewinnung eines Krypton und Xenon enthaltenden Fluids (17) in einer Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem (10), das zumindest eine Hochdrucksäule (11), eine Niederdrucksäule (12) und eine Kryptonanreicherungssäule (13) umfasst, wird vorgeschlagen, bei dem in der Hochdrucksäule (11) aus Einsatzluft eine sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit gewonnen wird, die zumindest teilweise in die Niederdrucksäule (12) eingespeist wird, in der Niederdrucksäule (12) eine zumindest Sauerstoff, Krypton und Xenon enthaltende Sumpfflüssigkeit gewonnen wird, die zumindest teilweise in die Kryptonanreicherungssäule (13) eingespeist wird, und der Niederdrucksäule (12) ferner oberhalb ihres Sumpfs eine Rücklaufflüssigkeit entnommen wird, die als Rücklauf am Kopf der Kryptonanreicherungssäule (13) aufgegeben wird. Es ist vorgesehen, dass die Sumpfflüssigkeit in der Niederdrucksäule (12) mittels eines mehrstöckigen Badverdampfers (14), dessen Stockwerke verdampfungsseitig seriell miteinander verbunden sind, beheizt wird, und die Rücklaufflüssigkeit direkt oberhalb des Badverdampfers (14) der Niederdrucksäule (12) entnommen wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines Krypton und Xenon enthaltenden und insbesondere methanarmen Fluids in einer Luftzerlegungsanlage und eine entsprechende Luftzerlegungsanlage 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. Derartige Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Ferner können Vorrichtungen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Helium, Neon, Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein (siehe hierzu beispielsweise F. G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, Boca Raton: CRC Press, 2006; Kapitel 3: Air Separation Technology).
Zwei- und Mehrsäulensysteme umfassen zumindest eine Niederdrucksäule und eine Hochdrucksäule, die bei unterschiedlichen Betriebsdrücken betrieben werden. Die Niederdrucksäule wird bei einem niedrigeren Betriebsdruck als die Hochdrucksäule betrieben. Die Betriebsdrücke in den Säulen (jeweils am Kopf) betragen typischerweise ca. 5,2 bar in der Hochdrucksäule und ca. 1,3 bar in der Niederdrucksäule. Die hier und im Folgenden angegebenen Drücke sind Absolutdrücke.
Zur Erzeugung von Dampf, der in ihren Stoffaustauschabschnitten aufsteigt, weist die Niederdrucksäule einen Sumpfverdampfer auf, der als Hauptkondensator bezeichnet wird. Dieser ist als Kondensatorverdampfer ausgebildet, d. h. in indirektem Wärmeaustausch mit der verdampfenden Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule wird ein gasförmiges Heizfluid verflüssigt, zum Beispiel Kopfstickstoff der Hochdrucksäule. Der Hauptkondensator wird häufig unmittelbar innerhalb der Niederdrucksäule angeordnet (innenliegender Hauptkondensator); alternativ ist er in einem separaten Behälter außerhalb der Niederdrucksäule untergebracht und mit Rohrleitungen mit der Niederdrucksäule verbunden (außenliegender Hauptkondensator). In letzterem Fall können für die Führung der jeweiligen Fluide Pumpen vorgesehen sein.
Jeder Kondensatorverdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden jeweils durch Gruppen von Passagen (Verflüssigungs- bzw. Verdampfungspassagen) gebildet, die untereinander in fluidischer Verbindung stehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation eines ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung eines zweiten Fluidstroms. Die beiden Fluidströme stehen dabei in indirektem Wärmeaustausch.
Der Hauptkondensator kann als Fallfilmverdampfer oder als Badverdampfer ausgebildet sein. Bei einem Badverdampfer, der auch als Umlaufverdampfer oder Thermosiphonverdampfer bezeichnet wird, steht der Wärmetauscherblock in einem Flüssigkeitsbad des zu verdampfenden Fluids. Dieses Fluid strömt aufgrund des Thermosiphoneffekts von unten nach oben durch die Verdampfungspassagen und tritt oben als Zweiphasengemisch wieder aus. Die verbleibende Flüssigkeit strömt dabei außerhalb des Wärmetauscherblocks in das Flüssigkeitsbad zurück. Bei Badverdampfern umfasst der Verdampfungsraum sowohl die Verdampfungspassagen als auch den Außenraum um den Wärmetauscherblock.
Aufgrund ihrer Siedepunkte reichern sich Krypton und Xenon in der sauerstoffreichen Sumpfflüssigkeit im Sumpf der Niederdrucksäule bzw. dem Flüssigkeitsbad eines als Hauptkondensator verwendeten Badkondensators an (siehe hierzu beispielsweise P. Häussinger et al., Noble Gases, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineveröffentlichung 15. März 2001, DOI: 10.1002114356007.a17_485; Abschnitt 4.1.3.: Krypton and Xenon). Will man Krypton und Xenon im Rahmen eines kryogenen Luftzerlegungsverfahrens gewinnen, besteht, wie beispielsweise in DE 43 32 870 C2 diskutiert, grundsätzlich die Gefahr, dass mit der Anreicherung dieser schwerer als Sauerstoff siedenden Luftbestandteile auch unerwünschte Komponenten wie Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan, aufkonzentriert werden.
Um dies zu vermeiden, kann ein Teil der genannten Sumpfflüssigkeit zur Gewinnung von Krypton und Xenon in geeigneter Höhe in eine Nebensäule eingespeist werden. In dieser werden einerseits Krypton und Xenon angereichert und andererseits die unerwünschten Komponenten, die ebenfalls in der Sumpfflüssigkeit enthalten sind, entfernt. Die Nebensäule wird daher auch als Anreicherungssäule oder Ausschleussäule bezeichnet. Zur vorgeschalteten Verringerung des Gehalts an unerwünschten Komponenten kann die Sumpfflüssigkeit vor dem Einspeisen in die Anreicherungssäule auch durch einen geeigneten Adsorber geführt werden.
Die Anreicherungssäule wird mit einem Sumpfverdampfer betrieben, der mit einem beliebigen Strom geeigneter Temperatur, beispielsweise mit teilabgekühlter Einsatzluft, beheizt werden kann. Zur Anreicherung von Krypton und Xenon und zur Entfernung der unerwünschten Komponenten wird den in der Anreicherungssäule aufsteigenden Dämpfen ein flüssiger, sauerstoffreicher Strom als Rücklauf entgegengeschickt, der genau so eingestellt wird, dass zwar Krypton und Xenon aus dem aufsteigenden Dampf ausgewaschen werden, nicht aber die unerwünschten Komponenten. Diese werden gasförmig am Kopf der Anreicherungssäule abgezogen. Der als Rücklauf in der Anreicherungssäule verwendete flüssige, sauerstoffreiche Strom wird herkömmlicherweise aus der Niederdrucksäule abgezogen, in die hierzu zusätzliche Sperrböden (sogenannte Kryptonböden oder Kryptontrays) oberhalb des Hauptkondensators eingezogen sind. Weitere Beispiele sind in DE 20 55 099 A , EP 0 096 610 A1 und EP 0 218 741 A1 gezeigt.
Herkömmliche Anreicherungssäulen können zwei Abschnitte aufweisen, wobei der obere Abschnitt zum Entfernen der unerwünschten Komponenten, insbesondere Methan, der untere zum Zurückhalten (Sperren) von Krypton und Xenon dient.
Herkömmliche Verfahren zur Gewinnung von Krypton und/oder Argon erweisen sich in der Praxis jedoch häufig nicht als zufriedenstellend, insbesondere in ihrer Anreicherungsleistung, weshalb die vorliegende Erfindung hier Abhilfe schaffen will.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung eines Krypton und Xenon enthaltenden, insbesondere methanarmen Fluids in einer Luftzerlegungsanlage und eine entsprechende Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Als Hauptkondensator in einem Destillationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage können auch zwei oder mehrere nebeneinander angeordnete Badverdampfer eingesetzt werden, die dann verdampfungs- und verflüssigungsseitig parallel geschaltet sind. Jeder dieser Badverdampfer oder der einzige Badverdampfer, der den Hauptkondensator bildet, kann einstöckig oder mehrstöckig ausgeführt werden. Ein mehrstöckiger Badverdampfer weist zwei oder mehrere jeweils übereinander angeordnete ”Stockwerke” auf, die jeweils durch einen Wärmetauscherabschnitt gebildet sind. Dabei kann jedes einzelne Stockwerk durch einen separaten Wärmetauscherblock realisiert sein, oder mindestens zwei oder auch alle Stockwerke werden durch Abschnitte eines gemeinsamen Wärmetauscherblocks gebildet. Die Stockwerke können dabei sowohl auf der Verdampfungs- als auch auf der Verflüssigungsseite seriell oder parallel geschaltet, also fluidisch miteinander verbunden sein. Eine ”serielle” Verbindung bedeutet, dass kondensierende Flüssigkeit zunächst immer nur in das darunterliegende Stockwerk, aufsteigender Dampf hingegen zunächst immer nur in das darüberliegende Stockwerk gelangen kann.
Eine spezielle Ausführungsform eines mehrstöckigen Badverdampfers, den die vorliegende Erfindung einsetzt, ist ein sogenannter Kaskadenverdampfer. Hierbei handelt es sich um einen anderen technischen Gegenstand als eine ebenfalls als Kaskadenverdampfer bezeichnete Einrichtung bei Klimaanlagen.
Bei einem Kaskadenverdampfer (”Kasko”) sind die Stockwerke auf der Verdampfungsseite seriell miteinander verbunden, d. h. nicht verdampfte Flüssigkeit aus einem oberen Stockwerk fließt kaskadenförmig weiter zum darunterliegenden Stockwerk. Auf der Verflüssigungsseite sind Kaskadenverdampfer vorzugsweise ebenfalls seriell geschaltet, zum Beispiel mittels Verflüssigungspassagen eines gemeinsamen Wärmetauscherblocks, die sich über sämtliche Stockwerke erstrecken. Alternativ dazu können auch bei einem Kaskadenverdampfer die Stockwerke verflüssigungsseitig parallel geschaltet sein.
Luftzerlegungsanlagen mit einstöckigen Badverdampfern sind allgemein bekannt. Luftzerlegungsanlagen mit mehrstöckigen Bad- und Kaskadenverdampfern sind beispielsweise in DE 1 152 432 A , DE 1 949 609 A , WO 01/92798 A2 , EP 1 287 302 B1 und DE 10 2007 003 437 A1 offenbart.
Die vorliegende Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, dass sich ein derartiger Kaskadenverdampfer in besonderer Weise für die Gewinnung von Krypton und/oder Xenon in einer Luftzerlegungsanlage eignet.
Die vorliegende Erfindung geht dabei von einem an sich bekannten Verfahren zur Gewinnung eines Krypton und Xenon enthaltenden Fluids in einer Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem aus, das zumindest eine Hochdrucksäule, eine Niederdrucksäule und eine Kryptonanreicherungssäule umfasst. Das Destillationssäulensystem mit der Hochdrucksäule und der Niederdrucksäule kann insbesondere als Doppelsäulensystem mit innenliegendem Hauptkondensator, wie eingangs erläutert, ausgebildet sein. Erfindungsgemäß kommt dabei ein Kaskadenverdampfer als Hauptkondensator zum Einsatz.
Unter einer ”Kryptonanreicherungssäule” sei im Rahmen dieser Erfindung die oben erläuterte Neben- oder Ausschleussäule verstanden. Wenngleich diese hier als Kryptonanreicherungssäule bezeichnet wird, versteht sich, dass sich in einer derartigen Säule auch das in geringerer Konzentration in der Luft enthaltene Xenon anreichert. In einer solchen Säule wird ein sogenanntes ”Krypton/Xenon-Konzentrat” erzeugt, das, wenngleich als Konzentrat bezeichnet, typischerweise nur wenige Molprozent Krypton und entsprechend noch weniger Xenon enthält. Dieses liegt typischerweise flüssig vor und ist insbesondere frei oder zumindest arm an Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methan. Es wird hier auch als ”Krypton und Xenon enthaltendes Fluid” bezeichnet. Dieses wird flüssig aus dem Sumpf der Kryptonanreicherungssäule abgezogen.
Flüssige und gasförmige Ströme können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei ”reich” für einen Gehalt von wenigstens 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9%, 99,99% oder 99,999% und ”arm” für einen Gehalt von höchstens 10%, 5%, 1%, 0,1%, 0,01% oder 0,001% auf molarer, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Flüssige und gasförmige Ströme können im hier verwendeten Sprachgebrauch ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen entsprechenden Gehalt in einem Ausgangsgemisch beziehen, aus dem der flüssige oder gasförmige Strom erhalten wurde. Der flüssige oder gasförmige Strom ist ”angereichert”, wenn dieser zumindest den 1,1-fachen, 1,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen, 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, ”abgereichert”, wenn er höchstens den 0,9-fachen, 0,5-fachen, 0,1-fachen, 0,01-fachen oder 0,001-fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf das Ausgangsgemisch, enthält.
In der Hochdrucksäule wird aus Einsatzluft, also aus zumindest einem mittels eines Verdichters verdichteten und mittels eines Hauptwärmetauschers abgekühlten Einsatzluftstrom, eine sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit gewonnen, die zumindest teilweise in die Niederdrucksäule des Destillationssäulensystems eingespeist wird. In der Niederdrucksäule wird eine zumindest Sauerstoff, Krypton und Xenon (und weitere tiefer siedende Luftkomponenten) enthaltende Sumpfflüssigkeit gewonnen, die zumindest teilweise in die Kryptonanreicherungssäule überführt wird. Der Niederdrucksäule wird schließlich ferner oberhalb ihres Sumpfs eine Rücklaufflüssigkeit entnommen, die als Rücklauf am Kopf der Kryptonanreicherungssäule aufgegeben wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Sumpfflüssigkeit in der Niederdrucksäule mittels eines mehrstöckigen Badverdampfers, dessen Stockwerke verdampfungsseitig seriell miteinander verbunden sind, zu beheizen. Die Merkmale und Eigenschaften eines derartigen Badverdampfers, der hier, wie erwähnt, als Kaskadenverdampfer bezeichnet wird, wurden bereits zuvor erläutert. Die Begriffe ”Kaskadenverdampfer” und ”Kaskadenkondensator” werden hier synonym verwendet.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Rücklaufflüssigkeit direkt oberhalb dieses Kaskadenverdampfers der Niederdrucksäule zu entnehmen.
Unter ”direkt oberhalb” des Kaskadenverdampfers sei dabei verstanden, dass eine entsprechende Entnahme vollständig geodätisch oberhalb des obersten Stockwerks des Kaskadenverdampfers erfolgt und keine Trenneinrichtungen (Sperrböden, Siebböden, Packungen usw.), zwischen einer verwendeten Entnahmestruktur, beispielsweise einer ”Entnahmetasse” und dem Kaskadenverdampfer liegen. Letztere liegt also unterhalb der in der Niederdrucksäule verbauten Böden und ist dort angeordnet, wo in herkömmlichen Niederdrucksäulen die erläuterten Trennböden vorgesehen sind.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Rücklaufflüssigkeit für die Kryptonanreicherungssäule aus einer Entnahmeeinrichtung oberhalb des Hauptkondensators zusammen mit dem Sauerstoffprodukt entnommen werden, wodurch zum einem Höhe gewonnen wird und zum anderen Verluste an Krypton und Xenon reduziert werden
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen sind insbesondere deshalb vorteilhaft, weil keine Verwendung expliziter Sperrböden in der Niederdrucksäule erforderlich ist. Die Erfindung macht sich hier die Wirkung des Kaskadenverdampfers zu nutze, der durch die mehrstufige Verdampfung eine stufenweise Anreicherung von Krypton erreicht und auf diese Weise wie eine Sperreinrichtung einer herkömmlichen Säule wirkt. Auf diese kann daher verzichtet werden.
Die Erfindung nutzt, mit anderen Worten, die Trennwirkung des eingesetzten Kaskadenverdampfers anstelle der herkömmlicherweise verwendeten Trennwirkung der explizit vorhandenen sogenannten Kryptonböden bzw. -trays. Dies ermöglicht insgesamt eine einfachere, energetisch vorteilhaftere und effektive Verfahrensführung.
Die Kryptonanreicherungssäule wird ferner ebenfalls einteilig ausgebildet, so dass auch diese, wie die Niederdrucksäule, einfacher und kostengünstiger ausgebildet werden kann und im Betrieb geringeren Regelungsaufwand erfordert.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet insbesondere Vorteile bei sogenannten Innenverdichtungsverfahren. Innenverdichtungsverfahren sind aus dem Bereich der Luftzerlegung grundsätzlich bekannt. Bei Innenverdichtungsverfahren wird zur Bereitstellung eines gasförmigen Druckprodukts ein flüssig einem Destillationssäulensystem entnommener Strom flüssig auf Druck gebracht, in einem Hauptwärmetauschersystem angewärmt und hierdurch als druckerhöhter Strom bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Bereitstellung von innenverdichtetem Sauerstoff.
Die Innenverdichtung ist beispielsweise in folgenden Druckschriften beschrieben: DE 830 805 B , DE 901 542 B (entspricht US 2 712 738 A / US 2 784 572 A ), DE 952 908 B , DE 1 103 363 B ( US 3 083 544 A ), DE 1 112 997 B ( US 3 214 925 A ), DE 1 124 529 B , DE 1 117 616 B ( US 3 280 574 A ), DE 1 226 616 A ( US 3 216 206 A ), DE 1 229 561 B ( US 3 222 878 A ), DE 1 199 293 B , DE 1 187 248 B ( US 3 371 496 A ), DE 1 235 347 B , DE 1 258 882 A ( US 3 426 543 A ), DE 1 263 037 A ( US 3 401 531 A ), DE 1 501 722 A ( US 3 416 323 A ), DE 1 501 723 A ( US 3 500 651 A ), DE 25 351 32 B2 ( US 4 279 631 A ), DE 26 46 690 A1 , EP 0 093 448 B1 ( US 4 555 256 A ), EP 0 384 483 B1 ( US 5 036 672 A ), EP 0 505 812 B1 ( US 5 263 328 A ), EP 0 716 280 B1 ( US 5 644 934 A ), EP 0 842 385 B1 ( US 5 953 937 A ), EP 0 758 733 B1 ( US 5 845 517 A ), EP 0 895 045 B1 ( US 6 038 885 A ), DE 198 03 437 A1 , EP 0 949 471 B1 ( US 6 185 960 B1 ), EP 0 955 509 A1 ( US 6 196 022 B1 ), EP 1 031 804 A1 ( US 6 314 755 B1 ), DE 199 09 744 A1 , EP 1 067 345 A1 ( US 6 336 345 B1 ), EP 1 074 805 A1 ( US 6 332 337 B1 ), DE 199 54 593 A1 , EP 1 134 525 A1 ( US 6 477 860 B2 ), DE 100 13 073 A1 , EP 1 139 046 A1 , EP 1 146 301 A1 , EP 1 150 082 A1 , EP 1 213 552 A1 , DE 101 15 258 A1 , EP 1 284 404 A1 ( US 2003/051504 A1 ), EP 1 308 680 A1 ( US 6 612 129 B2 ), DE 102 13 212 A1 , DE 102 13 211 A1 , EP 1 357 342 A1 , DE 102 38 282 A1 , DE 103 02 389 A1 , DE 103 34 559 A1 , DE 103 34 560 A1 , DE 103 32 863 A1 , EP 1 544 559 A1 , EP 1 585 926 A1 , DE 102005 029 274 A1 , EP 1 666 824 A1 , EP 1 672 301 A1 , DE 10 2005 028 012 A1 , WO 2007/033838 A1 , WO 2007/104449 A1 , EP 1 845 324 A1 , DE 10 2006 032 731 A1 , EP 1 892 490 A1 , DE 10 2007 014 643 A1 , EP 2 015 012 A2 , EP 2 015 013 A2 , EP 2 026 024 A1 , WO 2009/095188 A2 und DE 10 2008 016 355 A1 .
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die verwendete Niederdrucksäule zur Entnahme der Rücklaufflüssigkeit direkt oberhalb (im obigen Sinn) des Kaskadenverdampfers eine Einrichtung zur temporären Speicherung und Entnahme von Flüssigkeit in Form einer auch als ”Entnahmetasse” bzw. kurz ”Tasse” bezeichneten Struktur aufweist.
Zur weiteren Verringerung des Gehalts an Kohlenwasserstoffen in dem erhaltenen Konzentrat kann vorgesehen sein, mittels einer Absorptionseinrichtung aus der aus der Niederdrucksäule entnommenen und in die Kryptonanreicherungssäule eingespeisten Sumpfflüssigkeit Kohlenwasserstoffe zu entfernen.
Vorteilhafterweise wird, wie ebenfalls zuvor teilweise erläutert, der Rücklauf der Kryptonanreicherungssäule so eingestellt, dass vorzugsweise Krypton und Xenon, jedoch vorzugsweise keine Kohlenwasserstoffe aus dem in der Kryptonanreicherungssäule aufsteigenden Dampf ausgewaschen werden. Die gasförmig verbleibenden Anteile dieses Dampfs, die günstigerweise den überwiegenden Anteil an Kohlenwasserstoffen enthalten, können daher am Kopf der Kryptonanreicherungssäule abgezogen werden.
Die Kryptonanreicherungssäule wird vorteilhafterweise mit einem Sumpfverdampfer betrieben, der mittels eines Gasstroms, insbesondere mittels Einsatzluft, die der Luftzerlegungsanlage zugeführt wird, beheizt wird. Dies ermöglicht eine energetisch günstige Lösung, die gleichzeitig für eine entsprechende Kühlung der Einsatzluft sorgt.
Vorteilhafterweise wird eine krypton- und xenonarme Kopffraktion vom Kopf der Kryptonanreicherungssäule abgezogen und in die Niederdrucksäule zurückgeführt, so dass diese weiter für die Herstellung eines Sauerstoffprodukts verwendet werden kann. Alternativ dazu, insbesondere wenn in der krypton- und xenonarmen Kopffraktion vom Kopf der Kryptonanreicherungssäule nennenswerte Mengen an Kohlenwasserstoffen wie Methan enthalten sind (beispielsweise weil keine adsorptive Entfernung vorgenommen wurde), kann diese auch aus der Luftbehandlungsanlage ausgeschleust werden. Sie kann anschließend beispielsweise zu einem Sauerstoffprodukt zugegeben werden, wenn ihre Reinheit ausreichend ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Luftzerlegungsanlage, die zur Gewinnung eines Krypton und Xenon enthaltenden, insbesondere methanarmen Fluids eingerichtet ist, und die die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile aufweist. Eine derartige Luftzerlegungsanlage weist ein Destillationssäulensystem, das zumindest eine Hochdrucksäule, eine Niederdrucksäule und eine Kryptonanreicherungssäule umfasst, auf. Die Hochdrucksäule ist dabei dafür eingerichtet, aus Einsatzluft eine sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit zu gewinnen und diese zumindest teilweise in die Niederdrucksäule einzuspeisen. Die Niederdrucksäule ist dafür eingerichtet, eine zumindest Sauerstoff, Krypton und Xenon enthaltene Sumpfflüssigkeit zu gewinnen und diese zumindest teilweise in die Kryptonanreicherungssäule einzuspeisen. Erste Entnahmemittel dienen dazu, der Niederdrucksäule ferner oberhalb ihres Sumpfs eine Rücklaufflüssigkeit zu entnehmen und diese als Rücklauf am Kopf der Kryptonanreicherungssäule aufzugeben. Schließlich sind zweite Entnahmemittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, das Krypton und Xenon enthaltende Fluid aus der Kryptonanreicherungssäule abzuziehen.
Wie erläutert, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Beheizung der Sumpfflüssigkeit in der Niederdrucksäule ein mehrstöckiger Badverdampfer, dessen Stockwerke verdampfungsseitig seriell miteinander verbunden sind, also ein Kaskadenverdampfer, bereitgestellt ist, und dass die zweiten Entnahmemittel dafür eingerichtet sind, die Rücklaufflüssigkeit direkt oberhalb des Badverdampfers der Niederdrucksäule zu entnehmen. Die Luftzerlegungsanlage ist vorteilhafterweise zur Durchführung eines Verfahrens, wie es zuvor erläutert wurde, eingerichtet.
Die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein Destillationssäulensystem einer Luftzerlegungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist ein Destillationssäulensystem einer nicht gezeigten Luftzerlegungsanlage schematisch dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet.
Das teilweise dargestellte Destillationssäulensystem 10 umfasst eine Hochdrucksäule 11 und eine Niederdrucksäule 12. Ferner ist eine Kryptonanreicherungssäule 13 vorgesehen. Die Hochdrucksäule 11 und die Niederdrucksäule 12 sind gemeinsam als Doppelsäule ausgebildet und über einen Kaskadenverdampfer 14 als Hauptkondensator wärmetauschend miteinander verbunden. In das Destillationssäulensystem 10 werden mehrere Einsatzluftströme, hier mit a bis c bezeichnet, eingespeist. Hierbei handelt es sich um Druckluftströme, die mittels eines Hauptverdichters verdichtet und mittels eines Hauptwärmetauschers auf nahe Taupunkt abgekühlte wurden und bei dem Druck der Hochdrucksäule 11 in diese eingespeist werden.
Ein erster Einsatzluftstrom a wird beispielsweise mittels des Hauptwärmetauschers auf den genannten Druck verdichtet und danach keinen weiteren druckerhöhenden Maßnahmen unterworfen. Er wird in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt und in die Hochdrucksäule 11 eingespeist. Der Einsatzluftstrom b, z. B. ein sogenannter Turbinenstrom, wird ebenfalls mittels des Hauptverdichters verdichtet, anschließend jedoch mittels eines Nachverdichters nachverdichtet, in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt, in einer Entspannungsturbine auf den Druck der Hochdrucksäule 11 entspannt und in diese eingespeist. Die Entspannungsmaschine wird verwendet, um Kälte zu erzeugen. Ein weiterer Einsatzluftstrom c wird ähnlich wie der Einsatzluftstrom a behandelt, jedoch zuvor durch einen Sumpfverdampfer 15 der Kryptonanreicherungssäule 13 geführt.
In der Hochdrucksäule 11 wird aus der in Form der Einsatzluftströme a bis c zugeführten Einsatzluft eine sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit gewonnen und als Strom e zumindest teilweise in die Niederdrucksäule 12 überführt. Ein weiterer Strom d wird der Hochdrucksäule 11 entnommen, beispielsweise durch einen Gegenstromkühler (nicht dargestellt) geführt und in die Niederdrucksäule 12 entspannt. Der Hochdrucksäule 11 wird ferner am Kopf ein gasförmiger Stickstoffstrom f entnommen, von dem ein Teilstrom g durch den Kaskadenverdampfer 14 geführt und in diesem zumindest teilweise verflüssigt wird. Ein gasförmig verbliebener Anteil h wird ebenfalls durch den nicht gezeigten Gegenstromkühler geführt und als Strom i am Kopf der Niederdrucksäule 12 aufgegeben. Ein verflüssigter Anteil k wird zu einem Teil auf die Hochdrucksäule 11 aufgegeben und zu einem weiteren Anteil zur Bereitstellung eines gasförmigen Stickstoffdruckprodukts verwendet. Hierzu wird ein entsprechender Strom, hier mit I bezeichnet, flüssig auf Druck gebracht und im Hauptwärmetauscher angewärmt. Der Strom I wird also einem sogenannten Innenverdichtungsverfahren unterworfen, wie zuvor erläutert.
Ein nicht durch den Kaskadenverdampfer 14 geführter Anteil des Stroms f, hier mit m bezeichnet wird ebenfalls aus der Anlage ausgeleitet und, nach Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher, z. B. als Dichtgas (Sealgas) im verwendeten Verdichtersystem verwendet und/oder als Druckstickstoff (PGAN) bereitgestellt. Ein weiterer Strom n wird der Hochdrucksäule 11 entnommen und in die Niederdrucksäule 12 eingespeist. Weitere flüssige und gasförmige Ströme vom Kopf der Niederdrucksäule, hier mit o bis q bezeichnet, werden zur Bereitstellung entsprechender Stickstoffproduktfraktionen verwendet oder auf andere Weise behandelt.
Die sauerstoffreiche Sumpfflüssigkeit, die, wie erwähnt, als Strom e der Hochdrucksäule 11 entnommen wird, kann beispielsweise durch den erwähnten Gegenstromkühler geführt werden. Nach beliebigen Zwischenschritten, beispielsweise zum Betrieb von Sumpfverdampfern und/oder Kopfkondensatoren in nicht dargestellten Argongewinnungseinheiten, kann der beispielsweise in die Teilströme r und s aufgeteilte Strom e in die Niederdrucksäule 12 eingespeist werden. Der Niederdrucksäule 12 kann an geeigneter Stelle, dem sogenannten Argonübergang, ein Argon enthaltender Strom t entnommen und, falls vorhanden, einer nicht gezeigten Argongewinnungseinheit zugeführt werden. Nach dem Durchlaufen entsprechender Säulen wird der Strom als Strom u zurückgeführt.
In der dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird von einer Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule 12 ein Strom v entnommen, der teilweise flüssig auf Druck gebracht und in dem erwähnten Hauptwärmetauscher zur Bereitstellung eines Sauerstoffdruckprodukts verwendet werden kann. Auch der Strom v kann damit teilweise einem Innenverdichtungsverfahren unterworfen werden. Zu einem weiteren Teil wird der Strom v jedoch durch eine Adsorbereinrichtung 16 geführt, in der unerwünschte Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan, zumindest teilweise aus der entsprechenden Flüssigkeit, die auch Krypton und Xenon enthält, entfernt werden. Nach dem Durchlaufen der Adsorbereinrichtung 16 wird der Strom in die erwähnte Kryptonanreicherungssäule 13 überführt.
In der dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit der Niederdrucksäule 12 direkt oberhalb des Kaskadenverdampfers 14 ein Rücklaufstrom w entnommen, der zumindest teilweise auf die Kryptonanreicherungssäule 13 am Kopf aufgegeben wird. Wie erläutert, wird der hierdurch erzeugte Rücklauf genau so eingestellt, dass zwar Krypton und Xenon aus dem aufsteigenden Dampf in der Kryptonanreicherungssäule 13 ausgewaschen werden, jedoch nicht die unerwünschten Komponenten. Diese sind daher in einem gasförmigen Strom x enthalten, der vom Kopf der Kryptonanreicherungssäule 13 abgezogen wird. Aus dem Sumpf der Kryptonanreicherungssäule 13 wird ein Strom y abgezogen, der eine entsprechendes Krypton/Xenon-Konzentrat, also ein Krypton und Xenon enthaltendes und methanarmes Fluid, hier auch mit 17 bezeichnet, darstellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4332870 C2 [0007]
DE 2055099 A [0009]
EP 0096610 A1 [0009]
EP 0218741 A1 [0009]
DE 1152432 A [0016]
DE 1949609 A [0016]
WO 01/92798 A2 [0016]
EP 1287302 B1 [0016]
DE 102007003437 A1 [0016]
DE 830805 B [0030]
DE 901542 B [0030]
US 2712738 A [0030]
US 2784572 A [0030]
DE 952908 B [0030]
DE 1103363 B [0030]
US 3083544 A [0030]
DE 1112997 B [0030]
US 3214925 A [0030]
DE 1124529 B [0030]
DE 1117616 B [0030]
US 3280574 A [0030]
DE 1226616 A [0030]
US 3216206 A [0030]
DE 1229561 B [0030]
US 3222878 A [0030]
DE 1199293 B [0030]
DE 1187248 B [0030]
US 3371496 A [0030]
DE 1235347 B [0030]
DE 1258882 A [0030]
US 3426543 A [0030]
DE 1263037 A [0030]
US 3401531 A [0030]
DE 1501722 A [0030]
US 3416323 A [0030]
DE 1501723 A [0030]
US 3500651 A [0030]
DE 2535132 B2 [0030]
US 4279631 A [0030]
DE 2646690 A1 [0030]
EP 0093448 B1 [0030]
US 4555256 A [0030]
EP 0384483 B1 [0030]
US 5036672 A [0030]
EP 0505812 B1 [0030]
US 5263328 A [0030]
EP 0716280 B1 [0030]
US 5644934 A [0030]
EP 0842385 B1 [0030]
US 5953937 A [0030]
EP 0758733 B1 [0030]
US 5845517 A [0030]
EP 0895045 B1 [0030]
US 6038885 A [0030]
DE 19803437 A1 [0030]
EP 0949471 B1 [0030]
US 6185960 B1 [0030]
EP 0955509 A1 [0030]
US 6196022 B1 [0030]
EP 1031804 A1 [0030]
US 6314755 B1 [0030]
DE 19909744 A1 [0030]
EP 1067345 A1 [0030]
US 6336345 B1 [0030]
EP 1074805 A1 [0030]
US 6332337 B1 [0030]
DE 19954593 A1 [0030]
EP 1134525 A1 [0030]
US 6477860 B2 [0030]
DE 10013073 A1 [0030]
EP 1139046 A1 [0030]
EP 1146301 A1 [0030]
EP 1150082 A1 [0030]
EP 1213552 A1 [0030]
DE 10115258 A1 [0030]
EP 1284404 A1 [0030]
US 2003/051504 A1 [0030]
EP 1308680 A1 [0030]
US 6612129 B2 [0030]
DE 10213212 A1 [0030]
DE 10213211 A1 [0030]
EP 1357342 A1 [0030]
DE 10238282 A1 [0030]
DE 10302389 A1 [0030]
DE 10334559 A1 [0030]
DE 10334560 A1 [0030]
DE 10332863 A1 [0030]
EP 1544559 A1 [0030]
EP 1585926 A1 [0030]
DE 102005029274 A1 [0030]
EP 1666824 A1 [0030]
EP 1672301 A1 [0030]
DE 102005028012 A1 [0030]
WO 2007/033838 A1 [0030]
WO 2007/104449 A1 [0030]
EP 1845324 A1 [0030]
DE 102006032731 A1 [0030]
EP 1892490 A1 [0030]
DE 102007014643 A1 [0030]
EP 2015012 A2 [0030]
EP 2015013 A2 [0030]
EP 2026024 A1 [0030]
WO 2009/095188 A2 [0030]
DE 102008016355 A1 [0030]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

F. G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, Boca Raton: CRC Press, 2006; Kapitel 3: Air Separation Technology [0002]
P. Häussinger et al., Noble Gases, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineveröffentlichung 15. März 2001, DOI: 10.1002114356007.a17_485; Abschnitt 4.1.3.: Krypton and Xenon [0007]

Claims

Verfahren zur Gewinnung eines Krypton und Xenon enthaltenden Fluids (17) in einer Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem (10), das zumindest eine Hochdrucksäule (11), eine Niederdrucksäule (12) und eine Kryptonanreicherungssäule (13) umfasst, wobei – in der Hochdrucksäule (11) aus Einsatzluft eine sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit gewonnen wird, die zumindest teilweise in die Niederdrucksäule (12) eingespeist wird, – in der Niederdrucksäule (12) eine zumindest Sauerstoff, Krypton und Xenon enthaltende Sumpfflüssigkeit gewonnen wird, die zumindest teilweise in die Kryptonanreicherungssäule (13) eingespeist wird, – der Niederdrucksäule (12) ferner oberhalb ihres Sumpfs eine Rücklaufflüssigkeit entnommen wird, die als Rücklauf am Kopf der Kryptonanreicherungssäule (13) aufgegeben wird, und – das Krypton und Xenon enthaltende Fluid (17) flüssig aus dem Sumpf der Kryptonanreicherungssäule (13) abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sumpfflüssigkeit in der Niederdrucksäule (12) mittels eines mehrstöckigen Badverdampfers (14), dessen Stockwerke verdampfungsseitig seriell miteinander verbunden sind, verdampft wird, und dass – die Rücklaufflüssigkeit direkt oberhalb des Badverdampfers (14) der Niederdrucksäule (12) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Niederdrucksäule (12) zur Entnahme der Rücklaufflüssigkeit direkt oberhalb des Badverdampfers (14) eine temporäre Flüssigkeitsspeichereinrichtung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Niederdrucksäule (12) ohne Sperrböden verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine einstufige Kryptonanreicherungssäule (13) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem mittels einer Adsorptionseinrichtung (16) aus der aus der Niederdrucksäule (12) entnommenen und zumindest teilweise in die Kryptonanreicherungssäule (13) eingespeisten Sumpfflüssigkeit Kohlenwasserstoffe entfernt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Rücklauf der Kryptonanreicherungssäule (13) so eingestellt wird, dass vorzugsweise Krypton und Xenon, jedoch vorzugsweise keine Kohlenwasserstoffe aus einem Dampf in der Kryptonanreicherungssäule (13) ausgewaschen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Kryptonanreicherungssäule (13) mit einem Sumpfverdampfer (15) betrieben wird, der mittels eines Gasstroms, insbesondere mittels Einsatzluft, beheizt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine krypton- und xenonarme Kopffraktion vom Kopf der Kryptonanreicherungssäule (13) abgezogen und in die Niederdrucksäule (12) zurückgeführt wird.
Luftzerlegungsanlage, die zur Gewinnung eines Krypton und Xenon enthaltenden Fluids (17) eingerichtet ist, mit einem Destillationssäulensystem (10), das zumindest eine Hochdrucksäule (11), eine Niederdrucksäule (12) und eine Kryptonanreicherungssäule (13) umfasst, wobei – die Hochdrucksäule (11) dafür eingerichtet ist, aus Einsatzluft eine sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit zu gewinnen und diese zumindest teilweise in die Niederdrucksäule (12) einzuspeisen, – die Niederdrucksäule (12) dafür eingerichtet ist, eine zumindest Sauerstoff, Krypton und Xenon enthaltende Sumpfflüssigkeit zu gewinnen und diese zumindest teilweise in die Kryptonanreicherungssäule (13) einzuspeisen, – erste Entnahmemittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, aus der Niederdrucksäule (12) ferner oberhalb ihres Sumpfs eine Rücklaufflüssigkeit zu entnehmen und als Rücklauf am Kopf der Kryptonanreicherungssäule (13) aufzugeben, und – zweite Entnahmemittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, das Krypton und Xenon enthaltende Fluid (17) aus dem Sumpf der Kryptonanreicherungssäule (13) abzuziehen, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Beheizung der Sumpfflüssigkeit in der Niederdrucksäule (12) ein mehrstöckiger Badverdampfer (14), dessen Stockwerke verdampfungsseitig seriell miteinander verbunden sind, bereitgestellt ist, und – die ersten Entnahmemittel dafür eingerichtet sind, die Rücklaufflüssigkeit direkt oberhalb des Badverdampfers (14) aus der Niederdrucksäule (12) zu entnehmen.
Luftzerlegungsanlage, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.