EP0377117A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Luftzerlegung - Google Patents

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EP0377117A1
EP0377117A1 EP89122047A EP89122047A EP0377117A1 EP 0377117 A1 EP0377117 A1 EP 0377117A1 EP 89122047 A EP89122047 A EP 89122047A EP 89122047 A EP89122047 A EP 89122047A EP 0377117 A1 EP0377117 A1 EP 0377117A1
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EP
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argon
rectification
column
oxygen
low
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EP0377117B1 (de
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Wilhelm Rohde
Horst Dipl.-Ing. Corduan
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for air separation by low-temperature rectification of air, in which air is compressed, pre-cleaned, cooled, fed to a two-stage rectification and broken down into an oxygen-rich and a nitrogen-rich fraction, with another from the low-pressure stage of the rectification Argon-enriched oxygen fraction is removed and broken down into crude argon in a crude argon rectification and into a heavy-boiling residual fraction.
  • the main products of air separation, oxygen and nitrogen, can be taken directly from the two-stage rectification.
  • Argon on the other hand, whose boiling temperature is between the boiling temperatures of oxygen and nitrogen, accumulates in the middle region of the low-pressure stage of the rectification.
  • a fraction consisting essentially of oxygen is removed, with which a large part of the argon contained in the feed air is drawn off.
  • This fraction is obtained by rectification in a raw argon column in raw argon and in a liquid Residual fraction disassembled. The remaining fraction is returned to the low pressure stage.
  • a method of the type mentioned is known from DE-OS-34 36 897.
  • gaseous crude argon is obtained, which consists of approximately 95% argon and is contaminated with approximately 3% oxygen and 2% nitrogen (all percentages relate to the volume).
  • the oxygen can only be incompletely removed in the processes known hitherto during rectification in the crude argon column, which usually contains about 60 rectification trays, since the boiling points of argon and oxygen are extremely close to one another.
  • the difference in boiling temperatures is, for example, 2.9 K at a pressure of 1 bar.
  • the oxygen is separated from the crude argon in a so-called deoxo device by burning the oxygen with admixed hydrogen and separating the water formed in a dryer.
  • a deoxo device by burning the oxygen with admixed hydrogen and separating the water formed in a dryer.
  • Such a deoxo device is a complex apparatus and, above all, causes high operating costs due to the not inconsiderable consumption of hydrogen.
  • the provision of the hydrogen is particularly complex if this does not occur anyway in chemical processes that are carried out at the location of the air separation plant.
  • the invention has for its object to develop a method and an apparatus of the type mentioned, which are characterized by a low level of equipment and low operating costs.
  • the head of the rectification column in which such a separation is to be carried out has to be generated be cooled by return.
  • This head cooling only an indirect heat exchange with the bottom fraction from the pressure stage comes into question, as is usually also used in the crude argon rectification.
  • the bottom fraction is expanded in a top condenser and liquefied there. Indirect heat exchange absorbs heat from condensing gas in the top of the crude argon column.
  • the evaporated bottom fraction is introduced into the low pressure column.
  • a prerequisite for the fact that return can be generated in this way is, however, that the condensation temperature of the gas at the top of the column to be cooled is higher than the evaporation temperature of the evaporating bottom liquid. These temperatures are determined by the pressures of the respective fractions.
  • an exclusively rectifying separation of the oxygen is nevertheless maintained.
  • rectification trays are dispensed with in the device according to the invention and instead structured packings or fillers are used which bring about a substantially lower pressure drop within the rectification column. Since there was no empirical data on the effect of structured packings or packing elements in air rectification, it was only with the experience gained in a larger test facility that the possible implementation of packs in this area and especially in the crude argon column could be assessed. The tests showed that with a theoretical number of trays between 150 and 200, preferably about 180, an oxygen content of less than 1 ppm in the raw argon is possible with an economical argon yield.
  • the invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment shown schematically in the drawing.
  • the figure shows in simplified form a process for air separation with subsequent argon extraction, which is carried out purely by rectification according to the invention.
  • Air is drawn in from the compressor 2 via line 1 and freed of water vapor and carbon dioxide in a cleaning stage 3.
  • the air is then cooled in a heat exchanger 4 in countercurrent to product gases and partly introduced via line 5 into the pressure column 10 of a two-stage rectification column 9.
  • Another part of the air is branched off in the heat exchanger 4 at an average temperature (line 6), expanded in a turbine 7 while performing work, and fed to the low-pressure column 11 via line 8.
  • a condenser-evaporator 12 gas is condensed from the top of the pressure column against evaporating bottom liquid of the low-pressure column, and is fed as a return to the pressure column. From the Pressure column nitrogen gas (line 15) and liquid (line 14) is removed. A portion of the liquid nitrogen is fed as a return liquid into the low pressure column via line 18. Sump liquid is fed out of the pressure column via line 13 and partly fed via line 16 to the central region of the low pressure column.
  • Gaseous nitrogen (line 20) and gaseous oxygen (line 21) are taken from the low-pressure column as product streams and then heated in the heat exchanger 4 to almost ambient temperature.
  • Another fraction leaves the low-pressure column via line 22.
  • This fraction contains 87-92%, preferably 90% oxygen, 8-13%, preferably 10% argon and also about 0.05% nitrogen and is fed into the lower region of a crude argon column 24.
  • the top condenser 26 of the crude argon column 24 is cooled by vaporizing liquid which is fed from the bottom of the pressure column 10 via line 17.
  • the bottom liquid in line 17 contains 35-40% oxygen and is expanded to approximately the pressure of the low pressure column before being introduced into the top condenser 26.
  • the evaporated portion is introduced via line 19 into the low pressure column.
  • the raw argon column 24 is equipped with structured packings which correspond to a theoretical number of plates from 170 to 200, preferably approximately 180, and is operated under the pressure of the low pressure column from 1.2 to 1.6, preferably approximately 1.3 bar. Instead of the packs, too Packings with a similarly low pressure drop can be used.
  • Raw argon is removed in gaseous form via line 25 and contains only about 1 ppm oxygen. A part of this raw argon is liquefied in the top condenser 26 and returned to the raw argon column as a return. The remaining raw argon is condensed in a raw argon liquefier 28 by heat exchange with evaporating nitrogen 29, which comes from the pressure column.
  • the nitrogen remaining in the crude argon is separated off in the pure argon column, which, like the large rectification column 9, can be designed in a conventional manner with trays.
  • the bottom of the column is heated by nitrogen gas which is fed from the pressure column via line 15.
  • the condensed nitrogen 31 is used together with the liquid 32 removed from the pressure column to cool the head of the pure argon column.
  • gas is withdrawn via line 34 and partly liquefied in the top condenser 33 and returned to the pure argon column 30.
  • the remaining part is discharged via line 37 as residual gas, which consists essentially of nitrogen.
  • Liquid pure argon is removed via line 39 and still contains a total of 1-10 ppm, preferably 3 ppm, of impurities.

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturrektifikation beschrieben, bei denen Argon ausschließlich durch Rektifikation gewonnen wird. Eine Rohargonsäule (24) wird mit mindestens 150 theoretischen Rektifizierböden ausgestattet, so daß in ihr eine vollständige Abtrennung des Sauerstoffs möglich ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturrektifikation von Luft, bei dem Luft verdichtet, vorgereinigt, abgekühlt, einer zweistufigen Rektifikation zugeführt und in eine sauerstoffreiche und in eine stickstoffreiche Fraktion zerlegt wird, wobei aus der Niederdruckstufe der Rektifikation eine weitere, mit Argon angereicherte Sauerstofffraktion entnommen und in einer Rohargonrektifikation in Rohargon und in eine schwerersiedende Restfraktion zerlegt wird.
  • Die Hauptprodukte einer Luftzerlegung, Sauerstoff und Stickstoff, können unmittelbar aus der zweistufigen Rektifikation entnommen werden. Argon dagegen, dessen Siedetemperatur zwischen den Siedetemperaturen von Sauerstoff und Stickstoff liegt, reichert sich im mittleren Bereich der Niederdruckstufe der Rektifikation an. An dieser Stelle wird eine im wesentlichen aus Sauerstoff bestehende Fraktion entnommen, mit der ein großer Teil des in der Einsatzluft enthaltenen Argons abgezogen wird. Diese Fraktion wird durch Rektifikation in einer Rohargonsäule in Rohargon und in eine flüssige Restfraktion zerlegt. Die Restfraktion wird in die Niederdruckstufe zurückgeführt.
  • Ein Verfahren der eingangs gennanten Art ist aus der DE-OS-34 36 897 bekannt. Dort wird im Anschluß an eine zweistufige Luftrektifikation in einer Rohargonsäule gasförmiges Rohargon gewonnen, das zu etwa 95% aus Argon besteht und haptsächlich durch ca. 3% Sauerstoff und 2% Stickstoff verunreinigt ist (alle Prozentangaben beziehen sich auf das Volumen). Der Sauerstoff kann bei den bisher bekannten Verfahren bei der Rektifikation in der Rohargonkolonne, die üblicherweise etwa 60 Rektifizierböden enthält, nur unvollständig entfernt werden, da die Siedepunkte von Argon und Sauerstoff außerordentlich dicht beieinander liegen. Die Differenz der Siedetemperaturen beträgt beispielsweise 2,9 K bei einem Druck von 1 bar.
  • Soll reines Argon gewonnen werden, das weniger als 1% Verunreinigungen enthält, so muß der restliche Sauerstoff, der einen geringfügig höheren Siedepunkt als Argon aufweist, aus dem auf die bekannte Weise gewonnene Rohargon entfernt werden, bevor der leichterflüchtige Stickstoff in einer Reinargonsäule rektifikatorisch abgetrennt wird.
  • Die Abtrennung des Sauerstoffs aus dem Rohargon wird bei den bekannten Verfahren in einer sogenannten Deoxo-Vorrichtung durchgeführt, indem der Sauerstoff mit zugemischtem Wasserstoff verbrannt und das dabei entstandene Wasser in einem Trockner abgetrennt wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DE-OS-34 28 968 veröffentlicht worden.
  • Eine derartige Deoxo-Vorrichtung stellt eine aufwendige Apparatur dar und verursacht vor allem hohe Betriebskosten durch den nicht unerheblichen Verbrauch an Wasserstoff. Besonders aufwendig ist die Bereitstellung des Wasser- stoffs, wenn dieser nicht ohnehin bei chemischen Prozessen anfällt, die am Ort der Luftzerlegungsanlage durchgeführt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs gennanten Art zu entwickeln, die sich durch einen geringen apparativen Aufwand und niedrige Betriebskosten auszeichnen.
  • Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die Unteransprüche beinhalten besonders günstige Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Eine rektifikatorische Trennung von Sauerstoff und Argon under einen Sauerstoffanteil von etwa 1% hinaus wurde bei der Planung von Luftzerlegungsanlagen bisher nicht ernsthaft erwogen, da eine solche Verfahrensweise wegen der geringen Differenz der Siedetemperaturen der beiden Stoff außerordentlich schwierig und aufwendig erscheint. Diese Zurückhaltung ist auf zunächst einleuchtende Argumente gegründet, die im folgenden kurz ausgeführt werden.
  • Der Kopf der Rektifiziersäule, in der eine solche Trennung durchgeführt werden, soll, muß zur Erzeugung von Rücklauf gekühlt werden. Für diese Kopfkühlung kommt nur ein indirekter Wärmetausch mit der Sumpffraktion aus der Druckstufe in Frage, wie sie üblicherweise auch bei der Rohargonrektifikation angewandt wird. Die Sumpffraktion wird dabei in einen Kopfkondensator entspannt und dort verflüssigt. Durch indirekten Wärmetausch wird Wärme aus kondensierendem Gas im Kopf der Rohargonsäule aufgenommen. Die verdampfte Sumpffraktion wird in die Niederdrucksäule eingeleitet. Voraussetzung dafür, daß auf diese Weise Rücklauf erzeugt werden kann, ist allerdings, daß die Kondensationstemperatur des Gases am Kopf der zu kühlenden Säule höher als die Verdampfungstemperatur der verdampfenden Sumpfflüssigkeit ist. Diese Temperaturen werden durch die Drücke der jeweiligen Fraktionen festgelegt. Deren Werte sind beide an den Druck der Niederdrucksäule gebunden, da einerseits die zu rektifizierende argonhaltige Fraktion aus der Niederdrucksäule stammt und andererseits die zur Kühlung eingesetzte Fraktion anschließend in die Niederdrucksäule eingeführt wird. Eine zusätzliche Verdichtung eines der beiden Ströme wäre wirtschaftlich nicht vertretbar, da es sich im Vergleich zur gewonnenen Rohargonmenge um außerordentlich hohe Umsätze handelt.
  • Die Trennstufen von Rektifiziersäulen in Luftzerlegungsanlagen werden nahezu ausschließlich mittels Böden realisiert. Eine Säule zur vollständigen Abtrennung von Sauerstoff aus Argon müßte jedoch eine solch hohe Anzahl von Böden enthalten, daß dadurch eine starker Druckabfall innerhalb der Kolonne entstünde. Infolge dessen sänke der Druck am Kopf der Säule so weit ab, daß die Kondensationstemperatur des Kopfgases unterhalb der Verdampfungstemperatur der Sumpfflüssigkeit der Drucksäule (30 bis 40% Sauerstoff) beim Druck der Niederdrucksäule (ca. 1,4 bar) läge. Damit wäre eine Erzeugung von Rücklaufflüssigkeit nicht mehr möglich, in der Säule könnte keine Rektifikation durchgeführt werden.
  • Gemäß der Erfindung wird trotzdem an einer ausschließblich rektifikatorischen Abtrennung des Sauerstoffs festgehalten. Dies wird dadurch ermöglicht, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Rektifizierböden verzichtet und statt dessen strukturierte Packungen oder Füllkörper eingesetzt werden, die einen wesentlich geringeren Druckabfall innerhalb der Rektifiziersäule bewirken. Da keinerlei Erfahrungswerte über die Wirkung von strukturierten Packungen oder Füllkörpern bei der Luftrektifikation vorlagen, konnte erst mit Hilfe der Erfahrungen, die in einer größeren Versuchanlage gewonnen wurden, die Realisierungsmöglichkeiten eines Einsatzes von Packungen auf diesem Gebiet und speziell in der Rohargonsäule eingeschätzt werden. Bei den Versuchen ergab sich, daß mit einer theoretischen Bodenzahl zwischen 150 und 200, vorzugsweise etwas 180, ein Sauerstoffgehalt von unter 1 ppm im Rohargon bei wirtschaftlicher Argonausbeute möglich ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, diese Argonrektifikation bereits in der Rohargonsäule durchzuführen. Dadurch muß die Rohargonsäule zwar mit einer hohen Anzahl von Trennstufen ausgeführt werden und erreicht eine verhältnismäßig große Bauhöhe. Die erzielten Einsparungen sind jedoch ungleich höher als dieser zusätzliche Aufwand, da das sauerstofffreie Rohargon direkt einer Reinargonrektifikation zugeführt werden kann. Eine Deoxo-Anlage zur Entfernung von Restsauerstoff braucht nicht eingebaut zu werden. Der Hauptvorteil der Erfindung besteht jedoch darin, daß die hohen Betriebskosten einer Deoxo-Vorrichtung und der durch sie verursachte höhere Steuerungsaufwand vollständig wegfallen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt in vereinfachter Form ein Verfahren zur Luftzerlegung mit anschließender Argongewinnung, die erfindungsgemäß rein rektifikatorisch durchgeführt wird.
  • Über Leitung 1 wird Luft vom Verdichter 2 angesaugt und in einer Reinigungsstufe 3 von Wasserdampf und Kohlendioxid befreit. Die Luft wird anschließend in einem Wärmetauscher 4 im Gegenstrom zu Produktgasen abgekühlt und zu einem Teil über Leitung 5 in die Drucksäule 10 einer zweistufigen Rektifizierkolonne 9 eingeführt. Eine anderer Teil der Luft wird im Wärmetauscher 4 bei einer mittleren Temperatur abgezweigt (Leitung 6), in einer Turbine 7 arbeitsleistend entspannt und über Leitung 8 der Niederdrucksäule 11 zugeführt.
  • In einem Kondensator-Verdampfer 12 wird Gas aus dem Kopf der Drucksäule gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule kondensiert, und als Rücklauf auf die Drucksäule aufgegeben. Aus der Drucksäule wird Stickstoff gasförmige (Leitung 15) und flüssig (Leitung 14) entnommen. Ein Teil des flüssig entnommenen Stickstoffs wird über Leitung 18 als Rücklaufflüssigkeit in die Niederdrucksäule eingespeist. Über Leitung 13 wird Sumpfflüssigkeit aus der Drucksäule heraus- und teilweise über Leitung 16 dem mittleren Bereich der Niederdrucksäule zugeführt.
  • Als Produktströme werden der Niederdrucksäule gasförmiger Stickstoff (Leitung 20) und gasförmiger Sauerstoff (Leitung 21) entnommen und anschließend im Wärmetauscher 4 auf nahezu Umgebungstemperatur angewärmt. Eine weitere Fraktion verläßt über Leitung 22 die Niederdruckkolonne. Diese Fraktion enthält 87 - 92%, vorzugsweise 90 % Sauerstoff, 8 - 13 %, vorzugsweise 10% Argon und Außerdem etwa 0,05% Stickstoff und wird in den unteren Bereich einer Rohargonsäule 24 eingespeist. Der Kopfkondensator 26 der Rohargonsäule 24 wird durch verdampfende Flüssigkeit, die über Leitung 17 aus dem Sumpf der Drucksäule 10 herangeführt wird, gekühlt. Die Sumpfflüssigkeit in Leitung 17 enthält 35 - 40% Sauerstoff und wird vor der Einführung in den Kopfkondensator 26 auf etwa den Druck der Niederdrucksäule enspannt. Der verdampfte Anteil wird über Leitung 19 in die Niederdrucksäule eingeleitet.
  • Die Rohargonsäule 24 ist erfindungsgemäß mit strukturierten Packungen ausgestattet, die einer theoretischen Bodenanzahl von 170 - 200, vorzugsweise ca. 180 entsprechen, und wird unter dem Druck der Niederdrucksäule von 1,2 bis 1,6, vorzugsweise ca. 1,3 bar betrieben. Statt der Packungen könnten auch Füllkörper mit ähnlich geringem Druckverlust eingesetzt werden. Über Leitung 25 wird Rohargon gasförmig entnommen, das nur noch etwa 1 ppm Sauerstoff enthält. Ein Teil dieses Rohargons wird im Kopfkondensator 26 verflüssigt und als Rücklauf in die Rohargonsäule zurückgeleitet. Das übrige Rohargon wird in einem Rohargonverflüssiger 28 im Wärmetausch mit verdampfendem Stickstoff 29, der aus der Drucksäule stammt, kondensiert.
  • Wegen der großen Bauhöhe der erfindungsgemäß ausgeführten Rohargonsäule (etwa 30 m) bietet es sich an, in Leitung 40 das hydrostatische Potential des am Kopf der Rohargonsäule entnommenen Rohargons auszunutzen, um den für die Feinreinigung in einer Reinargonsäule 30 benötigten Druck zu erzeugen.
  • In der Reinargonsäule, die ebenso wie die große Rektifiziersäule 9 auf konventionell Weise mit Böden ausgeführt sein kann, wird der im Rohargon verbliebene Stickstoff abgetrennt. Der Sumpf der Säule wird durch Stickstoffgas, das über Leitung 15 aus der Drucksäule herangeführt wird, beheizt. Der dabei kondensierte Stickstoff 31 wird gemeinsam mit aus der Drucksäule flüssig entnommenem Stickstoff 32 zur Kühlung des Kopfes der Reinargonsäule verwendet. Am Kopf der Reinargonsäule wird über Leitung 34 Gas entnommen und zum einen Teil im Kopfkondensator 33 verflüssigt und in die Reinargonsäule 30 zurückgeführt. Der übrige Teil wird über Leitung 37 als Restgas abgegeben, das im wesentlichen aus Stickstoff besteht. Über Leitung 39 wird flüssiges Reinargon entnommen, das insgesamt noch 1 - 10 ppm, vorzugsweise 3 ppm Verunreinigungen enthält.

Claims (3)

1. Verfahren zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturrektifikation von Luft, bei dem Luft verdichtet, vorgereinigt, abgekühlt, einer einstufigen Rektifikation zugeführt und in eine sauerstoffreiche und in eine stickstoffreiche Fraktion zerlegt wird, wobei aus der Niederdruckstufe der Rektifikation eine weitere, mit Argon angereicherte Sauerstofffraktion entnommen und in einer Rohargonrektifikation in Rohargon und in eine schwerersiedende Restfraktion zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohargonrektifikation mit mindestens 150 theoretischen Böden durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohargon aus der Rohargonrektifikation in einer Reinargonrektifikation in Reinargon und in eine leichtersiedende Restfraktion zerlegt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer zweistufigen Rektifizierkolonne, bestehend aus einer Drucksäule und einer Niederdrucksäule, und mit einer Rohargonsäule, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohargonsäule strukturierte Packungen oder Füllkörper aufweist.
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