DESTILLATIONSSÄULEN-SYSTEM UND VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG VON SAUERSTOFF DURCH TIEFTEMPERATURZERLEGUNG VON LUFT

Abstract

 Das Destillationssäulen-System und das Verfahren dienen zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft. Das System enthält eine Hochdrucksäule (1) und eine Niederdrucksäule (2) und einen Hauptkondensator (3). Eine einer Argonausschleussäule (31) steht die in Strömungsverbindung mit einer Zwischenstelle (A1/A2) der Niederdrucksäule (2) und besitzt einen Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17). Die Hochdrucksäule (1) und die Niederdrucksäule (2) sind nebeneinander angeordnet. Der mittlere Abschnitt (A2) der Niederdrucksäule (2) ist mittels einer vertikalen Trennwand (27) als Trennwandabschnitt ausgebildet. Ein Teilraum (29) bildet Argonausschleussäule (31). Er ist oben mit einer oberen Wand (30) gegenüber dem oberen Abschnitt (A3) der Niederdrucksäule (2) gasdicht verschlossen. Das obere Ende dieses Teilraums (29) ist über eine Argongasleitung (32) und eine Argonflüssigkeitsleitung (33) mit dem Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17) verbunden. Der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17) ist über der Hochdrucksäule (1) angeordnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Destillationssäulen-System zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] Unter einer "Argonausschleussäule " wird hier eine Trennsäule zur Argon-Sauerstoff-Trennung bezeichnet, die nicht zur Gewinnung eines reinen Argonprodukts, sondern zur Ausschleusung von Argon 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 15 und 30. 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 oder eine andere Kühlflüssigkeit eingeleitet wird; eine Argonausschleussäule weist keinen Sumpfverdampfer auf.

[0005] Der Hauptkondensator und der Argonausschleussäulen-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) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.

[0006] Dabei kann der Hauptkondensator 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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 sich das obere Ende des unteren der beiden Apparateteile im betriebsfähigen Zustand auf niedrigerer oder gleicher geodätischer Höhe befindet wie das untere Ende des 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. "Nebeneinander" stehen zwei Apparate dann, wenn sich ihre Projektionen in eine horizontale Ebene nicht überschneiden; die beiden Apparate sind dann regelmäßig mindestens teilweise auf gleicher Höhe angeordnet.

[0010] 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 - gegebenenfalls in zwei oder mehr Teilen - ohne Coldbox transportiert. Eine zusätzliche Säule wie die Argonausschleussäule verursacht dabei zusätzlichen Aufwand mit einer eigenen Coldbox, die regelmäßig separat auf die Baustelle gebracht und auf einem aufwändigen Gestell montiert werden muss.

[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Destillationssäulen-System der eingangs genannten Art möglichst kompakt zu gestalten und seinen Aufbau zu vereinfachen, insbesondere bei besonders großen Luftzerlegungsanlagen für eine Luftmenge von mehr als 370.000 Nm³/h, vorzugsweise mehr als 1.000.000 Nm³/h.

[0012] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0013] Die Nebeneinander-Anordnung von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule ist an sich bekannt, zum Beispiel aus DE 827364 oder US 2762208. Hierdurch verringert sich die Höhe von Säulen und Coldbox. Die Montage der Coldbox wird einfacher, da die Box niedriger ist.

[0014] Eine Anordnung zweier Säulen "nebeneinander" bedeutet, dass die beiden Säulen im betriebsfertigen Zustand der Anlage so positioniert sind, dass die Projektionen ihrer Querschnitte auf eine horizontale Ebene sich nicht überschneiden. Häufig befinden sich dabei die unteren Enden der beiden Säulen etwa auf der gleichen geodätischen Höhe plus/minus 5 m.

[0015] Es erscheint zunächst widersinnig, bei einem solchen System die Säulenanordnung dann doch wieder höher zu machen, indem der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator auf die Hochdrucksäule gestellt wird, zumal der Betrieb der Argonausschleussäule in engerem Zusammenhang mit der Niederdrucksäule steht als mit der Hochdrucksäule.

[0016] Auch die Transportlänge der Niederdrucksäule wird durch den erfindungsgemäßen Einbau der Argonausschleussäule in einen Trennwandkolonnenabschnitt der Niederdrucksäule eher höher.

[0017] Erst im Rahmen der Erfindung hat sich ergeben, dass die transport- und montagetechnischen Nachteile durch die Vorteile der erfindungsgemäßen Säulenanordnung erheblich überkompensiert werden. Der Wegfall separater Transportanforderungen für die Argonausschleussäule und den Argonausschleussäulen-Kopfkondensator macht die Anlage besonders kompakt, nicht nur beim Transport, sondern auch im aufgebauten Zustand. Eine Anlage mit dem erfindungsgemäßen Destillationssäulen-System belegt eine vergleichsweise kleine Grundfläche.

[0018] Auch verfahrenstechnisch ergeben sich Vorteile. Die häufig bei anderen Säulenanordnungen bestehenden Probleme, die Sumpfflüssigkeit der Hochdrucksäule zum Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators zu transportieren, treten bei der Erfindung nicht auf. Steht der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator auf der Hochdrucksäule, reicht der Druckunterschied aus, den entsprechenden Höhenunterschied zu überwinden, selbst wenn zwischen Argonausschleussäulen-Kopfkondensator und Hochdrucksäule noch der Hauptkondensator sitzt. Eine Prozesspumpe wird hierfür nicht benötigt.

[0019] Vorzugsweise ist der Hauptkondensator zwischen Hochdrucksäule und Argonausschleussäulen-Kopfkondensator angeordnet. Damit ergibt sich insgesamt eine besonders kompakte Anordnung.

[0020] Es ist günstig, wenn Hochdrucksäule, Hauptkondensator und Argonausschleussäulen-Kopfkondensator in einer gemeinsamen ersten Coldbox angeordnet sind. Vorzugsweise sind keine weiteren Kondensatoren oder Wärmetauscher wie Unterkühlungs-Gegenströmer in der ersten Coldbox untergebracht.

[0021] Grundsätzlich kann die Niederdrucksäule in einer separaten zweiten Coldbox untergebracht sein. In vielen Fällen ist es jedoch günstiger, die Niederdrucksäule ebenfalls in der ersten Coldbox anzuordnen.

[0022] Der Querschnitt des zweien Teilraums, der die Argonausschleussäule bildet, beträgt 25 bis 60 %, vorzugsweise zwischen 30 % und 50 % des Gesamtquerschnitts des mittleren Abschnitts der Niederdrucksäule.

[0023] Zusätzlich kann es günstig sein, wenn das Destillationssäulen-System außerdem eine Hilfssäule aufweist, deren Sumpfbereich zum Einleiten eines Teils des Gases aus dem Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators auszugestaltet ist, und außerdem eine Flüssigstickstoffleitung zum Einleiten flüssigen Stickstoffs auf den Kopf der Hilfssäule vorzusehen. Dabei werden beispielsweise 20 bis 100 % des in dem Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators erzeugten Gases in die Hilfssäule eingeleitet. Der Rest kann, sofern vorhanden, in die Niederdrucksäule eingeleitet werden.

[0024] Eine oder mehrere Flüssigkeitsleitungen für eine oder mehrere Flüssigkeiten führen von einer oder mehreren Zwischenstellen oder dem Sumpf der Hilfssäule in die Niederdrucksäule. Damit wird Rücklaufflüssigkeit und/oder Sumpfflüssigkeit der Hilfssäule als zusätzlicher Zwischenrücklauf in die Niederdrucksäule eingeleitet.

[0025] Außerdem kann über eine Zwischenfraktionsleitung eine Zwischenfraktion der Hochdrucksäule in die Hilfssäule eingeleitet werden. Grundsätzlich kann jede Fraktion, die ansonsten in die Niederdrucksäule gehen würde, der Trennung in der Hilfssäule zugeleitet werden, zum Beispiel auch ein Turbinenluftstrom. Die Zwischenfraktion kann beispielsweise durch flüssige Luft gebildet werden.

[0026] Ferner ist es günstig, wenn das Destillationssäulen-System Mittel zum Auffangen mindestens eines Teils der in der Hilfssäule herabfließenden Flüssigkeit sowie Mittel zum Einleiten der aufgefangenen Flüssigkeit in die Niederdrucksäule aufweist. Dadurch wird die aus der Hilfssäule abfließende Flüssigkeit nicht mit der Sumpfflüssigkeit vermischt und kann mindestens teilweise in die Niederdrucksäule eingespeist werden und zwar getrennt von der Sumpfflüssigkeit aus dem Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators.

[0027] Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Patentanspruch 10. Dieses Verfahren kann sinngemäß durch weitere Merkmale aller abhängigen Vorrichtungsansprüche ergänzt werden.

[0028] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen sind nur die wichtigsten Elemente dargestellt, insbesondere solche, mit denen sich das System der Erfindung von üblichen Luftzerlegungssystemen unterscheidet. Hierbei zeigen:

Figur 1

ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Anlage gemäß der Erfindung mit einem allein stehenden Argonausschleussäulen-Kopfkondensator und

Figur 2

ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator im Sumpf einer Hilfssäule angeordnet ist.

[0029] In den Zeichnungen sind Luftverdichtung, Luftreinigung und Hauptwärmetauscher nicht dargestellt. Auch sonst ist die Darstellung vereinfacht; manche Ströme sind nicht eingezeichnet, die für das Verständnis der Erfindung keine Rolle spielen.

[0030] Das Destillationssäulen-System des Ausführungsbeispiels der Figur 1 weist eine Hochdrucksäule 1, eine Niederdrucksäule 2 und einen Hauptkondensator 3 auf. Der Hauptkondensator 3 ist hier als mehrstöckiger Badverdampfer ausgebildet, genauer als Kaskadenverdampfer. Die Hochdrucksäule 1 und die Niederdrucksäule 2 sind nebeneinander angeordnet; insbesondere befinden sich ihre unteren Enden auf ähnlichem geodätischen Niveau. Zum Beispiel kann die Niederdrucksäule 2 etwas höher als die Hochdrucksäule 1 aufgestellt sein. Die Niederdrucksäule 2 weist einen unteren Abschnitt A1, einen mittleren Abschnitt A2 und einen oberen Abschnitt A3 auf.

[0031] Ein erster Teilstrom 4 der Einsatzluft strömt gasförmig in die Hochdrucksäule 1, und zwar unmittelbar oberhalb des Sumpfs. Ein zweiter Teil 5 der Einsatzluft ist mindestens zum Teil flüssig und wird der Hochdrucksäule 1 an einer Zwischenstelle zugeleitet. Mindestens ein Teil der Flüssigluft wird über Leitung 6 gleich wieder entnommen, in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 7 abgekühlt und über Leitung 8 der Niederdrucksäule 2 an einer ersten Zwischenstelle zugeführt, die in einem Zwischenbereich des oberen Abschnitts A3 liegt.

[0032] Im Hauptkondensator 3 wird ein Teil 10 des gasförmigen Kopfstickstoffs 9 der Hochdrucksäule 1 mindestens teilweise kondensiert. Der dabei gewonnene Flüssigstickstoff 11 wird zu einem ersten Teil 12 als Rücklauf auf den Kopf der Hochdrucksäule 1 aufgegeben. Ein zweiter Teil 13 wird einer Innenverdichtung (nicht dargestellt) zugeführt und schließlich als gasförmiges Druckstickstoffprodukt gewonnen. Ein anderer Teil 14 des gasförmigen Kopfstickstoffs 9 wird im Hauptwärmetauscher (nicht dargestellt) angewärmt und direkt als gasförmiges Druckprodukt gewonnen.

[0033] Flüssiger Rohsauerstoff 15 aus der Hochdrucksäule 1 wird im Unterkühlungs-Gegenströmer 7 abgekühlt und über die Leitung 16 zu einem Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17 und weiter über die Leitungen und 18/19 der Niederdrucksäule 2 an einer zweiten Zwischenstelle zugeführt, die unterhalb der ersten Zwischenstelle liegt, und zwar am unteren Rand des oberen Abschnitts A3.

[0034] Von einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule 1 wird flüssiger Unreinstickstoff 35 abgezogen, in dem Unterkühlungs-Gegenströmer abgekühlt und über Leitung 36 auf den Kopf der Niederdrucksäule 2 aufgegeben. Ein Teil davon kann über Leitung 37 als Flüssigstickstoff-Produkt (LIN) gewonnen werden. Vom Kopf der Niederdrucksäule 2 wird gasförmiger Unreinstickstoff 38 abgezogen und nach Anwärmung im Unterkühlungs-Gegenströmer 7 über Leitung 39 weiter zum Hauptwärmetauscher geführt (nicht dargestellt).

[0035] Flüssiger Sauerstoff 20 vom Sumpf der Niederdrucksäule 2 wird zu einem ersten Teil 22 mit Hilfe einer Pumpe 21 in den Verdampfungsraum des Hauptkondensators 3 befördert und dort mindestens zum Teil verdampft. Dabei entstehendes Gas 23 wird zum Sumpf der Niederdrucksäule 2 zurückgeleitet und dient dort als aufsteigendes Gas. Ein zweiter Teil 24 des Flüssigsauerstoffs 20 wird im Unterkühlungs-Gegenströmer 7 abgekühlt und über Leitung 25 als flüssiges Sauerstoffprodukt (LOX) abgezogen. Ein vierter Teil 26 des Flüssigsauerstoffs 20 wird einer Innenverdichtung (nicht dargestellt) zugeführt und schließlich als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt gewonnen, welches das Hauptprodukt des Destillationssäulen-Systems darstellt.

[0036] Der mittlere Abschnitt A2 der Niederdrucksäule 2 ist als Trennwandabschnitt ausgebildet. Eine vertikale Trennwand 27 trennt einen ersten Teilraum 28 und einen zweiten Teilraum 29 voneinander ab. Die Trennwand 27 wird in dem Beispiel durch ein ebenes Blech gebildet, das auf beiden Seiten mit der Kolonnenwand verschweißt ist. Beide Teilräume enthalten Stoffaustauschelemente, beispielsweise geordnete Packung. Die Stoffaustauschschichten in den Teilräumen können, müssen aber nicht gleich hoch sein. Die beiden Teilräume können gleich oder unterschiedlich groß sein.

[0037] Der erste Teilraum 28 bildet den Argonabschnitt der Niederdrucksäule 2. Er steht unten mit dem unteren Abschnitt A1 und oben mit dem oberen Abschnitt A3 in Strömungsverbindung. Dadurch kann ein erster Teil des Gases aus dem unteren Abschnitt A1 durch den ersten Teilraum 28 zum oberen Abschnitt A3 strömen. Umgekehrt fließt Flüssigkeit aus dem oberen Abschnitt A3 durch den ersten Teilraum 28 in den unteren Abschnitt A1.

[0038] Der zweite Teilraum 29 bildet eine Argonausschleussäule 31. Er steht unten ebenfalls mit dem unteren Abschnitt A1 in Strömungsverbindung, sodass von dort ein zweiter Teil des aus dem ersten Abschnitt A1 aufsteigenden Gases einströmen kann. Oben ist er jedoch mit einer horizontalen Wand 30 gegenüber dem oberen Abschnitt A3 gasdicht verschlossen. Die horizontale Wand ist etwa halbkreisförmig ausgebildet und mit der Kolonnenwand und der Trennwand 27 verschweißt. Es kann weder Gas vom Kopf der Argonausschleussäule 31 in den oberen Abschnitt A3 fließen, noch Flüssigkeit von dort in die Argonausschleussäule 31 eindringen.

[0039] Am Kopf der Argonausschleussäule 31 wird argonangereichertes Gas 32 abgezogen und im Verflüssigungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 17 teilweise verflüssigt. Die dabei erzeugte Flüssigkeit 33 wird als Rücklauf in die Argonausschleussäule 31 zurückgeleitet. Der gasförmig verbliebene Anteil wird als argonangereichertes "Produkt" 34 gasförmig aus dem Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17 entnommen und als Restgas durch eine separate Passagengruppe des Hauptwärmetauschers geführt (nicht dargestellt).

[0040] Durch die Integration der Argonausschleussäulen 31 in die Niederdrucksäule 2 und durch die Anordnung des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators über der Hochdrucksäule 1 verbraucht die Argonausschleusung keine zusätzliche Aufstellfläche gegenüber der reinen Stickstoff-Sauerstoff-Trennung. Bei der Anwendung des Ausführungsbeispiels sind die Säulendurchmesser aus Transporthöhengründen beschränkt. Der Durchmesser der Niederdrucksäule 2 ist unterhalb und oberhalb des Trennwandabschnittes maximal im Sinne dieser Begrenzung. Die Erhöhung der Sauerstoffausbeute und die Effizienz der Trennung kann somit ohne nennenswerte Vergrößerung der Anlage erzielt werden.

[0041] In dem Trennwandabschnitt A2 wird im zweiten Teilraum 29 (Argonausschleussäule 31) eine Packung höherer Dichte als im ersten Teilraum 28 (Argonabschnitt der Niederdrucksäule 2) eingesetzt, zum Beispiel 750 m²/m³ parallel zu 500 m²/m³ oder 500 m²/m³ parallel zu 350 m²/m³. Insbesondere ist dabei zu berücksichtigen, dass bei Ausfall der Argonausschleussäule notfalls das gesamte aus dem Abschnitt A1 aufsteigende Gas durch den ersten Teilraum 28 geleitet werden kann, ohne ein Fluten der Niederdrucksäule 2 zu verursachen. Die Packung im ersten Teilraum 28 (dem Argonabschnitt) sollte daher weniger dicht als diejenige im Sauerstoffabschnitt A1 sein.

[0042] Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 unterscheidet sich von demjenigen der Figur 1 durch eine Hilfssäule 140 und durch die Einleitung turbinenentspannter Luft 141 in die Niederdrucksäule 2. Einander entsprechende Elemente tragen in beiden Zeichnungen dieselben Bezugszeichen.

[0043] Die turbinenentspannte Luft 141 könnte alternativ in die Hilfssäule 140 oder verteilt in die Hilfssäule 140 und die Niederdrucksäule 2 eingeleitet werden. Die beschriebenen Merkmale zum Umgang mit turbinenentspannter Luft können auch bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 angewendet werden.

[0044] Die Hilfssäule 140 und der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17 sind in einem gemeinsamen Behälter angeordnet und zwar so, dass der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator 17 als Sumpfheizung der Hilfssäule 140 wirkt. Das Gas aus dem Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 17 wird hier nicht in die Niederdrucksäule eingeleitet (Leitung 18 in Figur 1), sondern als aufsteigendes Gas in die Hilfssäule 140 eingeleitet.

[0045] Als Rücklaufflüssigkeit am Kopf der Hilfssäule 140 wird ein Teil 136b des unterkühlten flüssigen Unreinstickstoffs 36 aus der Hochdrucksäule 1 eingesetzt; der Rest 136a strömt wie gehabt zum Kopf der Niederdrucksäule 2.

[0046] Ein Teil 108b der unterkühlten flüssigen Luft 108 kann der Hilfssäule 140 an einer Zwischenstelle zugespeist werden. Der Rest 108a geht wie in Figur 1 an die erste Zwischenstelle der Niederdrucksäule 2. Vom Kopf der Hilfssäule 140 wird gasförmiger Unreinstickstoff 138b abgezogen und mit dem gasförmigen Unreinstickstoff 138a vom Kopf der Niederdrucksäule 2 vermischt. Der Gesamtstrom 38 wird nach Anwärmung im Unterkühlungs-Gegenströmer 7 über Leitung 39 weiter zum Hauptwärmetauscher geführt (nicht dargestellt). Alternativ können die beiden Stickstoffströme 138a, 138b auch getrennt zum und durch den Hauptwärmetauscher geleitet werden; in diesem Fall können die beiden Säulen mit unterschiedlichem Kopfdruck betrieben und damit gegebenenfalls Energie gespart werden.

[0047] Mit Hilfe der Hilfssäule 140 wird der obere Abschnitt A3 der Niederdrucksäule entlastet. Dieser kann also mit einer geringeren Kapazität ausgelegt werden. Beispielsweise kann bei gleich bleibendem Kolonnendurchmesser eine weniger dichte Packung eingesetzt und damit die Bauhöhe der Niederdrucksäule 2 reduziert werden.

[0048] Außerdem weist das Ausführungsbeispiel der Figur 2 eine Tasse 150 in der Hilfssäule 140 und eine Leitung 151 auf. Die in der Hilfssäule 140 herabfließende Flüssigkeit wird in der Tasse 150 oberhalb des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators teilweise oder vollständig aufgefangen. Die aufgefangene Flüssigkeit wird teilweise oder vollständig über die Leitung 151 in die Niederdrucksäule 2 eingeleitet, vorzugsweise oberhalb der Leitung 18. Dadurch wird eine Vermischung dieser Flüssigkeit mit dem flüssigen Rohsauerstoff 16 aus der Hochdrucksäule 1 beziehungsweise der nicht verdampften Flüssigkeit aus dem Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 17 vermieden. Außerdem ist eine vorteilhafte Regelung des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators möglich.

Ansprüche

1. Destillationssäulen-System zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit

- einer Hochdrucksäule (1) und einer Niederdrucksäule (2),

- einem Hauptkondensator (3), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (3) mit dem Kopf der Hochdrucksäule (2) in Strömungsverbindung (9, 10, 11, 12) steht und der Verdampfungsraum des Hauptkondensators (3) mit der Niederdrucksäule (2) in Strömungsverbindung steht,

- einer Argonausschleussäule (31), die in Strömungsverbindung mit einer Zwischenstelle (A1/A2) der Niederdrucksäule (2) steht,

- und mit einem Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, wobei der Verflüssigungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators (17) mit dem Kopf der Argonausschleussäule (31) in Strömungsverbindung steht und der Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 17) mit einer Quelle (2) für Kühlflüssigkeit in Strömungsverbindung (15, 16) steht,
dadurch gekennzeichnet, dass

- die Hochdrucksäule (1) und die Niederdrucksäule (2) nebeneinander angeordnet sind,

- die Niederdrucksäule (2) einen unteren Abschnitt (A1), einen mittleren Abschnitt (A2) und einen oberen Abschnitt (A3) aufweist, wobei der mittlere Abschnitt (A2) als Trennwandabschnitt ausgebildet ist, in dem eine vertikale Trennwand (27) einen ersten Teilraum (28) und einen zweiten Teilraum (29) voneinander abtrennt,

- der erste Teilraum (28) unten mit dem unteren Abschnitt (A1) und oben mit dem oberen Abschnitt (A3) in Strömungsverbindung steht,

- der zweite Teilraum (29) unten mit dem unteren Abschnitt (A1) in Strömungsverbindung steht und oben mit einer oberen Wand (30) gegenüber dem oberen Abschnitt (A3) gasdicht verschlossen ist und die Argonausschleussäule (31) bildet,

- das obere Ende des zweiten Teilraums (29) über eine Argongasleitung (32) und eine Argonflüssigkeitsleitung (33) mit dem Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17) verbunden ist und

- der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17) über der Hochdrucksäule (1) angeordnet ist.

2. Destillationssäulen-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkondensator (3) zwischen Hochdrucksäule (1) und Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17) angeordnet ist.

3. Destillationssäulen-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdrucksäule (1), Hauptkondensator (3) und Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17) in einer gemeinsamen ersten Coldbox angeordnet sind.

4. Destillationssäulen-System nach einem der Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdrucksäule (2) ebenfalls in der ersten Coldbox angeordnet ist.

5. Destillationssäulen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des zweiten Teilraums (29) 25 bis 60 %, insbesondere zwischen 30 % und 50 % des Gesamtquerschnitts des mittleren Abschnitts der Niederdrucksäule (2) beträgt.

6. Destillationssäulen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Hilfssäule (140), deren Sumpfbereich zum Einleiten mindestens eines Teils des Gases aus dem Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators (17) ausgestaltet ist, und durch eine Flüssigstickstoffleitung (136b) zum Einleiten flüssigen Stickstoffs auf den Kopf der Hilfssäule (140).

7. Destillationssäulen-System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Flüssigkeitsleitungen (18,151) zum Einleiten einer oder mehrerer Flüssigkeiten von einer oder mehreren Zwischenstellen oder dem Sumpf der Hilfssäule (140) in die Niederdrucksäule (2).

8. Destillationssäulen-System nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Zwischenfraktionsleitung (108a) zum Einleiten einer Zwischenfraktion (6, 108) der Hochdrucksäule (1) in die Hilfssäule (140).

9. Destillationssäulen-System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel (150) zum Auffangen mindestens eines Teils der in der Hilfssäule (140) herabfließenden Flüssigkeit unmittelbar oberhalb des Sumpfes und durch Mittel (151) zum Einleiten der aufgefangenen Flüssigkeit in die Niederdrucksäule (2).

10. Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System mit einer Hochdrucksäule (1), einer Niederdrucksäule (2) und einer Argonausschleussäule (31) sowie mit einem Hauptkondensator (3) und einem Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17), die beide als Kondensator-Verdampfer ausgebildet sind, wobei bei dem Verfahren

- Einsatzluft der Hochdrucksäule (1) zugeleitet wird,

- Kopfgas (9, 10) der Hochdrucksäule (1) in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (3) eingeleitet wird und in dem Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (3) erzeugter Flüssigstickstoff (11, 12) in die Hochdrucksäule (1) eingeleitet wird,

- Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule (2) im Verdampfungsraum des Hauptkondensators (3) verdampft wird und dabei gewonnenes Gas in die Niederdrucksäule (2) eingeleitet wird,

- eine argonangereicherte Fraktion von einer Zwischenstelle (A1/A2) der Niederdrucksäule (2) in die Argonausschleussäule (31) eingeleitet wird,

- Kopfgas (32) der Argonausschleussäule (31) in den Verflüssigungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators (17) eingeleitet wird und in dem Verflüssigungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators (17) erzeugte Flüssigkeit auf den Kopf der Argonausschleussäule (31) aufgegeben wird und

- Sumpfflüssigkeit (15) der Hochdrucksäule (1) in den Verdampfungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators 17) geleitet (16) wird,
dadurch gekennzeichnet, dass

- die Hochdrucksäule (1) und die Niederdrucksäule (2) nebeneinander angeordnet sind,

- die Niederdrucksäule (2) einen unteren Abschnitt (A1), einen mittleren Abschnitt (A2) und einen oberen Abschnitt (A3) aufweist,

- wobei der mittlere Abschnitt (A2) als Trennwandabschnitt ausgebildet ist, in dem eine vertikale Trennwand (27) einen ersten Teilraum (28) und einen zweiten Teilraum (29) voneinander abtrennt,

- der erste Teilraum (28) unten mit dem unteren Abschnitt (A1) und oben mit dem oberen Abschnitt (A3) in Strömungsverbindung steht,

- der zweite Teilraum (29) die Argonausschleussäule (31) bildet, indem die argonangereicherte Fraktion von der Zwischenstelle (A1/A2) der Niederdrucksäule (2) unten in den zweiten Teilraum (29) eingeleitet wird, wobei der zweite Teilraum (29) oben mit einer oberen Wand (30) gegenüber dem oberen Abschnitt (A3) der Niederdrucksäule (2) gasdicht verschlossen ist,

- vom oberen Ende des zweiten Teilraums (29) eine argonangereicherte Gasfraktion (32) abgezogen und in den Verflüssigungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators (17) eingeleitet wird und in dem Verflüssigungsraum des Argonausschleussäulen-Kopfkondensators (17) erzeugte Flüssigkeit (33) zum oberen Ende des zweiten Teilraums (29) zurückgeleitet wird und dass

- der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator (17) über der Hochdrucksäule (1) angeordnet ist.

Zeichnung