EP0955509B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff Download PDF

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EP0955509B1
EP0955509B1 EP98116041A EP98116041A EP0955509B1 EP 0955509 B1 EP0955509 B1 EP 0955509B1 EP 98116041 A EP98116041 A EP 98116041A EP 98116041 A EP98116041 A EP 98116041A EP 0955509 B1 EP0955509 B1 EP 0955509B1
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EP
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pressure column
low
liquid
fraction
nitrogen
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EP98116041A
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Dietrich Dipl.-Ing. Rottmann
Horst Dipl.-Ing. Corduan
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F25J3/04309—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of nitrogen
    • F25J3/04315—Lowest pressure or impure nitrogen, so-called waste nitrogen expansion
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    • F25J2200/54—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column in the low pressure column of a double pressure main column system
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    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/42—Nitrogen or special cases, e.g. multiple or low purity N2
    • F25J2215/44—Ultra high purity nitrogen, i.e. generally less than 1 ppb impurities
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
    • F25J2250/42—One fluid being nitrogen

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for obtaining high-purity oxygen according to L the preamble of claim 1 respectively 9.
  • the invention has for its object in a method of the beginning mentioned type to obtain a high-purity oxygen product, in particular in addition to a pressure nitrogen product.
  • This object is achieved in that the oxygen-containing liquid fraction, which in the low pressure column is fed, at least one theoretical or practical soil above the sump of the pressure column is taken from that Bottom liquid of the pressure column in the evaporation space of the top condenser the low pressure column is passed and that from the lower area of the Low pressure column a high purity oxygen product is removed.
  • the solution according to the invention manages without additional rectification columns and uses the lower part of the pressure column or an additional one Mass transfer section in the lower section of the pressure column for the separation of the less volatile impurities.
  • the oxygen-containing liquid Fraction that is fed into the low pressure column not from the bottom of the Pressure column deducted, but from one above the sump, in particular intermediate point located above the feed of the feed air.
  • the information in practical soil numbers apply; if pack, Packings or combinations of different types of mass transfer elements are used, the information in theoretical plate numbers are to be used.
  • the high-purity oxygen can be liquid and / or gaseous be drawn off directly at the bottom of the low pressure column.
  • the operating pressures of the columns can be in the inventive method for example 6 to 20, preferably 7 to 16 bar in the pressure column and for example 3 to 8, preferably 3 to 6 bar in the low pressure column.
  • the top condenser of the low pressure column is at least partially Bottom liquid of the pressure column operated as a refrigerant.
  • Return for the pressure column is usually generated by a condenser-evaporator, over which the head the pressure column and the sump of the low pressure column in heat exchanging Connect.
  • a residual fraction of one Intermediate point of the low pressure column are deducted.
  • the remaining fraction will preferably formed by an impure nitrogen fraction and above the point of Feeding of the oxygen-containing liquid fraction from the pressure column taken.
  • the turbine exhaust gas preferably fed to the pressure column or removed from the process, for example by mixing with another residual stream.
  • the relaxed air in any case, must not be fed into the low pressure column, as this is a new one Contamination by less volatile components would cause.
  • the high-purity oxygen product can be compressed at one pressure by means of internal compression brought, which is higher than the low pressure column pressure by at least one Part of the oxygen product is led out of the low pressure column in liquid form and below a pressure that is higher than the operating pressure of the low pressure column evaporates becomes.
  • a heating medium during evaporation for example, can be correspondingly high compressed air can be used.
  • a nitrogen fraction is liquid the low pressure column or its top condenser is removed and the pressure the nitrogen fraction in the liquid state is increased to a value higher than is the operating pressure of the low pressure column.
  • more gaseous Nitrogen can be obtained under a pressure that is higher than the operating pressure of the Is low pressure column.
  • the liquid pressurized nitrogen can be in the Pressure column returned or bypassing the pressure column in indirect Heat exchange can be evaporated.
  • the nitrogen fraction is removed from at least one theoretical or practical base below the top of the low pressure column and at least part of the liquid nitrogen fraction is evaporated by indirect heat exchange under a pressure which is higher than the operating pressure of the low pressure column dissipated as a high-purity pressure nitrogen product.
  • a gas from the upper area of the pressure column and / or a gas from the lower area of the low-pressure column can be used, for example, as the heating means in the indirect heat exchange. Details of this heat exchange step can be found in the older patent applications DE 19735154 and WO 98/19122.
  • High-purity pressure nitrogen is understood to mean, for example, nitrogen with a total contamination of 1 ppm or less, in particular between 1 ppm and 10 -3 ppb and under a superatmospheric pressure, in particular above 3 bar.
  • the section of the section above the removal of the nitrogen fraction Low pressure column is used to separate volatile impurities.
  • This section can be formed from packs or packing, the Mass transfer effect corresponds to or from at least one theoretical floor one or more conventional rectification trays, for example sieve trays. He can be from up to 10, preferably from 2 to 5 theoretical or practical floors exist.
  • the more volatile impurities are called gaseous residual fraction from the liquefaction space of the top condenser Low pressure column deducted.
  • the invention also relates to a device for extracting high-purity Oxygen according to claims 9 and 10, respectively.
  • compressed and cleaned air 1 is combined in one Main heat exchanger 2 cooled and a pressure column 4 under a pressure of 14 bar supplied (3).
  • the rectification system also has a low pressure column 5 on, which is operated at a pressure of 5 bar and with the pressure column via a common condenser-evaporator (main condenser) 6 in heat-exchanging Connection is established.
  • Part 8 of the nitrogen 7 removed at the top of the pressure column is liquefied in the main condenser 6 and via lines 9 and 10 as a return placed on the pressure column.
  • the main capacitor 6 can be connected via line 57 Residual steam, which is particularly volatile impurities such as helium, neon and / or contains hydrogen.
  • An oxygen-containing liquid Fraction 411 from the pressure column is after subcooling 15 in the low pressure column 5 throttled (412).
  • the low pressure column 5 has a top condenser 17, in the Liquefaction space of gaseous nitrogen 18 from the top of the low pressure column 5 condensed; the condensate 19 is at least partially in the low pressure column returned.
  • the top condenser 17 of the low pressure column 5 is not or not operated exclusively with sump liquid of the low pressure column (see booth the technology according to DE 3528374 A1), but with sump liquid 457 of the pressure column 4.
  • the oxygen-containing liquid fraction 411, which is in the low pressure column 5 throttled (412) comes from an intermediate point above one additional mass transfer section 458 in the lower region of the pressure column.
  • the additional mass transfer section 458 has five theoretical in the example Floors on.
  • In the bottom of the low pressure column 5 is a high purity oxygen product produced with a purity of 99.99 vol% and liquid (459) and / or gaseous (460, 461) under the pressure of the low pressure column.
  • About a residual fraction (Impure nitrogen fraction) 462, argon is discharged from the low-pressure column 5.
  • the impure nitrogen is preferably with the remaining streams 31, 57, 51 and 53 united.
  • the embodiment also serves to obtain high-purity Pressure nitrogen.
  • a mass transfer section 54 which in the Example has three theoretical plates, some of which in the pressure column 4th flowing down liquid taken as a liquid raw nitrogen fraction 55 and in throttled the head of the low pressure column 5 (56).
  • part of the gaseous nitrogen 7 can be removed from the head the pressure column in the main heat exchanger 2 warmed and as a further print product lower purity can be obtained (not shown). In this case it is possible on the transfer of liquid nitrogen 55 from the pressure column 4 in the Low pressure column 5 to do without.
  • part of the liquid nitrogen fraction 20 can be removed from the low pressure column can be obtained as a liquid product 30.
  • cold is caused by relaxation 33 of the residual gas 432 is generated.
  • the one obtained in the relaxation machine 33 Mechanical energy can be used, for example, to recompress the Product evaporator 23 vaporized pressure nitrogen product 24 or Pressure increase in the residual gas upstream of the expansion machine 33 is used are, preferably by direct mechanical coupling of Relaxation machine 33 and a corresponding compressor. Its cheap, when the residual vapors 57, 51 and 53 are also introduced into the residual gas line 432 become.
  • the main heat exchanger 2 serves as Product evaporator for the high-purity oxygen, alternatively, a separate one Product evaporator may be provided. After (further) warming up in the Main heat exchanger 2, the pressurized oxygen product is withdrawn at 564.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff gemäß L dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 betiehungsweise 9.
Ein Verfahren mit diesen Schritten ist aus DE 3528374 A1 bekannt. Bei diesem Zweisäulenprozeß weist die Niederdrucksäule einen Kopfkondensator auf, in dem gasförmiger Kopfstickstoff kondensiert und als Rücklauf auf die Niederdrucksäule aufgegeben wird. Diese Art der Erzeugung von Rücklauf für die Niederdrucksäule ermöglicht es, einen Teil des in der Doppelsäule erzeugten Stickstoffs als Druckprodukt abzuführen. Die an Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit, die als Sumpfprodukt der Niederdrucksäule anfällt, wird vollständig auf die Verdampfungsseite des Kopfkondensators der Niederdrucksäule geleitet und als Restgas abgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ein hochreines Sauerstoffprodukt zu gewinnen, insbesondere zusätzlich zu einem Druckstickstoffprodukt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die sauerstoffhaltige flüssige Fraktion, die in die Niederdrucksäule eingespeist wird, mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden oberhalb des Sumpfs der Drucksäule entnommen wird, daß Sumpfflüssigkeit der Drucksäule in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators der Niederdrucksäule geleitet wird und daß aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule ein hochreines Sauerstoffprodukt entnommen wird.
Bei der Produktion von hochreinem Sauerstoff ist die Verringerung des Stickstoff- und Argongehalts im Sauerstoffprodukt relativ unkritisch; diese kann durch eine entsprechend hohe Anzahl von Böden im unteren Abschnitt der Niederdrucksäule erzielt werden. Diese übliche Maßnahme verhindert jedoch nicht, daß sich sämtliche schwererflüchtigen Verunreinigungen im Sauerstoffprodukt ansammeln, also Luftbestandteile, deren Siedepunkt höher als derjenige von Sauerstoff ist und die durch die Vorreinigung stromaufwärts der Einleitung in das Rektifiziersystem nicht entfernt wurden. Solche schwererflüchtigen Luftbestandteile werden beispielsweise durch Krypton, Xenon und Kohlenwasserstoffe gebildet. Es ist bekannt, derartige Verunreinigungen in einem oder mehreren nachfolgenden Rektifizierschritten zu entfernen (siehe beispielsweise EP-299364-B1).
Die erfindungsgemäße Lösung kommt ohne zusätzliche Rektifiziersäulen aus und nutzt den unteren Teil der Drucksäule beziehungsweise einen zusätzlichen Stoffaustauschabschnitt im unteren Abschnitt der Drucksäule für die Abtrennung der schwererflüchtigen Verunreinigungen. Dazu wird die sauerstoffhaltige flüssige Fraktion, die in die Niederdrucksäule geleitet wird, nicht aus dem Sumpf der Drucksäule abgezogen, sondern von einer oberhalb des Sumpfs, insbesondere oberhalb der Zuspeisung der Einsatzluft, gelegenen Zwischenstelle. Dazwischen befindet sich ein Stoffaustauschabschnitt im Umfang mindestens eines theoretischen oder praktischen Bodens. Vorzugsweise umfaßt er 1 bis 10, höchst vorzugsweise 2 bis 5 theoretische oder praktische Böden, die zwischen Luftzuspeisung beziehungsweise Drucksäulensumpf einerseits und Entnahmestelle der sauerstoffhaltigen flüssigen Fraktion andererseits angeordnet sind. (Für den Fall, daß in diesem Abschnitt ausschließlich praktische Böden als Stoffaustauschelemente verwendet werden, gelten die Angaben in praktischen Bodenzahlen; falls Packung, Füllkörper oder Kombinationen verschiedener Typen von Stoffaustauschelementen eingesetzt werden, sind die Angaben in theoretischen Bodenzahlen anzuwenden.)
Durch die Entnahme des Einsatzes oberhalb der Luftzuspeisung werden schwererflüchtige Bestandteile der Luft wie Kohlenwasserstoffe, Krypton und Xenon aus der Niederdrucksäule ferngehalten. An deren Sumpf wird ein hochreines Sauerstoffprodukt entnommen (Gesamtreinheit 99,5 bis 99,999 vol%, vorzugsweise 99,8 bis 99,999 vol%; Anteil an schwererflüchtigen Komponenten 1 bis 10 ppm, vorzugsweise 3 bis 5 ppm). Der hochreine Sauerstoff kann flüssig und/oder gasförmig direkt am Sumpf der Niederdrucksäule abgezogen werden.
Die Betriebsdrücke der Säulen können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise 6 bis 20, vorzugsweise 7 bis 16 bar in der Drucksäule und beispielsweise 3 bis 8, vorzugsweise 3 bis 6 bar in der Niederdrucksäule betragen. Der Kopfkondensator der Niederdrucksäule wird mindestens teilweise mit Sumpfflüssigkeit der Drucksäule als Kältemittel betrieben. Rücklauf für die Drucksäule wird üblicherweise durch einen Kondensator-Verdampfer erzeugt, über den der Kopf der Drucksäule und der Sumpf der Niederdrucksäule in wärmetauschender Verbindung stehen.
Insbesondere zur Entfernung von Argon kann eine Restfraktion von einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule abgezogen werden. Die Restfraktion wird vorzugsweise durch eine Unreinstickstofffraktion gebildet und oberhalb der Stelle der Einspeisung der sauerstoffhaltigen flüssigen Fraktion aus der Drucksäule entnommen.
Verfahrenskälte kann durch arbeitsleistende Entspannung einer oder mehrerer der folgenden Fraktionen erzeugt werden:
  • Restgas aus dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators der Niederdrucksäule
  • Dampf aus dem mittleren Bereich der Niederdrucksäule (beispielsweise obige Restfraktion)
  • Teilstrom der Einsatzluft
  • Stickstoff aus der Drucksäule oder aus der Niederdrucksäule
Im Falle der arbeitsleistenden Entspannung von Luft wird das Turbinenabgas vorzugsweise der Drucksäule zugeführt oder aus dem Verfahren entfernt, beispielsweise durch Vermischen mit einem anderen Reststrom. Die entspannte Luft darf jedenfalls nicht in die Niederdrucksäule eingespeist werden, da dies eine erneute Verunreinreingung durch schwererflüchtige Komponenten bewirken würde.
Mittels Innenverdichtung kann das hochreine Sauerstoffprodukt auf einen Druck gebracht werden, der höher als der Niederdrucksäulendruck ist, indem mindestens ein Teil des Sauerstoffprodukts flüssig aus der Niederdrucksäule herausgeführt und unter einem Druck, der höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule ist, verdampft wird. Als Heizmittel beim Verdampfen kann beispielsweise entsprechend hoch verdichtete Luft verwendet werden.
Zur Druckstickstoffgewinnung ist es günstig, wenn eine Stickstofffraktion flüssig aus der Niederdrucksäule oder deren Kopfkondensator entnommen wird und der Druck der Stickstofffraktion in flüssigem Zustand auf einen Wert erhöht wird, der höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule ist. Auf diese Weise kann - gegebenenfalls zusätzlich zur Direktentnahme von Stickstoff aus der Drucksäule - gasförmiger Stickstoff unter einem Druck gewonnen werden, der höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule ist. Der flüssig auf Druck gebrachte Stickstoff kann in die Drucksäule zurückgeleitet oder unter Umgehung der Drucksäule in indirektem Wärmeaustausch verdampft werden.
Soll dieser Druckstickstoff in besonders hoher Reinheit gewonnen werden, wird die Stickstofffraktion mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden unterhalb des Kopfs der Niederdrucksäule entnommen und mindestens ein Teil der flüssigen Stickstofffraktion unter einem Druck, der höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule ist, durch indirekten Wärmeaustausch verdampft und als hochreines Druckstickstoffprodukt abgeführt. Als Heizmittel bei dem indirekten Wärmeaustausch kann beispielsweise ein Gas aus dem oberen Bereich der Drucksäule und/oder ein Gas aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule verwendet werden. Details über diesen Wärmeaustauschschritt sind den älteren Patentanmeldungen DE 19735154 und WO 98/19122 zu entnehmen. Unter hochreinem Druckstickstoff ist beispielsweise Stickstoff mit einer Gesamtverunreinigung von 1 ppm oder weniger, insbesondere zwischen 1 ppm und 10-3 ppb und unter einem überatmosphärischen Druck, insbesondere von über 3 bar zu verstehen.
Der oberhalb der Entnahme der Stickstofffraktion gelegene Abschnitt der Niederdrucksäule dient zur Abtrennung von leichterflüchtigen Verunreinigungen. Dieser Abschnitt kann aus Packungen oder Füllkörpern gebildet sein, deren Stoffaustauschwirkung mindestens einem theoretischen Boden entspricht oder aus einem oder mehreren konventionellen Rektifizierböden, beispielsweise Siebböden. Er kann aus bis zu 10, vorzugsweise aus 2 bis 5 theoretischen beziehungsweise praktischen Böden bestehen. Die leichterflüchtigen Verunreinigungen werden als gasförmige Restfraktion aus dem Verflüssigungsraum des Kopfkondensators der Niederdrucksäule abgezogen.
Um die besonders hohe Reinheit der Stickstofffraktion aus der Niederdrucksäule zu erhalten, wird diese nicht in die Drucksäule eingeleitet, sondern durch indirekten Wärmeaustausch verdampft und in unveränderter Konzentration als hochreines Druckstickstoffprodukt entnommen. Das Verdampfen des flüssig auf Druck gebrachten Stickstoffs durch indirekten Wärmeaustausch kann wie oben beschrieben erfolgen.
Wird ein Teil des in der Drucksäule gewonnenen Stickstoffs als Rücklauf für die Niederdrucksäule eingesetzt, wird diese Stickstoffmenge gewöhnlich am Kopf der Drucksäule abgezogen. Indem der Drucksäule mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden unterhalb des Kopfs eine flüssige Rohstickstofffraktion entnommen und an einer Stelle auf die Niederdrucksäule aufgegeben wird, die mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden oberhalb der Stelle der Entnahme der flüssigen Stickstofffraktion liegt, kann bereits die Drucksäule zur Abtrennung leichterflüchtiger Verunreinigungen eingesetzt werden. Dadurch ergeben sich Vorteile für die Reinheit des hochreinen Druckstickstoffprodukts.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff gemäß den Patentansprüchen 9 beziehungsweise 10.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1
ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit gasförmiger und/oder flüssiger Entnahme des hochreinen Sauerstoffprodukts aus der Niederdrucksäule und
Figur 2
eine zweites Ausführungsbeispiel mit Innenverdichtung des Sauerstoffprodukts.
Bei dem Verfahren der Figur 1 wird verdichtete und gereinigte Luft 1 in einem Hauptwärmetauscher 2 abgekühlt und einer Drucksäule 4 unter einem Druck von 14 bar zugeleitet (3). Das Rektifiziersystem weist außerdem eine Niederdrucksäule 5 auf, die mit einem Druck von 5 bar betrieben wird und mit der Drucksäule über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer (Hauptkondensator) 6 in wärmetauschender Verbindung steht. Ein Teil 8 des am Kopf der Drucksäule entnommenen Stickstoffs 7 wird im Hauptkondensator 6 verflüssigt und über die Leitungen 9 und 10 als Rücklauf auf die Drucksäule aufgegeben. Am Hauptkondensator 6 kann über Leitung 57 ein Restdampf, der insbesondere leichterflüchtige Verunreinigungen wie Helium, Neon und/oder Wasserstoff enthält, entnommen werden. Eine sauerstoffhaltige flüssige Fraktion 411 aus der Drucksäule wird nach Unterkühlung 15 in die Niederdrucksäule 5 eingedrosselt (412).
Die Niederdrucksäule 5 weist einen Kopfkondensator 17 auf, in dessen Verflüssigungsraum gasförmiger Stickstoff 18 vom Kopf der Niederdrucksäule 5 kondensiert; das Kondensat 19 wird mindestens teilweise in die Niederdrucksäule zurückgeleitet. Ein Restdampf, der insbesondere leichterflüchtige Verunreinigungen wie Helium, Neon und/oder Wasserstoff enthält, wird bei 51 aus dem Kopfkondensator 17 (wie dargestellt) oder alternativ aus der im Kopfkondensator kondensierten Fraktion 19 entnommen.
Erfindungsgemäß wird der Kopfkondensator 17 der Niederdrucksäule 5 nicht oder nicht ausschließlich mit Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule betrieben (siehe Stand der Technik nach DE 3528374 A1), sondern mit Sumpfflüssigkeit 457 der Drucksäule 4. Die sauerstoffhaltige flüssige Fraktion 411, die in die Niederdrucksäule 5 eingedrosselt (412) wird, stammt von einer Zwischenstelle oberhalb eines zusätzlichen Stoffaustauschabschnitts 458 im unteren Bereich der Drucksäule. Der zusätzliche Stoffaustauschabschnitt 458 weist in dem Beispiel fünf theoretische Böden auf. Im Sumpf der Niederdrucksäule 5 wird ein hochreines Sauerstoffprodukt mit einer Reinheit von 99,99 vol% erzeugt und flüssig (459) und/oder gasförmig (460, 461) unter dem Druck der Niederdrucksäule abgezogen. Über eine Restfraktion (Unreinstickstofffraktion) 462 aus der Niederdrucksäule 5 wird Argon ausgeschleust. Der Unreinstickstoff wird vorzugsweise mit den übrigen Restströmen 31, 57, 51 und 53 vereint.
Das Ausführungsbeispiel dient außerdem zur Gewinnung von hochreinem Druckstickstoff. Dazu wird unterhalb eines Stoffaustauschabschnitts 54, der in dem Beispiel drei theoretische Böden aufweist, ein Teil der in der Drucksäule 4 herabfließenden Flüssigkeit als flüssige Rohstickstofffraktion 55 entnommen und in den Kopf der Niederdrucksäule 5 eingedrosselt (56).
Nach Durchlaufen eines Stoffaustauschabschnitts 52, der in dem Beispiel drei theoretische Böden aufweist, wird ein Teil der in der Niederdrucksäule 5 herabfließenden Flüssigkeit als Stickstofffraktion 20 entnommen, in flüssigem Zustand auf Druck (im Beispiel 14 bar) gebracht (Pumpe 21) und über Leitung 22 durch den Unterkühler 15 zu einem Produktverdampfer 23 geführt. Der unter einem Druck von 13,4 bar verdampfte Stickstoff 24 wird im Hauptwärmetauscher 2 angewärmt und als hochreines Druckprodukt 25 abgeführt. Er kann gegebenenfalls in gasförmigem Zustand weiter verdichtet werden. In dem Beispiel weist das hochreine Druckstickstoffprodukt 25 eine Gesamtverunreinigung von 10 ppb (einschließlich Kohlenmonoxid) auf. Bei Bedarf kann ein Teil des gasförmigen Stickstoffs 7 vom Kopf der Drucksäule im Hauptwärmetauscher 2 angewärmt und als weiteres Druckprodukt geringerer Reinheit gewonnen werden (nicht dargestellt). In diesem Fall ist es möglich, auf die Überleitung von Flüssigstickstoff 55 aus der Drucksäule 4 in die Niederdrucksäule 5 zu verzichten.
Auf der Verflüssigungsseite des Produktverdampfers 23 wird ein (anderer) Teil 35 des gasförmigen Stickstoffs 7 vom Kopf der Drucksäule 4 kondensiert. Die dabei entstehende Flüssigkeit 36 wird als zusätzlicher Rücklauf auf die Drucksäule 4 aufgegeben. Der Produktverdampfer 23 ist in dem Beispiel als Fallfilmverdampfer ausgebildet, in dem eine nur partielle Verdampfung stattfindet. Flüssig verbliebener Stickstoff 45 wird in die Niederdrucksäule 5 zurückgeführt. Auch am Produktverdampfer 23 wird ein Restdampf, der insbesondere leichterflüchtige Verunreinigungen wie Helium, Neon und/oder Wasserstoff enthält, entnommen (Leitung 53).
Bei Bedarf kann ein Teil der flüssigen Stickstofffraktion 20 aus der Niederdrucksäule als Flüssigprodukt 30 gewonnen werden. Der unreine Sauerstoff 31, der durch Verdampfung der Sumpfflüssigkeit 457 der Drucksäule 5 im Kopfkondensator 17 der Niederdrucksäule entsteht, wird über die Restgasleitung 432 in den Wärmetauschern 14, 15 und 2 angewärmt und als Nebenprodukt oder Restgas abgeführt (27). Er kann beispielsweise für die Regenerierung einer Vorrichtung zur Luftreinigung eingesetzt werden.
Kälte wird bei dem Verfahren nach Figur 1 durch arbeitsleistende Entspannung 33 des Restgases 432 erzeugt. Die in der Entspannungsmaschine 33 gewonnene mechanische Energie kann beispielsweise zur Nachverdichtung des im Produktverdampfer 23 verdampften Druckstickstoffprodukts 24 oder zur Druckerhöhung im Restgas stromaufwärts der Entspannungsmaschine 33 verwendet werden, vorzugsweise durch direkte mechanische Kopplung von Entspannungsmaschine 33 und einem entsprechenden Verdichter. Es ist günstig, wenn die Restdämpfe 57, 51 und 53 ebenfalls in die Restgasleitung 432 eingeführt werden.
Insbesondere bei relativ hohem Bedarf an Flüssigprodukt 30 kann zusätzlich oder alternativ zu der in Figur 1 dargestellten Restgasturbine eine Luftturbine eingesetzt werden. Ein Teil der verdichteten und gereinigten Luft 1 wird dabei im Hauptwärmetauscher 2 nur auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und anschließend arbeitsleistend entspannt. Die entspannte Luft kann angewärmt und vor den Luftverdichter zurückgeführt werden. Die in der Luftturbine erzeugte mechanische Energie kann zur Nachverdichtung der Luft vor der arbeitsleistenden Entspannung eingesetzt werden.
Für den Fall, daß das hochreine Sauerstoffprodukt unter einem Druck benötigt wird, der höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule ist, kann der flüssig aus der Niederdrucksäule abgezogene hochreine Sauerstoff über Leitung 563 einer Flüssigpumpe 562 zugeführt und in einem Produktverdampfer Einsatzluft verdampft werden. In dem Beispiel der Figur 2 dient der Hauptwärmetauscher 2 als Produktverdampfer für den hochreinen Sauerstoff, alternativ könnte ein separater Produktverdampfer vorgesehen sein. Nach (weiterer) Anwärmung im Hauptwärmetauscher 2 wird das Drucksauerstoffprodukt bei 564 abgezogen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Rektifiziersystem, das eine Drucksäule (4) und eine Niederdrucksäule (5) aufweist, wobei bei dem Verfahren
    Einsatzluft (1, 3) in die Drucksäule (4) eingeleitet wird,
    eine sauerstoffhaltige flüssige Fraktion (411) aus der Drucksäule (4) entnommen und in die Niederdrucksäule (5) eingespeist wird und
    gasförmiger Stickstoff (18) aus der Niederdrucksäule (5) in einem Kopfkondensator (17) durch indirekten Wärmeaustausch mit einer verdampfenden Flüssigkeit (457) mindestens teilweise kondensiert wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die sauerstoffhaltige flüssige Fraktion (411), die in die Niederdrucksäule (5) eingespeist wird, mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden oberhalb des Sumpfs der Drucksäule (4) entnommen wird, daß
    mindestens ein Teil der Sumpfflüssigkeit (457) der Drucksäule (4) in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators (17) der Niederdrucksäule (5) geleitet wird und daß
    aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (5) ein hochreines Säuerstoffprodukt (459, 460, 461, 563, 564) entnommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Restfraktion (462) von einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule abgezogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine gasförmige Fraktion (31) aus dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators (17) der Niederdrucksäule und/oder eine gasförmige Fraktion (462) aus der Niederdrucksäule arbeitsleistend entspannt (33) werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Luft arbeitsleistend entspannt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil (563) des hochreinen Sauerstoffprodukts flüssig aus der Niederdrucksäule (5) herausgeführt und unter einem Druck, der höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule (5) ist, verdampft (2) wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stickstofffraktion (20) flüssig aus der Niederdrucksäule (5) oder deren Kopfkondensator (17) entnommen wird und der Druck der Stickstofffraktion (20) in flüssigem Zustand auf einen Wert erhöht (21) wird, der höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule (5) ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Stickstofffraktion (20) mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden unterhalb des Kopfs der Niederdrucksäule entnommen und mindestens ein Teil der flüssigen Stickstofffraktion (22) unter einem Druck, der höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule (5) ist, durch indirekten Wärmeaustausch (23) verdampft und als hochreines Druckstickstoffprodukt (24, 25) abgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksäule (4) mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden unterhalb des Kopfs eine flüssige Rohstickstofffraktion (55) entnommen und an einer Stelle auf die Niederdrucksäule (5) aufgegeben wird, die mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden oberhalb der Stelle der Entnahme der flüssigen Stickstofffraktion (20) liegt.
  9. Vorrichtung zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Rektifiziersystem, das eine Drucksäule (4) und eine Niederdrucksäule (5) aufweist, und mit
    einer Einsatzluftleitung (1, 3), die in die Drucksäule (4) führt,
    einer Rohsauerstoffleitung (411) zur Einleitung einer sauerstoffhaltigen flüssigen Fraktion aus der Drucksäule (4) in die Niederdrucksäule (5) und mit
    einem Kopfkondensator (17) zur mindestens teilweisen Kondensation von gasförmigem Stickstoff (18) aus der Niederdrucksäule (5) durch indirekten Wärmeaustausch mit einer verdampfenden Flüssigkeit (457),
    gekennzeichnet durch
    einen Stoffaustauschabschnitt (458), der in der Drucksäule (4) unterhalb der Rohsauerstoffleitung (411) und insbesondere oberhalb der Einsatzluftleitung (3) angeordnet ist und mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden aufweist,
    durch eine Sumpfflüssigkeitsleitung (457) zur Einleitung der Sumpfflüssigkeit der Drucksäule (4) in den Verdampfurtgsraum des Kopfkondensators (17) der Niederdrucksäule (5) und durch
    eine Produktleitung zur Entnahme von hochreinem Sauerstoffprodukt (459, 460, 461, 563, 564) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (5).
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Restfraktionsleitung (462, 432), die mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule (5) verbunden ist.
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