DE102016002115A1

DE102016002115A1 - Destillationssäulen-System und Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft

Info

Publication number: DE102016002115A1
Application number: DE102016002115.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lochner
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2016-09-15
Also published as: EP3067649A1

Abstract

Das Destillationssäulen-System und das Verfahren dienen zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft. Das Destillationssäulen-System weist eine konventionelle Doppelsäule (2, 3, 4) auf sowie eine Argon-Sauerstoff-Säule (26), die wie eine klassische Rohargonsäule geschaltet ist. Unterhalb der Argon-Sauerstoff-Säule (26) ist eine Sauerstoffsäule (36) in einem gemeinsamen Behälter (20) angeordnet, die einem Abschnitt der Niederdrucksäule 4 der Doppelsäule parallel geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Destillationssäulen-System zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der Aufbau von Zwei-Säulen-Anlagen im Speziellen sind in der Monografie ”Tieftemperaturtechnik” von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No. 2, 1967, Seite 35) beschrieben. Die Wärmeaustauschbeziehung zwischen Hochdrucksäule und Niederdrucksäule einer Doppelsäule wird im Regelfall durch einen Hauptkondensator realisiert, in dem Kopfgas der Hochdrucksäule gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule verflüssigt wird.
Das Destillationssäulen-System der Erfindung kann grundsätzlich als klassisches Zwei-Säulen-System mit Hochdrucksäule und Niederdrucksäule ausgebildet sein. Es kann zusätzlich zu den beiden Trennsäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Krypton-Xenon-Gewinnung.
Unter einer ”Argonausschleussäule” wird hier eine Trennsäule zur Argon-Sauerstoff-Trennung bezeichnet, die nicht zur Gewinnung eines reinen Argonprodukts, sondern zur Ausschleusung von Argon aus der in Hochdrucksäule und Niederdrucksäule zu zerlegenden Luft dient. Ihre Schaltung unterscheidet sich nur wenig von der einer klassischen Rohargonsäule, allerdings enthält sie deutlich weniger theoretische Böden, nämlich weniger als 40, insbesondere zwischen 35 und 15. Wie eine Rohargonsäule ist der Sumpfbereich einer Argonausschleussäule mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule verbunden und die Argonausschleussäule wird durch einen Kopfkondensator gekühlt, auf dessen Verdampfungsseite entspannte Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule eingeleitet wird; eine Argonausschleussäule weist keinen Sumpfverdampfer auf.
Als ”Argon-Sauerstoff-Säule” wird hier eine Trennsäule zur Argon-Sauerstoff-Trennung bezeichnet, die entweder von einer Rohargonsäule mit bis zu 80 theoretischen Böden gebildet wird oder von einer Argonausschleussäule, die im Allgemeinen ein weniger reines Kopfprodukt erzeugt. Eine Argon-Sauerstoff-Säule weist keinen Sumpfverdampfer, aber einen Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensator auf.
Der Hauptkondensator und der Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensator sind bei der Erfindung als Kondensator-Verdampfer ausgebildet. Als ”Kondensator-Verdampfer” wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensator-Verdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf, die aus Verflüssigungspassagen beziehungsweise Verdampfungspassagen bestehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) eines ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung eines zweiten Fluidstroms. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
Dabei kann der Hauptkondensator – und ebenso der Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensator – als ein- oder mehrstöckiger Badverdampfer, insbesondere als Kaskadenverdampfer (beispielsweise wie in EP 1287302 B1 = US 6748763 B2 beschrieben), oder aber als Fallfilmverdampfer ausgebildet sein. Er kann durch einen einzigen Wärmetauscherblock gebildet werden oder auch durch mehrere Wärmetauscherblöcke, die in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sind.
Das Destillationssäulen-System einer Luftzerlegungsanlage ist in einer oder mehreren Coldboxen angeordnet. Unter einer ”Coldbox” wird hier eine isolierende Umhüllung verstanden, die einen wärmeisolierten Innenraum vollständig mit Außenwänden umfasst; in dem Innenraum sind zu isolierenden Anlagenteile angeordnet, zum Beispiel ein oder mehrere Trennsäulen und/oder Wärmetauscher. Die isolierende Wirkung kann durch entsprechende Ausgestaltung der Außenwände und/oder durch die Füllung des Zwischenraums zwischen Anlagenteilen und Außenwänden mit einem Isoliermaterial bewirkt werden. Bei der letzteren Variante wird vorzugsweise ein pulverförmiges Material wie zum Beispiel Perlite verwendet. Sowohl das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage als auch der Hauptwärmetauscher und weitere kalte Anlagenteile müssen von einer oder mehreren Coldboxen umschlossen sein. Die Außenmaße der Coldbox bestimmen üblicherweise die Transportmaße bei vorgefertigten Anlagen.
Ein ”Hauptwärmetauscher” dient zur Abkühlung von Einsatzluft in indirektem Wärmeaustausch mit Rückströmen aus dem Destillationssäulen-System. Er kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken. Separate Wärmetauscher, die speziell der Verdampfung oder Pseudo-Verdampfung eines einzigen flüssigen oder überkritischen Fluids dienen, ohne Anwärmung und/oder Verdampfung eines weiteren Fluids, gehören nicht zum Hauptwärmetauscher.
Die relativen räumlichen Begriffe ”oben”, ”unten”, ”über”, ”unter”, ”oberhalb”, ”unterhalb”, ”nebeneinander”, ”vertikal”, ”horizontal” etc. beziehen sich hier auf die räumliche Ausrichtung der Trennsäulen im Normalbetrieb. Unter einer Anordnung zweier Säulen oder Apparateteile ”übereinander” wird hier verstanden, dass das sich obere Ende des unteren der beiden Apparateteile sich auf niedrigerer oder gleicher geodätischer Höhe befindet wie das untere Ende der oberen der beiden Apparateteile und sich die Projektionen der beiden Apparateteile in eine horizontale Ebene überschneiden. Insbesondere sind die beiden Apparateteile genau übereinander angeordnet, das heißt die Achsen der beiden Säulen verlaufen auf derselben vertikalen Geraden.
Ein Destillationssäulen-System der eingangs genannten Art ist aus US 5235816 bekannt. Solche Anlagen werden bei der Herstellung regelmäßig so weit wie möglich vorgefertigt, die vorgefertigten Teile werden auf die Baustelle transportiert und schließlich dort miteinander verbunden. Je nach Größe der Anlage kann zum Beispiel die gesamte Doppelsäule mit ihrer Coldbox transportiert werden. Wenn die Größe der Anlage das nicht mehr erlaubt, wird die Doppelsäule – in einem Stück oder gegebenenfalls in zwei oder mehr Teilen – ohne Coldbox transportiert. Eine zusätzliche Säule wie die Argon-Sauerstoff-Säule verursacht dabei zusätzlichen Aufwand mit einer eigenen Coldbox und dem abstützenden Stahlbau. Sie muss regelmäßig separat auf die Baustelle gebracht werden und dort mit relativ großem Aufwand vor Ort mit dem Rest der Anlage verbunden werden. Für viele Anlagen, die bei der Herstellung über weite Landwege transportiert werden müssen, gelten maximale Transporthöhen, die den Durchmesser der Säulen beschränken. Um bei beschränktem Durchmesser größere Sauerstoffkapazitäten zu realisieren, setzt man allgemein immer weniger dichte Packung ein. Dadurch werden die Trennsäulen immer länger bzw. höher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Destillationssäulen-System der eingangs genannten Art möglichst kompakt zu gestalten und insbesondere seine Bauhöhe bei gleich bleibender Kapazität zu verringern, insbesondere bei besonders großen Luftzerlegungsanlagen für eine Luftmenge von mehr als 300.000 Nm³/h, vorzugsweise mehr als 360.000 Nm³/h.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Argon-Sauerstoff-Säule wird dabei nach unten verlängert durch einen weiteren Stoffaustauschbereich, der als Sauerstoffsäule genutzt wird. Dieser kann – wie die übrigen Abschnitte in Hochdrucksäule, Niederdrucksäule und Argon-Sauerstoff-Säule – durch konventionelle Rektifizierböden wie zum Beispiel Siebböden, Füllkörper (ungeordnete Packung) oder geordnete (strukturierte) Packung gebildet werden. Vorzugsweise wird in der Niederdrucksäule und in der Argon-Sauerstoff-Säule geordnete Packung eingesetzt.
Um einen Stoffaustausch zu bewirken, muss unterhalb des weiteren Stoffaustauschbereichs ein aufsteigendes Gas eingeleitet werden. Dies geschieht durch ”Mittel zum Einleiten eines sauerstoffreichen Gases” im Sumpf der Sauerstoffsäule. Das ”sauerstoffreiche Gas” kann entweder von außen in die Sauerstoffsäule eingeleitet werden oder aus einem im Sumpf der Sauerstoffsäule angeordneten Sumpfverdampfer stammen. Bei Einleitung von außen wird das ”sauerstoffreiche Gas” an einem beliebigen Punkt der Niederdrucksäule unterhalb des Gasabzugs, der zur Gaseinspeisung in die Argon-Sauerstoff-Säule dient, abgezogen und unterhalb der Gaseinspeisung zur Argon-Sauerstoff-Säule in den Behälter eingeleitet. Dieser Strom hat damit einen höheren Sauerstoffgehalt als der Gasabzug in die Argon-Sauerstoff-Säule. Dieser Sauerstoffgehalt beträgt mindestens 80%, vorzugsweise mehr als 90%, insbesondere mehr als 97%. Idealerweise entspricht dieser Sauerstoffgehalt der Konzentration des sauerstoffreichen Gases im Sumpf der Niederdrucksäule und wird über dem Hauptkondensator abgezogen. Der Rücklauf der im Sumpf der Sauerstoffsäule ankommt, wird in die Niederdrucksäule zurückgespeist, idealerweise an der gleichen Stelle, an der das Gas für die Einspeisung in die Sauerstoffsäule aus der Niederdrucksäule abgezogen wird. Alternativ kann im Sumpf der Sauerstoffsäule ein Sumpfverdampfer angebracht werden. Grundsätzlich kann man den Kapazitätsausgleich zwischen der Sauerstoffsäule und der Niederdrucksäule auch mit Flüssigkeit statt Gas aus der Niederdrucksäule vornehmen, dann würde Gas von der Sauerstoffsäule zurück in die Niederdrucksäule fließen.
Bei der Erfindung wird der Behälter der Argon-Sauerstoff-Säule nicht nur wie üblich zur Argonanreicherung des Argon-Sauerstoff-Gemischs aus der Niederdrucksäule genutzt, sondern auch zur Abreicherung der herabfließenden Flüssigkeit an Argon und damit zur Anreicherung an Sauerstoff. Der untere Teil des Behälters, die Sauerstoffsäule, wirkt also ähnlich wie ein entsprechender Teil des Sauerstoffabschnitts der Niederdrucksäule und ist diesem praktisch parallel geschaltet. Damit wird der entsprechende Teil des Sauerstoffabschnitts entlastet, indem dort im Betrieb der Anlage weniger Gas und Flüssigkeit fließen. Beispielsweise beträgt das Verhältnis zwischen der dort und in der Sauerstoffsäule aufsteigenden Gasmenge von 20 zu 80 bis 50 zu 50.
Der betreffende Teil des Sauerstoffabschnitts kann daher mit einer verringerten Kapazität ausgestattet werden, beispielsweise durch Verwendung einer dichteren Packung. Dadurch steigt aber die Wirksamkeit des Abschnitts und der Abschnitt kann niedriger gebaut werden. Auf diese Weise verringert sich die Bauhöhe der Niederdrucksäule beziehungsweise der gesamten Doppelsäule. Vorfertigung, Transport und Aufbau der Doppelsäule erfordern entsprechend weniger Aufwand.
Die Sauerstoffsäule wird vorzugsweise so ausgebildet, dass die Sauerstoffkonzentration in ihrem Sumpf gleich derjenigen im Sumpf der Niederdrucksäule ist. Der oben beschriebene ”Teil des Sauerstoffabschnitts” wird dabei durch den gesamten Sauerstoffabschnitt zwischen Sumpf der Niederdrucksäule und Gasleitung zur Argon-Sauerstoff-Säule gebildet.
In einer ersten Variante der Erfindung werden die Mittel zum Einleiten eines sauerstoffreichen Gases durch eine Sauerstoffgasleitung zur Einleitung von sauerstoffreichem Gas aus der Niederdrucksäule in den Sumpfbereich der Sauerstoffsäule gebildet. Grundsätzlich kann die Sauerstoffsäule auch in dieser Variante zusätzlich einen Sumpfverdampfer aufweisen; im Allgemeinen wird sie aber in der ersten Variante ohne Sumpfheizung ausgeführt. Die Lastverteilung kann über eine zusätzliche Flüssigleitung, die vorzugsweise an der gleichen Stelle der Niederdrucksäule abgezogen wird wie die Gasleitung, verschoben werden. In diesem Falle würde man Gas aus der Sauerstoffsäule in die Niederdrucksäule zurückführen, um die Argon-Sauerstoff-Säule nicht unnötig zu belasten.
In einer zweiten Variante weist die Sauerstoffsäule eine Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung auf, die als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verdampfungsraum der Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung insbesondere in Strömungsverbindung mit dem Sumpfbereich der Sauerstoffsäule steht. Idealerweise ist die Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung so angeordnet, dass die Sumpfflüssigkeit der Sauerstoffsäule kraft des hydrostatischen Druckgefälles in die Niederdrucksäule fließen kann.
Bei der zweiten Variante kann das Destillationssäulen-System außerdem eine zweite Hochdrucksäule aufweisen, die unterhalb des Behälters der Argon-Sauerstoff-Säule angeordnet ist und deren Kopfbereich mit dem Verflüssigungsraum der Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung in Strömungsverbindung steht; in der Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung wird also Kopfgas der zweiten Hochdrucksäule verflüssigt. Die Kombination aus Argon-Sauerstoff-Säule und Sauerstoffsäule (oben) und zweiter Hochdrucksäule (unten) bilden also eine Art Doppelsäule mit der Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung als ”Hauptkondensator”.
Auf diese Weise kann nicht nur der Sauerstoffabschnitt der Niederdrucksäule, sondern auch ein Teil der ersten Hochdrucksäule oder die gesamte erste Hochdrucksäule auf die oben beschriebene Weise entlastet und damit niedriger gebaut werden. Die Kapazitätsaufteilung zwischen erster und zweiter Hochdrucksäule beträgt beispielsweise etwa 60 zu 40. In Einzelfällen könnte man die Last zwischen den beiden parallel arbeitenden Systemen so aufteilen, dass eine Hochdrucksäule am Kopf das gasförmige Druckstickstoffprodukt produziert und die andere, parallele Hochdrucksäule kein gasförmiges Druckstickstoffprodukt erzeugt. Damit kann man in der letzteren Hochdrucksäule den Abschnitt zur Druckstickstoffproduktion einsparen.
Grundsätzlich kann die zweite Hochdrucksäule der kompletten ersten Hochdrucksäule parallel geschaltet sein. In vielen Fällen ist es jedoch günstiger, wenn der Sumpfbereich der zweiten Hochdrucksäule über eine Stickstoffgaszuleitung und eine Flüssigstickstoffrückleitung mit einer Zwischenstelle der ersten Hochdrucksäule verbunden ist. Damit wirkt die Entlastung gezielt für den Bereich der ersten Hochdrucksäule oberhalb der Verbindung mit der Stickstoffgaszuleitung. Dabei wird Stickstoffgas von einer Zwischenstelle der ersten Hochdrucksäule in die zweite Hochdrucksäule eingeleitet, und flüssiger Stickstoff aus dem Sumpf der zweiten Hochdrucksäule wird zu der Zwischenstelle der ersten Hochdrucksäule zurückgeleitet.
Der Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensator kann im Sumpf einer Seitenkolonne angeordnet sein, und eine, mehrere oder alle der folgenden Flüssigfraktionen können in die Seitenkolonne eingeleitet werden:

– ein Teil der Sumpfflüssigkeit der ersten Hochdrucksäule,
– ein Teil einer flüssigen Einsatzluftfraktion beziehungsweise einer entsprechenden aus der ersten Hochdrucksäule entnommenen Fraktion,
– ein Teil einer flüssigen Stickstofffraktion von einer Zwischenstelle der ersten Hochdrucksäule,
– ein Teil eines arbeitsleistend entspannten Luftstroms.

Außerdem können die Argon-Sauerstoff-Säule durch eine Argonausschleussäule und der Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensator durch einen Argonausschleussäulen-Kopfkondensator gebildet werden.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Ausführungsform der ersten Variante des erfindungsgemäßen Destillationssäulen-Systems ohne Sumpfheizung der Sauerstoffsäule,
2 eine erste Ausführungsform der zweiten Variante mit Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung und kurzer zweiter Hochdrucksäule,
3 eine zweite Ausführungsform der zweiten Variante mit längerer zweiter Hochdrucksäule,
4 eine dritte Ausführungsform der zweiten Variante mit noch längerer zweiter Hochdrucksäule,
5 eine vierte Ausführungsform der zweiten Variante, die auf 2 basiert und zusätzlich einen Stoffaustauschbereich oberhalb des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators aufweist und
6 eine fünfte Ausführungsform der zweiten Variante, bei welcher der oberste Abschnitt der zweiten Hochdrucksäule eingespart wird.
In allen Ausführungsbeispielen sind der warme Teil der Luftzerlegungsanlage sowie der Hauptwärmetauscher auf fachübliche Weise ausgeführt und daher in den Zeichnungen nicht dargestellt. Bei allen Ausführungsbeispielen werden die Argon-Sauerstoff-Säule durch eine Argonausschleussäule und der Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensator durch einen Argonausschleussäulen-Kopfkondensator gebildet. Die Ausführungsformen sind aber grundsätzlich ebenso für den Fall geeignet, dass die Argon-Sauerstoff-Säule durch eine Rohargonsäule gebildet wird, also mehr theoretische Böden als eine Argonausschleussäule aufweist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 wird ein erster Einsatzluftstrom 1, der von Wasser und Kohlendioxid gereinigt und auf etwa Taupunkt abgekühlt wurde, unter einem Druck von beispielsweise 5,5 bara gasförmig in eine erste Hochdrucksäule 2 eingeleitet. Die erste Hochdrucksäule 2 bildet zusammen mit dem Hauptkondensator 3 und der Niederdrucksäule 4 eine Doppelsäule, das heißt die drei Apparate sind übereinander angeordnet, wie es auch in der Zeichnung dargestellt ist. Ein zweiter Einsatzluftstrom 5 wird flüssig in die erste Hochdrucksäule 2 eingeleitet; ein Teil 6 davon wird gleich wieder entnommen, in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 7 abgekühlt und über Leitung 7 in die Niederdrucksäule 4 eingespeist.
Der gasförmige Kopfstickstoff 8 der ersten Hochdrucksäule wird zu einem Teil 9 in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 3 eingeleitet. Dabei erzeugter Flüssigstickstoff 10 wird zu einem ersten Teil 11 im Unterkühlungs-Gegenströmer 7 abgekühlt und als Flüssigstickstoffprodukt LIN gewonnen. Der Rest 12 wird als Rücklauf auf den Kopf der ersten Hochdrucksäule 2 aufgegeben. Über Leitung 13 kann ein anderer Teil des gasförmigen Kopfstickstoffs 8 der ersten Hochdrucksäule 2 als gasförmiges Druckprodukt gewonnen werden. Unreiner flüssiger Stickstoff 14 wird von einer Zwischenstelle der ersten Hochdrucksäule 2 abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 7 abgekühlt und über Leitung 15 auf den Kopf der Niederdrucksäule 4 aufgegeben.
Aus der Niederdrucksäule 4 wird als Hauptprodukt der Anlage Sauerstoff abgezogen, und zwar als flüssiger Sauerstoff 16 vom Sumpf der Niederdrucksäule 4 (beziehungsweise aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators 3). Der flüssige Sauerstoff wird über Leitung 17 einer Innenverdichtung zugeführt. Er wird dabei in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher verdampft oder pseudo-verdampft (falls der erhöhte Druck überkritisch ist) und schließlich als gasförmiges Druckprodukt abgegeben (diese Verfahrensschritte und die entsprechenden Apparateteile sind hier nicht dargestellt).
Eine andere Flüssigsauerstofffraktion 41 wird oberhalb des Hauptkondensators 3 abgezogen, gegebenenfalls im Unterkühlungs-Gegenströmer 7 abgekühlt und schließlich als Flüssigsauerstoffprodukt LOX gewonnen. Am Kopf der Niederdrucksäule 4 wird gasförmiger Unreinstickstoff 18 als Restgas entnommen und durch den Unterkühlungs-Gegenströmer 7 und über Leitung 19 zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers geführt.
Eine Argonausschleussäule 26 ist in einem Behälter 20 angeordnet. Weiter unten im selben Behälter 20 befindet sich eine Sauerstoffsäule 36. Der Behälter, die Argonausschleussäule 26 und die Sauerstoffsäule 36 sind durch über eine Gasleitung 21 und eine Flüssigkeitsleitung 22 mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule 4 verbunden. Mit den beiden Leitungen kann man die Kapazität in der Sauerstoffsäule 36 einstellen. Ist die Flüssigkeitsleitung 22 geschlossen (oder fehlt sie), wird die Kapazität zwischen den beiden Säulen genau so verteilt, dass der Umsatz im Abtrieb (der Sauerstoffsäule 36) dem Umsatz des Auftriebs (der Argonausschleussäule) entspricht. Soll mehr Kapazität in den Abtrieb des Behälters 20 (die Sauerstoffsäule 36) verschoben werden, wird über die Flüssigleitung 22 – entgegen der in 1 eingezeichneten Strömungsrichtung – Flüssigkeit von der Niederdrucksäule 4 in die Sauerstoffsäule 36 transportiert. Diese zusätzliche Kapazität wird als entsprechende Gasmenge der Sauerstoffsäule unterhalb der Argonausschleussäule entnommen und der Niederdrucksäule zugeführt. (Im Rahmen der Erfindung können Gasleitung 21 und Flüssigkeitsleitung 22 auch in einer einzigen Leitung mit besonders großem Querschnitt kombiniert werden.)
Die Argonausschleussäule weist einen Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 23 auf, dessen Verflüssigungsraum über die Leitungen 24 (Gas) und 25 (Flüssigkeit) mit dem Kopf der Argonausschleussäule in Strömungsverbindung steht. Der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 23 kann – wie dargestellt – als Badverdampfer realisiert sein. Statt des einstöckigen Verdampfers kann auch ein mehrstöckiger Kondensator-Verdampfer eingesetzt werden, beispielsweise ein Kaskadenkondensator gemäß EP 1287302 B1 = US 6748763 B2 . Auf der Verflüssigungsseite kann er als Rücklaufkondensator ausgebildet sein.
Über Leitungen 28, 29, 30 und den Unterkühlungs-Gegenstromer 7 steht der Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 23 mit dem Sumpf der ersten Hochdrucksäule in Strömungsverbindung. Im Betrieb des Destillationssäulen-Systems wird über diese Leitungen 28, 29, 30 flüssiger Rohsauerstoff aus dem Sumpf der ersten Hochdrucksäule 2 herangeführt. Dieser verdampft teilweise und wird anschließend über eine Gasleitung 31 beziehungsweise eine Flüssigkeitsleitung 32 in die Niederdrucksäule 4 eingeführt. Der Teil 33 des flüssigen Rohsauerstoffs, der nicht in den Argonausschleussäulen-Kopfkondensator eingeleitet wird, strömt direkt in die Niederdrucksäule 4. Alternativ kann die ganze Menge 29 über den Kondensator 23 geführt werden.
Über die Gasleitung 21 (und/oder aus der Sauerstoffsäule 36) strömt ein Gemisch in die Argonausschleussäule 26, das etwa 10 mol-% Argon enthält und im Übrigen hauptsächlich aus Sauerstoff besteht. In der Argonausschleussäule 26 wird Argon angereichert. Über Leitung 27 verlässt ein Restgas die Argonausschleussäule 26 beziehungsweise den Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 23, das etwa 75 mol-% Argon enthält. Leitung 27 führt wiederum zum kalten Ende des nicht dargestellten Hauptwärmetauschers.
Insoweit entspricht die Argonausschleussäule 26 einer üblichen Argonausschleussäule. Gemäß der Erfindung ist in ihrem Behälter 20 zusätzlich die Sauerstoffsäule 36 eingebaut, der in dem Behälter 20 unterhalb der Gasleitung 21 und damit unterhalb der Argonausschleussäule 26 angeordnet ist. Außerdem weist die Sauerstoffsäule 36 in ihrem Sumpfbereich Mittel 35 zum Einleiten eines sauerstoffreichen Gases auf.
Innerhalb der Sauerstoffsäule 36 wird die herabfließende Flüssigkeit an Argon abgereichert. Die Sumpfflüssigkeit 34 der Sauerstoffsäule 36 hat etwa die gleiche Zusammensetzung wie die Sumpfflüssigkeit 16 der Niederdrucksäule 4 und wird mit dieser vermischt. Alternativ kann die Sumpfflüssigkeit 34 ganz oder teilweise in die Leitung 41 eingespeist und als Flüssigprodukt LOX gewonnen werden (in der Zeichnung nicht dargestellt).
In umgekehrter Richtung wird gasförmiger Sauerstoff 35 aus dem Sumpfbereich der Niederdrucksäule 4 beziehungsweise aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators 3 in den Sumpfbereich der Sauerstoffsäule 36 20 eingeleitet und dient dort als aufsteigendes Gas.
In einem der untersten Packungsabschnitte 37, 38 der Niederdrucksäule 4 und der Argonausschleussäule 20 oder beiden wird unten eine oder mehrere Lagen Kupferpackung 40, 39 eingesetzt. Unter ”Kupfer” wird hier reines Kupfer oder eine Legierung mit einem Kupfergehalt von mindestens 67%, vorzugsweise mindestens 80%, höchst vorzugsweise mindestens 90% verstanden (jeweils bezogen auf die Masse). Insbesondere umfasst der Begriff ”Kupfer” sämtliche in Anhang C des EIGA-Dokuments IGC Doc 13/02/E als ”Kupfer” und ”Kupfer-Nickel-Legierungen” bezeichneten Materialien (”Copper”/”Copper-Nickel Alloys” in EIGA – OXYGEN PIPELINE SYSTEMS – IGC Doc 13/02/E herausgegeben 10 von der European Industrial Gases Association).
Die übrigen Packungslagen der untersten Packungsabschnitte 37, 38 der Niederdrucksäule werden durch eine übliche geordnete Aluminiumpackung gebildet. Die Einzelheiten der Verwendung einer Kupferpackung in der Niederdrucksäule sind in EP 2645031 A1 beschrieben.
Bei dem Ausführungsbeispiel strömen 60% des im Hauptkondensator 3 erzeugten gasförmigen Sauerstoffs als aufsteigendes Gas in den untersten Stoffaustauschabschnitt 37 der Niederdrucksäule 4. Die übrigen 40% gehen über Leitung 35 in die Sauerstoffsäule 36 und bilden im dortigen untersten Stoffaustauschabschnitt 38 den aufsteigenden Dampf. Damit wird der Sauerstoffabschnitt der Niederdrucksäule 4 (bis hoch zur Gaszuleitung 21) um 40% entlastet. Entsprechend kann dort eine besonders dichte Packung eingesetzt und damit Bauhöhe gespart werden. Vorzugsweise wird beim Auslegen der Anlage die Last zwischen den beiden Säulen so verteilt, dass sich möglichst geringe Säulenhöhen für beide Säulen ergeben.
2 unterscheidet sich von 1 durch

– eine Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung 203 und
– eine zweite Hochdrucksäule 202

Im Verflüssigungsraum der Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung 203 wird ein Teil 209 des Kopfstickstoffs 208 der zweiten Hochdrucksäule 202 kondensiert; der Rest 213 kann als gasförmiges Druckprodukt gewonnen und dabei gegebenenfalls mit Kopfstickstoff 13 aus der ersten Hochdrucksäule 2 vermischt werden. Das direkte Stickstoffprodukt aus den Hochdrucksäulen wird dann über eine gemeinsame Leitung 113 zum Hauptwärmetauscher geführt. Der in der Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung 203 gewonnene flüssige Stickstoff 210 wird zu einem ersten Teil 212 der ersten Hochdrucksäule 2 und zu einem zweiten Teil 211 der zweiten Hochdrucksäule 202 als Rücklauf aufgegeben.
Wie in 1 werden die flüssigen Sauerstofffraktionen 16, 34 aus den Sümpfen der Sauerstoffsäule 36 und der Niederdrucksäule 4 vereinigt (17). Dies kann entweder über eine gemeinsame Verrohrung oder dadurch erfolgen, dass – abweichend von der Zeichnung – die Sumpfflüssigkeit einer Säule in den Sumpf der anderen geleitet und von dort das gemeinsame Produkt abgezogen wird. Der Sumpf der zweiten Hochdrucksäule 202 ist über eine Gaszuleitung 241 für unreinen gasförmigen Stickstoff und eine Flüssigkeitsrückleitung 242 für unreinen flüssigen Stickstoff mit einer Zwischenstelle der ersten Hochdrucksäule 2 verbunden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden der Hauptkondensator 3 und der oberste Abschnitt der ersten Hochdrucksäule 2 zusätzlich zum Sauerstoffabschnitt der Niederdrucksäule 4 entlastet, indem 40% des in der ersten Hochdrucksäule 2 aufsteigenden Dampfs über die Gaszuleitung 241 in die zweite Hochdrucksäule 202 geleitet werden. Entsprechend weniger Gas kondensiert im Hauptkondensator 3; die ”fehlende” Flüssigstickstoffmenge wird in der Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung 203 erzeugt. Damit kann die Bauhöhe des Hauptkondensators 3 und des obersten Abschnitts (über der Gaszuleitung 241) der ersten Hochdrucksäule 2 reduziert werden.
3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels von 2. Mittels eines zusätzlichen Stoffaustauschabschnitts 350 in der zweiten Hochdrucksäule 202 kann die herabfließende Flüssigkeit weiter an Sauerstoff angereichert werden, zum Beispiel auf etwa 20 Prozent. Über eine Gaszuleitung 341 und eine Flüssigkeitsrückleitung 342 ist der Sumpf der zweiten Hochdrucksäule mit einer zweiten Zwischenstelle der ersten Hochdrucksäule 2 verbunden, vorzugsweise mit der Stelle, an der die flüssige Einsatzluft 5 eingespeist wird. Auf diese Weise wird zusätzlich der Abschnitt der ersten Hochdrucksäule 2 zwischen den Leitungen 242 und 341 entlastet.
In 4 enthält die zweite Hochdrucksäule 202 gegenüber 3 noch einen weiteren Stoffaustauschabschnitt 450 und kann damit vollständig parallel zur ersten Hochdrucksäule 2 betrieben werden. Die sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit 442 der zweiten Hochdrucksäule 202 wird mit der Sumpfflüssigkeit 28 aus der ersten Hochdrucksäule vereinigt und gemeinsam über die Leitung 428 weitergeführt. Aufsteigendes Gas für die zweite Hochdrucksäule 202 wird durch einen Teil 401 des ersten, gasförmigen Einsatzluftstroms 1 gebildet, der in den Sumpfbereich der zweiten Hochdrucksäule 202 eingeleitet wird. Hier kann die Belastung der kompletten ersten Hochdrucksäule optimiert werden, in dem entsprechende Mengen in die zweite Hochdrucksäule eingeleitet und von ihr abgezogen werden. Die Bauhöhe der ersten Hochdrucksäule kann damit weiter reduziert werden.
5 zeigt eine weitere Abwandlung der Ausführungsform von 2. Hier wird eine Seitenkolonne 504 zur Niederdrucksäule 4 eingesetzt, wobei der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 23 als Sumpfverdampfer der Seitenkolonne 504 wirkt. Wenn Seitenkolonne 504, Behälter 20 mit Argonausschleussäule 26 und Sauerstoffsäule 36 und zweite Hochdrucksäule 202 – wie in 5 dargestellt – übereinander angeordnet sind, ergeben sie eine Dreifachsäule. Über eine Sumpfflüssigkeitsleitung 32 wird der in dem Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 23 nicht verdampfte Anteil der Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule 4 zugeführt, und zwar an einer Zwischenstelle, die oberhalb der Zwischenstelle liegt, an der die Niederdrucksäule 4 über eine Gasleitung 21 und eine Flüssigleitung 22 für eine argonangereicherte. Fraktion mit der Argonausschleussäule 26 verbunden ist.
Außerdem wird nur ein erster Teil 30 der Sumpfflüssigkeit 28, 29 aus der ersten Hochdrucksäule 2 der Seitenkolonne 504 in den Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 23 geleitet. Ein zweiter Teil 530 wird der Seitenkolonne 504 an einer Zwischenstelle zugeleitet. Ein dritter Teil 33 wird direkt in die Niederdrucksäule 4 eingespeist. Eine weitere flüssige Einsatzfraktion für die Seitenkolonne 504 wird durch einen Teil 507 der flüssigen Einsatzluft 7 (beziehungsweise der entsprechenden aus der ersten Hochdrucksäule entnommenen Fraktion) gebildet. Am Kopf der Seitenkolonne 504 wird unreiner Stickstoff 518 gewonnen, der die gleiche oder eine ähnliche Zusammensetzung wie das Kopfprodukt 18 der Niederdrucksäule 4 aufweist. Die beiden gasförmigen Unrein-Stickstoff-Ströme 18, 518 werden gemeinsam über Leitung 519 zur Anwärmung geführt.
Alternativ können die beiden Stickstoffströme 18, 518 auch getrennt zum und durch den HWT geleitet werden, sodass die Niederdrucksäule und die Seitenkolonne mit unterschiedlichen Kopfdrücken gefahren werden können.
Selbstverständlich kann die Seitenkolonne 504 der 5 auch mit den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 kombiniert werden.
Zum Beispiel zeigt 6 eine Kombination der Seitenkolonne 504 der 5 mit einer zweiten Hochdrucksäule 202 gemäß 4; abweichend von 4 ist hier die zweite Hochdrucksäule 202 nur am Sumpf (Leitung 442) und am Kopf (Leitungen 211 und 213) mit der ersten Hochdrucksäule 2 verbunden. Die zweite Hochdrucksäule 202 erzeugt hier lediglich unreinen Stickstoff 208, der in flüssiger Form 211 in der ersten Hochdrucksäule 2 und/oder in der Niederdrucksäule 4 als Rücklauf genutzt werden kann. Dadurch kann die zweite Hochdrucksäule 202 deutlich kürzer und damit kostengünstiger als in 4 ausgeführt werden. Ein Druckprodukt unmittelbar vom Kopf der zweiten Hochdrucksäule 202 wird hier nicht gewonnen. Mit einem Wechsel zwischen den Ausführungen der zweiten Hochdrucksäule nach 4 und 6 kann die Kolonnengröße flexibel an die vorhandenen Randbedingungen angepasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1287302 B1 [0007, 0039]
US 6748763 B2 [0007, 0039]
US 5235816 [0011]
EP 2645031 A1 [0046]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) [0002]
Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No. 2, 1967, Seite 35) [0002]

Claims

Destillationssäulen-System zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit – einer ersten Hochdrucksäule (2) und einer Niederdrucksäule (4), die übereinander angeordnet sind, – einem Hauptkondensator (3), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (3) mit dem Kopf der ersten Hochdrucksäule (2) in Strömungsverbindung (16, 9, 10, 12) steht und der Verdampfungsraum des Hauptkondensators (3) mit dem Sumpf der Niederdrucksäule (4) in Strömungsverbindung steht, – einer Argon-Sauerstoff-Säule (26), die in einem Behälter (20) angeordnet ist und in ihrem unteren Bereich über eine Gasleitung (21) und/oder eine Flüssigkeitsleitung (22) mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule (4) verbunden ist, – und mit einem Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensator (23), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verflüssigungsraum des Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensators (23) mit dem Kopf der Argon-Sauerstoff-Säule (26) in Strömungsverbindung (24, 25) steht und der Verdampfungsraum des Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensators (23) mit dem Sumpf der ersten Hochdrucksäule (2) in Strömungsverbindung (28, 29, 30) steht, dadurch gekennzeichnet, dass – der Behälter (20) der Argon-Sauerstoff-Säule (26) eine Sauerstoffsäule (36) enthält, die unterhalb der Argon-Sauerstoff-Säule angeordnet ist, und dass – die Sauerstoffsäule (36) in ihrem Sumpfbereich Mittel (35, 203) zum Einleiten eines sauerstoffreichen Gases und Mittel (34) zum Entnehmen einer sauerstoffreichen Flüssigkeit aufweist.
Destillationssäulen-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einleiten eines sauerstoffreichen Gases durch eine Sauerstoffgasleitung (35) zur Einleitung von sauerstoffreichem Gas aus der Niederdrucksäule (4) in den Sumpfbereich der Sauerstoffsäule (36) gebildet werden.
Destillationssäulen-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung (203), die als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verdampfungsraum der Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung (203) in Strömungsverbindung mit dem Sumpfbereich der Sauerstoffsäule (36) steht.
Destillationssäulen-System nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine zweite Hochdrucksäule (202), die unterhalb des Behälters (20) der Argon-Sauerstoff-Säule (26) angeordnet ist und deren Kopfbereich mit dem Verflüssigungsraum der Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung (203) in Strömungsverbindung (208, 209, 210, 212) steht.
Destillationssäulen-System nach einem der Ansprüche 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sumpfbereich der zweiten Hochdrucksäule (202) über eine Stickstoffgaszuleitung (241) und eine Flüssigstickstoffrückleitung (242) mit einer Zwischenstelle der ersten Hochdrucksäule (2) verbunden ist.
Destillationssäulen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Seitenkolonne (504), in deren Sumpf der Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensator (23) angeordnet ist und die Mittel zum Einleiten einer, mehrerer oder aller der folgenden Flüssigfraktionen aufweist: – ein Teil (530) der Sumpfflüssigkeit (28, 29) der ersten Hochdrucksäule (2), – ein Teil (507) einer flüssigen Einsatzluftfraktion (5) beziehungsweise einer entsprechenden aus der ersten Hochdrucksäule (2) entnommenen Fraktion (7), – ein Teil (515) einer flüssigen Stickstofffraktion (14, 15) von einer Zwischenstelle der ersten Hochdrucksäule (2), – ein Teil eines arbeitsleistend entspannten Luftstroms.
Destillationssäulen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Argon-Sauerstoff-Säule durch eine Argonausschleussäule und der Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensator durch einen Argonausschleussäulen-Kopfkondensator gebildet werden.
Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System, das – eine erste Hochdrucksäule (2) und eine Niederdrucksäule (4) aufweist, die übereinander angeordnet sind, sowie einen Hauptkondensator (3) umfasst, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (3) mit dem Kopf der ersten Hochdrucksäule (2) in Strömungsverbindung (16, 9, 10, 12) steht und der Verdampfungsraum des Hauptkondensators (3) mit dem Sumpf der Niederdrucksäule (4) in Strömungsverbindung steht, – und außerdem eine Argon-Sauerstoff-Säule (26) enthält, die in einem Behälter (20) angeordnet ist und in ihrem unteren Bereich über eine Gasleitung (21) und/oder eine Flüssigkeitsleitung (22) mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule (4) verbunden ist, – und einen Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensator (23) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verflüssigungsraum des Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensators (23) mit dem Kopf der Argon-Sauerstoff-Säule (20) in Strömungsverbindung (24, 25) steht und der Verdampfungsraum des Argon-Sauerstoff-Säulen-Kopfkondensators (23) mit dem Sumpf der ersten Hochdrucksäule (2) in Strömungsverbindung (28, 29, 30) steht, – wobei Einsatzluft (1) in die erste Hochdrucksäule 2 eingeleitet wird und ein Sauerstoff-Produktstrom 17 aus der Niederdrucksäule (4) abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – der Behälter (20) der Argon-Sauerstoff-Säule (26) eine Sauerstoffsäule (36) enthält, die unterhalb der Argon-Sauerstoff-Säule angeordnet ist, und dass – ein sauerstoffreiches Gas in den Sumpfbereich der Sauerstoffsäule (36) eingeleitet (35, 203) wird und – eine sauerstoffreiche Flüssigkeit aus dem Sumpfbereich der Sauerstoffsäule (36) entnommen (34) wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein sauerstoffreiches Gas aus der Niederdrucksäule (3) in den Sumpfbereich der Sauerstoffsäule (36) eingeleitet (35) wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Sauerstoffsäulen-Sumpfheizung (203), die als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, Sumpfflüssigkeit der Sauerstoffsäule (36) verdampft wird.