[0001] Die Erfindung betrifft ein Destillationssäulen-System zur Erzeugung von Sauerstoff
durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[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] Der Hauptkondensator ist 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.
[0005] Üblicherweise ist der Hauptkondensator als Badverdampfer, insbesondere als Kaskadenverdampfer
(beispielsweise wie in
EP 1287302 B1 =
US 6748763 B2 beschrieben) ausgebildet. Er kann durch einen einzigen Wärmetauscherblock gebildet
werden oder auch durch mehrere Wärmetauscherblöcke, die in einem gemeinsamen Druckbehälter
angeordnet sind.
[0006] 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 Luft dient, die in Hochdrucksäule und Niederdrucksäule zerlegt wird.
Ihre Schaltung unterscheidet sich nur wenig von der einer klassischen Rohargonsäule,
die im Allgemeinen 70 bis 180 theoretische Böden aufweist; allerdings enthält sie
deutlich weniger theoretische Böden, nämlich weniger als 40, insbesondere zwischen
15 und 35. Wie eine Rohargonsäule ist der Sumpfbereich einer Argonausschleussäule
mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule verbunden, und die Argonausschleussäule
wird üblicherweise durch einen Kopfkondensator gekühlt, auf dessen Verdampfungsseite
entspannte Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule eingeleitet wird; eine Argonausschleussäule
weist in der Regel keinen Sumpfverdampfer auf.
[0007] Das Wort "Argonsäule" wird hier als Oberbegriff für Argonausschleussäulen, vollwertige
Rohargonsäulen und alle Übergänge dazwischen verwendet.
[0008] 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 isolierende 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 des Pakets bei vorgefertigten Anlagen.
[0009] 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. Ein solcher separater Wärmetauscher kann beispielsweise
durch einen Nebenkondensator oder durch einen separaten Wärmetauscher zur Verdampfung
oder Pseudo-Verdampfung eines flüssigen Stroms unter erhöhtem Druck gebildet werden.
Manche Luftzerlegungsanlagen enthalten beispielsweise zusätzlich zum Hauptwärmetauscher
einen Nebenkondensator oder einen Hochdrucktauscher zu Verdampfung oder Pseudo-Verdampfung
von flüssig auf Druck gebrachtem Produkt gegen einen Hochdruckluftstrom, der durch
einen Teil der Einsatzluft gebildet wird.
[0010] Die relativen räumlichen Begriffe "oben", "unten", "über", "unter", "oberhalb", "unterhalb",
"vertikal", "horizontal" etc. beziehen sich hier auf die räumliche Ausrichtung der
Apparate im Normalbetrieb.
[0011] 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 vorfertigten 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 Teilen - ohne Coldbox
und Verrohrung transportiert. Eine zusätzliche Säule wie die Argonsäule verursacht
dabei zusätzlichen Aufwand mit einer eigenen Coldbox. Diese Säule wird separat auf
die Baustelle gebracht und dort mit relativ großem Aufwand vor Ort mit dem Rest der
Anlage verbunden. Um eine zusätzliche kryogene Pumpe zu vermeiden, wird diese Säule
(in einer eigenen Coldbox) auf einem aufwändigen Gestell platziert. Dieses Gestell
verursacht unter anderem erhöhten Platzbedarf für die ganze Anlage ("plant footprint").
[0012] In Figur 1 von
EP 1108965 A1 ist eine Argonsäule offenbart, die in die Niederdrucksäule eingebaut ist und deren
Kopfkondensator außerhalb der Niederdrucksäule angeordnet ist.
[0013] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Destillationssäulen-System der eingangs
genannten Art möglichst kompakt zu gestalten, seinen Aufbau zu vereinfachen und eine
besonders betriebssichere Regelmethode zu finden.
[0014] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach wird
der Argonsäulen-Kopfkondensator innerhalb der Niederdrucksäule angeordnet. Der Argonausschleussäulen-Kopfkondensator
ist als Forced-Flow-(once-through)-Verdampfer ausgeführt; an seinem oberen Ende ist
der Verdampfungsraum mit dem Innenraum der Niederdrucksäule verbunden, so dass das
dort erzeugte Gas in den oberen Stoffaustauschbereich einströmen kann. Der Argonsäulen-Kopfkondensator
braucht bei der Erfindung nicht mittig oberhalb der Argonsäule angeordnet zu sein
(falls die Argonsäule ganz oder teilweise in die Niederdrucksäule eingebaut ist),
sondern der gesamte Querschnitt der Niederdrucksäule kann genutzt werden.
[0015] In einem Forced-Flow-Verdampfer wird ein Flüssigkeitsstrom mittels seines eigenen
Drucks durch den Verdampfungsraum gedrückt und dort partiell verdampft. Dieser Druck
wird zum Beispiel durch eine Flüssigkeitssäule in der Zuleitung zum Verdampfungsraum
erzeugt. Die Höhe dieser Flüssigsäule entspricht dabei dem Druckverlust im Verdampfungsraum.
Das aus dem Verdampfungsraum austretende Gas-Flüssigkeitsgemisch wird nach Phasen
getrennt direkt zum nächsten Verfahrensschritt weitergeleitet und insbesondere nicht
in ein Flüssigkeitsbad des Kondensator-Verdampfers eingeleitet, von dem der flüssig
verbliebene Anteil erneut angesaugt würde ("once through").
[0016] In dem Verdampfungsraum des Forced-Flow-Verdampfers wird eine Flüssigkeit teilverdampft.
Das dem Austritt entströmende Zwei-Phasen-Gemisch wird vorzugsweise in einen Flüssigkeitsverteiler
am Kopf des mittleren Stoffaustauschbereichs eingeführt. Der verdampfte Anteil strömt
nach oben in den oberen Stoffaustauschbereich, der flüssig verbliebende Anteil bildet
mindestens einen Teil des Rücklaufs für mindestens einen Teil des mittleren Stoffaustauschbereichs,
der insbesondere den Argonabschnitt der Niederdrucksäule bildet.
[0017] Grundsätzlich könnte der Forced-Flow-Verdampfer wie bei üblichen Argonverfahren ausschließlich
mit dem Rohsauerstoff aus der Hochdrucksäule betrieben werden. Im Rahmen der Erfindung
hat es sich jedoch als günstiger erweisen, den Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators
mit einer Flüssigkeit zu beaufschlagen, die aus dem oberen Stoffaustauschbereich der
Niederdrucksäule stammt. Dazu ist der Flüssigkeitssammler unterhalb des oberen Stoffaustauschbereichs
mit Mitteln zum Einleiten von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitssammler über den Eintritt
in den Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators verbunden. Aus dem oberen
Stoffaustauschabschnitt ablaufende Flüssigkeit wird in dem Flüssigkeitssammler zusammengeführt
und beispielsweise über eine Leitung in den Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators
eingeführt. Die Flüssigkeit dient damit zur Kühlung des Kopfs der Argonsäule. Sie
ist sauerstoffreicher als der Rohsauerstoff aus der Hochdrucksäule und ermöglicht
damit eine niedrigere Temperaturdifferenz und entsprechend niedrigere thermodynamische
Verluste in dem Argonsäulen-Kopfkondensator.
[0018] Gemäß der Erfindung ("Regelmethode 3") wird das Zwei-Phasen-Gemisch aus dem Verdampfungsraum
des Argonkondensators in einen Behälter eingeleitet, der als Phasentrenneinrichtung
und Flüssigkeitspuffer wirkt. Die in dem Behälter abgeschiedene Flüssigkeit wird in
den darunterliegenden Flüssigkeitsverteiler geleitet. Die Flüssigkeitsmenge wird dabei
mittels einer festen Blende beziehungsweise entsprechender Lochung im Boden des Behälters
oder mittels eines Regelventils in der Flüssigkeitsleitung gesteuert. Über eine Gasleitung
wird Gas aus dem Behälter abgezogen. Sie enthält ein Regelventil, über das der Druck
im Verdampfungsraum eingestellt wird, damit die Temperaturdifferenz im Argonkondensator
und somit seine Leistung.
[0019] Grundsätzlich könnte anstelle des Forced-Flow-Kondensators auch ein Fallfilmverdampfer
eingesetzt werden, dessen Verdampfungsraum ebenfalls von der ganzen oder fast der
ganzen in dem oberen Stoffaustauschabschnitt herabfließenden Flüssigkeit durchflossen
wird.
[0020] Aus
DE 1272322 B ist es bekannt, eine Rohargonsäule mittels einer zylindrischen Trennwand in die Niederdrucksäule
einzubauen; der Kopfkondensator ist als konventioneller Badverdampfer ausgebildet
und zu einem ersten Teil in der Niederdrucksäule angeordnet. Außerdem wird hier ein
weiterer Behälter für den zweiten Teil des Kopfkondensators genutzt.
[0021] Vorzugsweise ist bei der Erfindung der Argonkondensator so ausgebildet, dass er den
gesamten Rücklauf für die Argonsäule erzeugt. Es gibt also keinen weiteren Argonkondensator,
der außerhalb der Niederdrucksäule angeordnet wäre.
[0022] In der Regel ist die Argonsäule als Argonausschleussäule ausgestaltet. Wenn ein Argonprodukt
benötigt wird, kann sie jedoch auch als Rohargonsäule ausgebildet sein, an deren Kopf
ein sauerstoffabgereichertes oder sauerstofffreies Rohargonprodukt gewonnen wird.
Das Rohargonprodukt wird entweder abgeführt oder der weiteren Aufarbeitung in einer
Reinargonsäule zugeleitet.
[0023] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird auch die Argonsäule oder ein Teil von
ihr innerhalb der Niederdrucksäule angeordnet, und zwar im mittleren Stoffaustauschbereich.
Dazu ist dieser als Trennwandabschnitt ausgebildet, das heißt er enthält eine vertikale
Trennwand, die den Argonabschnitt der Niederdrucksäule ("erster Stoffaustauschraum")
von der Argonsäule ("zweiter Stoffaustauschraum") abtrennt. Der erste Stoffaustauschraum
ist oben zum oberen Stoffaustauschbereich und unten zum unteren Stoffaustauschbereich
hin offen". Dies bedeutet, dass aufsteigendes Gas ohne wesentliche Behinderung unten
in den ersten Stoffaustauschraum einströmen und oben aus dem ersten Stoffaustauschraum
ausströmen kann.
[0024] Der zweite Stoffaustauschraum ist nach oben hin zum oberen Stoffaustauschbereich
gasdicht verschlossen. Das unten aus dem unteren Stoffaustauschbereich einströmende
Gas wird also nach der Rektifikation in dem zweiten Stoffaustauschraum (in der Argonsäule)
nicht wieder in die Niederdrucksäule eingeleitet, sondern über eine oder mehrere spezielle
Gasleitungen weitergeführt und/oder in den Verflüssigungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators
eingeleitet.
[0025] Falls nur ein Teil der Argonsäule innerhalb der Niederdrucksäule angeordnet ist,
weist die Argonsäule außerdem eine separate Rohargonsäule auf, die sich außerhalb
der Niederdrucksäule befindet.
[0026] In einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Stoffaustauschraum unten zum
unteren Stoffaustauschbereich hin offen. Das aufsteigende Gas aus dem unteren Stoffaustauschbereich
strömt also in den zweiten Stoffaustausch ein und wird dort einer Argon-Sauerstoff-Trennung
unterworfen.
[0027] Alternativ ist der zweite Stoffaustauschraum unten zum unteren Stoffaustauschbereich
hin verschlossen, sodass im unteren Bereich des zweiten Stoffaustauschraums eine andere
Konzentration herrschen kann als am oberen Ende des unteren Stoffaustauschbereichs.
Damit kann der rektifikatorisch gesehen "obere" Teil einer Argonsäule in den Trennwandabschnitt
eingebaut sein, während der Rest der Argonsäule, der am unteren Ende mit der Niederdrucksäule
verbunden ist, separat realisiert wird.
[0028] Für eine vollwertige Argonproduktion kann eine separate Rohargonsäule ergänzt werden.
Die Argonsäule besteht dann aus der Kombination aus Rohargonsäule und zweitem Stoffaustauschraum,
wobei der zweite Stoffaustauschraum rektifikatorisch gesehen mit dem oberen oder dem
unteren Ende der Rohargonsäule verbunden sein kann. In jedem Fall steht der Kopf der
Argonsäule in Strömungsverbindung mit dem Verflüssigungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators.
[0029] Enthält die Niederdrucksäule keinen Trennwandabschnitt, wird die Argonsäule ausschließlich
durch eine separate Rohargonsäule gebildet. Diese ist dann auf übliche Weise verbunden,
indem der Kopf der Argonsäule in Strömungsverbindung mit dem Verflüssigungsraum des
Argonsäulen-Kopfkondensators steht und der Sumpf der Argonsäule mit einem Zwischenbereich
der Niederdrucksäule in Strömungsverbindung steht, insbesondere mit dem Bereich zwischen
mittlerem und unterem Stoffaustauschbereich.
[0030] Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Mittel zum Einleiten von Flüssigkeit aus dem
Flüssigkeitssammler in den Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators zum Einleiten
von mindestens 80 mol-%, vorzugsweise mindestens 90mol-% der im Normalbetrieb in den
Flüssigkeitssammler strömenden Flüssigkeitsmenge in den Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators
ausgebildet sind.
[0031] Im Rahmen der Erfindung sollte im Normalbetrieb der Anlage möglichst 100 % der Flüssigkeit
aus dem Flüssigkeitssammler in den Verdampfungsraum eingeleitet werden.
[0032] Vorzugsweise ist eine Rohsauerstoffleitung zur Einleitung von Rohsauerstoff aus dem
Sumpf der Hochdrucksäule in den oberen Stoffaustauschbereich der Niederdrucksäule
vorgesehen; alternativ kann der Rohsauerstoff direkt in den Flüssigkeitssammler vor
dem Verdampfungsraum eingespeist werden. Bei der Einleitung in die Niederdrucksäule
wird diese - an sich übliche - Einleitung von Sumpfflüssigkeit der Hochdrucksäule
in die Niederdrucksäule nicht über den Argonsäulen-Kopfkondensator geführt, sondern
direkt in den oberen Stoffaustauschbereich. Die Flüssigkeit, die in den Verdampfungsraum
des Argonsäulen-Kopfkondensators eingeleitet wird, ist also sauerstoffreicher als
beim konventionellen Verfahren, weil hier die unter dem oberen Abschnitt gesammelte
Flüssigkeit verwendet wird.
[0033] In einer Ausführungsform weist das Destillationssäulen-System eine Umgehungsleitung
auf zum Einleiten von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitssammler, der unterhalb des oberen
Stoffaustauschabschnitts angeordnet ist, in den Flüssigkeitsverteiler am Kopf des
unteren Stoffaustauschabschnitts) wobei eine Regelventil in der Umgehungsleitung angeordnet
ist.
[0034] Über diese Umgehungsleitung kann außerhalb der Erfindung die Leistung des Argonsäulen-Kopfkondensators
gesteuert werden. Gegebenenfalls wird das Regelventil geöffnet, eine geringe Menge
stickstoffreichere Flüssigkeit strömt direkt in den Verteiler und umgeht damit den
mittleren Stoffaustauschabschnitt. Dadurch erhöht sich der Stickstoffgehalt im Verflüssigungsraum
des Argon-Kopfkondensators (beziehungsweise im Zweiphasen-Gemisch am Austritt), die
mittlere Kondensationstemperatur sinkt und die Leistung des Kondensators wird vermindert
durch Verringerung der treibenden Temperaturdifferenz (Regelmethode 1).
[0035] Alternativ zur erfindungsgemäßen Regelung könnte der Umsatz in der Rohargonsäule
auch mithilfe eines Ventils im Gasstrom vor dem Roh-Argonkondensator geregelt werden.
Hierbei wird eine Gaszuleitung zur Einleitung von Gas aus der Argonsäule in den Verflüssigungsraum
des Argonsäulen-Kopfkondensators genutzt, die ein Regelventil enthält. (Regelmethode
2)
[0036] Die Gaszuleitung unmittelbar stromabwärts des Regelventils kann mit einer Anfahrleitung
verbunden sein, die zum kontrollierten Abführen von Gas aus der Niederdrucksäule ausgebildet
ist.
[0037] Die Anfahrleitung ist mit der Gaszuleitung außerhalb der Behälterwand verbunden und
wird nur beim Kaltfahren der Anlage verwendet. Sie einhält ein Regelventil, das im
stationären Betrieb geschlossen ist. Hier muss beim Anfahren darauf geachtet werden,
dass die Stoffaustauschräume beidseits der Trennwand gleichmäßig abgekühlt werden.
Große Temperaturdifferenzen zwischen diesen beiden Abschnitten sind zu vermeiden,
um damit die Belastung der Trennwand durch thermisch induzierte Spannungen möglichst
niedrig zu halten. Die Anfahrleitung geht dabei entweder ins Freie oder wird vor dem
Hauptwärmetauscher in eine Unreinstickstoffleitung eingebunden. Je nach Temperatur
rechts und links der Trennwand wird das Regelventil beim Anfahren mehr oder weniger
geöffnet. Vorteilhaft ist, dass hier für die Anfahrleitung kein separater Stutzen
an der Säule vorgesehen werden muss, sondern die Anfahrleitung direkt in die Gaszuleitung
nach dem Regelventil für den Argonsäulen-Kopfkondensator eingebunden wird - also außerhalb
der Säule. Diese Anfahrtechnik kann nicht nur bei der Erfindung, sondern grundsätzlich
bei Trennwandkolonnenabschnitt mit darüber liegendem Kondensator genutzt werden.
[0038] Die Erfindung betrifft außerdem eine Anlage zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung
von Luft gemäß Patentansprüchen 8 bis 12 mit einem Hauptluftverdichter, einer Luftvorkühlungseinheit,
einer Luftreinigungseinheit und einem Hauptwärmetauscher und mit zwei der oben beschriebenen
Destillationssäulen-Systeme, die beide Einsatzluft aus dem gemeinsamen Hauptwärmetauscher
erhalten.
[0039] Dabei kann mindestens ein Teil der Einsatzluft für beide Destillationssäulen-Systeme
gemeinsam im Hauptwärmetauscher abgekühlt und in einer Gesamtdruckluftleitung aus
dem Hauptwärmetauscher abgezogen werden. Die Gesamtdruckluftleitung wird dann in die
erste Druckluftteilstromleitung zum ersten Destillationssäulen-System und die zweite
Druckluftteilstromleitung zum zweiten Destillationssäulen-System verzweigt. Alternativ
sind die beiden Druckluftteilstromleitungen direkt mit dem hauptwärmetauscher verbunden.
[0040] Weist eine erfindungsgemäße Anlage neben dem Hauptwärmetauscher einen Hochdrucktauscher
auf, dann wird dieser ebenfalls für beide Destillationssäulen-Systeme genutzt, das
heißt die kalte Hochdruckluft aus dem Hochdrucktauscher wird auf die beiden Destillationssäulen-Systeme
verteilt und der für den Hochdrucktauscher bestimmte Produktstrom wird flüssig aus
beiden Destillationssäulen-Systemen entnommen, zusammengeführt und zum Hochdrucktauscher
geschickt.
[0041] Aus fertigungstechnischen Gründen besteht der Hauptwärmetauscher in der Regel ohnehin
aus mehreren parallel geschaltenen Blöcken. Dann empfiehlt es sich, die Blöcke in
zwei symmetrische Gruppen aufzuteilen, um den Hauptwärmetauscher besser regeln zu
können. Durch die erste Tauscher-Gruppe werden dabei die in dem ersten Destillationssäulen-System
zu zerlegende Luft und der entsprechende Strom von unreinem Stickstoff aus dem gleichen
Destillationssäulen-System geführt. Durch die zweite Gruppe fließen die entsprechenden
Ströme für die beziehungsweise von dem zweiten Destillationssäulen-System. Die restlichen
Ströme (Produktbeziehungsweise Turbinenströme) werden dabei gleichmäßig auf die Blöcke
beider Gruppen verteilt.
[0042] Aus
US 612892 ist es zwar bekannt, zwei parallel geschaltete Doppelsäulen nebeneinander in einer
gemeinsamen Coldbox zu betreiben; allerdings zielt diese Schrift darauf ab, die beiden
Doppelsäulen verschieden auszubilden. Der Fachmann würde diese Veröffentlichung nicht
konsultieren, wenn er auf der Suche nach einer Maximierung der Kapazität einer Anlage
ist. Er entnimmt ihr jedenfalls keine Anregung, wie ein mehrsträngiges System im Sinne
der oben beschriebenen Aufgabe verändert werden könnte.
[0043] Die Apparate stromaufwärts und stromabwärts der beiden Destillationssäulen-Systeme
können insbesondere durch eine einzige Vorkühlung, eine einzige Luftreinigung und/oder
einen einzigen Hauptwärmetauscher gebildet sein.
[0044] Es ist günstig, wenn in der Anlage das erste Destillationssäulen-System und das zweite
Destillationssäulen-System die gleiche Baugröße aufweisen und insbesondere Hochdrucksäule,
Niederdrucksäule und Argonsäule gleich dimensioniert sind. Unter einer "gleichen Baugröße"
wird hier verstanden, dass die entsprechenden Kolonnenhöhen und -durchmesser nicht
mehr als 10 %, insbesondere nicht mehr als 5 % voneinander abweichen. Der Vergleich
bezieht sich paarweise auf die einander entsprechenden Abschnitte der ersten und der
zweiten Hochdrucksäulen, der ersten und der zweiten Niederdrucksäulen beziehungsweise
der Argonsäulen.
[0045] Die beiden Destillationssäulen-Systeme können jeweils in einer separaten Coldbox
untergebracht sein. Alternativ werden das erste und das zweite Destillationssäulen-System
in einer gemeinsamen Coldbox angeordnet.
[0046] In beiden Fällen werden die beiden Destillationssäulen-Systeme unabhängig voneinander
betrieben. Die warmen Anlagenteile und der Hauptwärmetauscher und gegebenenfalls ein
Hochdrucktauscher werden zum Beispiel gemeinsam genutzt. Dazu werden eine, mehrere
oder alle Entnahmeleitungen für Produkte der beiden Destillationssäulen-Systeme, sofern
sie nicht zur direkten Flüssigproduktentnahme bestimmt sind, paarweise in eine Gesamtleitung
zusammengeführt, die mit dem kalten Ende dese Hauptwärmetauschers verbunden ist. und
anschließend in einer gemeinsamen Leitung zum Hauptwärmetauscher oder gegebenenfalls
zum Hochdrucktauscher geleitet. Alternativ weist jedes der beiden Destillationssäulen-Systeme
seinen eigenen Hauptwärmetauscher und gegebenenfalls seinen eigenen Hochdruckwärmetauscher
auf.
[0047] Für den unabhängigen Betrieb besitzen beide Destillationssäulen-Systeme je einen
separaten Unterkühlungs-Gegenströmer, der unabhängig vom Unterkühlungs-Gegenströmer
des anderen Destillationssäulen-Systems betreibbar ist und insbesondere nicht mit
Rohrleitungen von oder zu dem anderen Destillationssäulen-System verbunden ist.
[0048] Insbesondere damit sind die beiden Destillationssäulen-Systeme unabhängig voneinander
betreibbar.
[0049] Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 13 bis 15. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann durch Verfahrensmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen einzelner,
mehrerer oder aller abhängigen Vorrichtungsansprüche entsprechen.
[0050] Die Vorteile der Erfindung kommen insbesondere bei besonders großen Anlagen zum Tragen,
die mehrsträngig ausgebildet sind.
[0051] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand
von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Hierbei zeigen:
- Figur 1
- ein erstes Ausführungsbeispiel einer kompletten Anlage mit einem Destillationssäulen-System
gemäß der Erfindung mit einem Zwei-Turbinen-System,
- Figur 2
- ein zweites Ausführungsbeispiel mit nur einer kälteerzeugenden Turbine, einer Einblaseturbine,
- Figur 3
- ein drittes Ausführungsbeispiel mit Druckstickstoff-Turbine,
- Figur 4
- ein viertes Doppelsäulen-System mit Unrein-Stickstoff-Turbine,
- Figur 5
- ein fünftes Ausführungsbeispiel mit zwei Destillationssäulen-Systemen gemäß der Erfindung
("Twin Column"),
- Figur 6
- eine Detailansicht der Niederdrucksäule mit einem ersten Regelkonzept für den Argonsäulen-Kondensator
mit Flüssigkeits-Bypass,
- Figur 7
- ein weiteres Regelkonzept mit einem Regelventil für den Umsatz in der Argonsäule,
- Figur 8
- eine Abwandlung von Figur 7 ohne separaten Packungsabschnitt für den Rohsauerstoff
aus der Hochdrucksäule,
- Figuren 9 bis 11
- drei Ausführungsformen mit kompletter Argongewinnung und
- Figur 12
- ein drittes Regelkonzept in Abwandlung der Figuren 6 und 7.
[0052] In
Figur 1 ist eine Anlage mit einem einzigen Destillationssäulen-System zu sehen. Der Aufbau
der Niederdrucksäule dieses Destillationssäulen-Systems ist im Detail in Figur 6 dargestellt
(manche der unten erwähnten Bezugszeichen sind nur dort angegeben). Das Destillationssäulen-System
des Ausführungsbeispiels der Figur 1 weist eine Hochdrucksäule 101, eine Niederdrucksäule
102, einen Hauptkondensator 103 und eine Argonsäule 152 auf.
[0053] Der Hauptkondensator 103 wird in dem Beispiel durch einen dreistufigen Kaskadenverdampfer
gebildet, also einen mehrstöckigen Taschenverdampfer. Das Säulenpaar 101/102 ist in
Form einer Doppelsäule angeordnet. Die Argonsäule 152 ist in einem mittleren Stoffaustauschbereich
130 der Niederdrucksäule 102 angeordnet. Der Argonsäulen-Kopfkondensator 155 sitzt
im Inneren der Niederdrucksäule 102 oberhalb des mittleren Stoffaustauschbereichs
130. Die Niederdrucksäule 102 weist außerdem einen oberen Stoffaustauschbereich 131
und einen unteren Stoffaustauschbereich 132 auf (siehe insbesondere Figur 6).
[0054] Die in Figur 1 dargestellte Anlage weist ein Eintrittsfilter 302 für atmosphärische
Luft (AIR), einen Hauptluftverdichter 303, eine Luftvorkühlungseinheit 304, eine Luftreinigungseinheit
305 (üblicherweise gebildet durch ein Paar von Molekularsieb-Adsorbern), einen Luftnachverdichter
306 (Booster Air Compressor - BAC) mit Nachkühler 307 und einen Hauptwärmetauscher
308 auf. Der Hauptwärmetauscher 308 ist in einer eigenen Coldbox untergebracht, die
von der Coldbox um das Destillationssäulen-System getrennt ist. Ein Gesamtdruckluftstrom
100 vom kalten Ende des Hauptwärmetauschers 308 wird in die Hochdrucksäule 101 eingeleitet.
[0055] Die in dem Nachverdichter 306 auf dessen Enddruck nachverdichtete Luft wird in dem
Hauptwärmetauscher 308 verflüssigt (oder - falls ihr Druck überkritisch ist - pseudoverflüssigt)
und über Leitungen 311/111 dem Destillationssäulen-System zugeleitet.
[0056] Ein Stickstoffgasstrom 104, 114 aus der Hochdrucksäule 101 wird in den Verflüssigungsraum
des Hauptkondensators 103 eingeleitet. In dem Verflüssigungsraum des Hauptkondensators
103 wird daraus Flüssigstickstoff 115 erzeugt, der mindestens zu einem ersten Teil
als ein erster Flüssigstickstoffstrom 105 zur ersten Hochdrucksäule 101 geleitet wird.
[0057] Ein Flüssigsauerstoffstrom 106 aus der Niederdrucksäule 102 fließt vom unteren Ende
der untersten Stoffaustauschschicht 107 der Niederdrucksäule 102 ab und wird dadurch
in den Verdampfungsraum des Hauptkondensators 103 eingeleitet. In dem Verdampfungsraum
des Hauptkondensators 103 wird gasförmiger Sauerstoff gebildet. Er wird mindestens
zu einem ersten Teil in die erste Niederdrucksäule 102 eingeleitet, indem er von unten
in die unterste Stoffaustauschschicht 107 der Niederdrucksäule 102 einströmt; ein
zweiter Teil kann bei Bedarf direkt als gasförmiges Sauerstoffprodukt gewonnen und
im Hauptwärmetauscher 308 angewärmt werden (in diesem Ausführungsbeispiel nicht realisiert).
[0058] Die Rücklaufflüssigkeit 109 für die Niederdrucksäule 102 wird durch eine stickstoffangereicherte
Flüssigkeit 120 gebildet, die an der Hochdrucksäule 101 von einer Zwischenstelle (oder
alternativ direkt vom Kopf) abgezogen und in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 123
abgekühlt wird. Vom Kopf der Niederdrucksäule 102 wird unreiner Stickstoff 110 abgezogen
und als Restgas durch den Unterkühlungs-Gegenströmer 123 und über die Leitung 32 zum
Hauptwärmetauscher 308 geführt.
[0059] Von der Hochdrucksäule 101 wird ein sauerstoffangereicherter Sumpfflüssigkeitsstrom
151 abgezogen und im Unterkühlungs-Gegenströmer 123 abgekühlt. In dem Beispiel wird
die gesamte abgekühlte Sumpfflüssigkeit 153 dem oberen Stoffaustauschbereich der Niederdrucksäule
102 zugeführt. Sie fließt zusammen mit der von oben kommenden Rücklaufflüssigkeit
in den untersten Abschnitt des oberen Stoffaustauschbereichs. Die aus diesem Abschnitt
ablaufende Flüssigkeit wird von einem Flüssigkeitssammler 133 aufgefangen und in den
Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators 155 eingeleitet. Der Argonsäulen-Kopfkondensator
155 ist hier erfindungsgemäß als Forced-Flow-Verdampfer ausgebildet. Der im Kopfkondensator
155 verdampfte Anteil strömt in den oberen Stoffaustauschbereich 131 zurück und der
flüssig verbliebene Anteil 157 wird in den mittleren Stoffaustauschbereich 130 der
Niederdrucksäule 102 eingespeist. Das argonangereicherte "Produkt" 163 der Argonsäule
wird gasförmig aus der Argonsäule 152 beziehungsweise deren Kopfkondensator 155 entnommen
und über Leitung 164 durch eine separate Passagengruppe durch den Hauptwärmetauscher
308 geführt.
[0060] Alternativ könnte die argonangereicherte Fraktion 163 mit dem unreinen Stickstoff
vermischt und das Gemisch durch den Hauptwärmetauscher geführt werden.
[0061] Die flüssige Luft 111 aus dem Hauptwärmetauscher wird über die Leitung 111 der Hochdrucksäule
101 an einer Zwischenstelle zugespeist. Mindestens ein Teil 127 wird gleich wieder
entnommen und durch den Unterkühler 123 und über die Leitung 128 in den oberen Stoffaustauschbereich
der Niederdrucksäule 102 eingeleitet, und zwar oberhalb der Einspeisung der Sumpffraktion
153. Über Leitung 129 wird ferner gasförmige Luft aus einer Einblaseturbine 137 in
die Niederdrucksäule 102 eingeführt, und zwar auf der gleichen Höhe wie der Rohsauerstoff
153.
[0062] Als Hauptprodukt der Destillationssäulen-Systeme wird flüssiger Sauerstoff 141 vom
Verdampfungsraum des Hauptkondensators 103 abgezogen und über Leitung 14 mindestens
teilweise einer Innenverdichtung zugeführt. Dabei wird der flüssige Sauerstoff 14
mittels einer Pumpe 15 auf einen hohen Produktdruck gepumpt, unter diesem hohen Produktdruck
in dem Hauptwärmetauscher 308 verdampft oder (falls sein Druck überkritisch ist) pseudo-verdampft,
auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt
GOXIC abgezogen. Dieses stellt das Hauptprodukt der Anlage des Ausführungsbeispiels
dar.
[0063] Als weiteres Produkt der Anlage wird Druckstickstoff direkt vom Kopf der Hochdrucksäule
101 abgezogen (Leitungen 104, 142), über Leitung 42 zum Hauptwärmetauscher 308 geführt,
dort angewärmt und schließlich als gasförmiges Druckstickstoffprodukt MPGAN gewonnen.
Ein Teil davon kann als Dichtgas (Sealgas) eingesetzt werden. Zusätzlich wird ein
Teil 143 des in dem Hauptkondensator 103 erzeugten Flüssigstickstoffs über Leitung
43 einer Innenverdichtung zugeführt (Pumpe 16) und als gasförmiges Hochdruck-Stickstoffprodukt
GANIC gewonnen werden. Die Anlage kann auch Flüssigprodukte LOX, LIN liefern.
[0064] In einem konkreten Beispiel werden die Stoffaustauschelemente in der Niederdrucksäule
102 ausschließlich durch geordnete Packung gebildet. Der Sauerstoffabschnitt 107 der
Niederdrucksäule 102 ist mit einer geordneten Packung mit einer spezifischen Oberfläche
von 750 m
2/m
3 oder alternativ 1200 m
2/m
3 ausgestattet, in den übrigen Abschnitten weist die Packung eine spezifische Oberfläche
von 750 oder 500 m
2/m
3 auf. Zusätzlich kann die Niederdrucksäule 102 einen Stickstoffabschnitt oberhalb
der in der Zeichnung dargestellten Stoffaustauschbereiche aufweisen; dieser kann dann
ebenfalls mit besonders dichter Packung (zum Beispiel mit einer spezifischen Oberfläche
von 1200 m
2/m
3 zwecks Reduktion der Säulenhöhe) ausgestattet werden. Abweichend hiervon ist es möglich,
innerhalb jedes der genannten Abschnitte geordnete Packung unterschiedlicher spezifischer
Oberfläche zu kombinieren. Die Argonsäule 152 enthält in dem Ausführungsbeispiel ausschließlich
Packung mit einer spezifischen Oberfläche von 1200 m
2/m
3 oder alternativ 750 m
2/m
3.
[0065] In der Hochdrucksäule 101 werden die Stoffaustauschelemente ausschließlich durch
geordnete Packung mit einer spezifischen Oberfläche von 1200 m
2/m
3 oder 750 m
2/m
3 gebildet. Alternativ könnte mindestens ein Teil der Stoffaustauschelemente in der
Hochdrucksäule 101 durch konventionelle Destillationsböden gebildet werden, zum Beispiel
durch Siebböden.
[0066] Das System von Figur 1 ist als Zwei-Turbinen-Verfahren mit einer Mitteldruckturbine
138 und einer Einblaseturbine 137 ausgebildet.
[0067] Das Ausführungsbeispiel der
Figur 2 unterscheidet sich dadurch von Figur 1, dass es als Ein-Turbinen-System ausgebildet
ist. Es weist nur eine Einblaseturbine, aber keine Mitteldruckturbine auf.
[0068] Figur 3 ist fast identisch mit Figur 2, weist aber anstelle der Einblaseturbine eine Druckstickstoffturbine
337 auf. Sie wird mit einem Teil 342 des Druckstickstoffs 142 betrieben, der gasförmig
vom Kopf der Hochdrucksäule 101 abgezogen wird.
[0069] In
Figur 4 wird der Turbinenstrom 442 stattdessen von einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule
101 abgezogen und in einer Unreinstickstoffturbine 437 arbeitsleistend entspannt.
[0070] In
Figur 5 ist eine Anlage mit zwei Destillationssäulen-Systemen dargestellt, die erfindungsgemäß
ausgebildet ist.
[0071] Das erste Destillationssäulen-System des Ausführungsbeispiels der Figur 5 weist eine
erste Hochdrucksäule 101, eine erste Niederdrucksäule 102, einen ersten Hauptkondensator
103 und eine erste Argonsäule 152 auf. Eine zweite Hochdrucksäule 201, eine zweite
Niederdrucksäule 202, ein zweiter Hauptkondensator 203 und eine zweite Argonsäule
252 gehören zu dem zweiten Destillationssäulen-System der in Figur 1 dargestellten
Anlage.
[0072] Beide Hauptkondensatoren 103, 203 werden in dem Beispiel durch je einen dreistufigen
Kaskadenverdampfer gebildet. Die Säulenpaare 101/102, 201/202 sind in Form zweier
Doppelsäulen angeordnet. Die Argonsäulen 152/252 sind in einem mittleren Stoffaustauschbereich
der Niederdrucksäulen 102, 202 angeordnet. Der Argonsäulen-Kopfkondensatoren 155,
255 sitzen im Inneren der jeweiligen Niederdrucksäule 102, 202 oberhalb des mittleren
Stoffaustauschbereichs 113, 213 und sind erfindungsgemäß als Forced-Flow-Verdampfer
ausgebildet. Die Niederdrucksäulen 102, 202 weisen außerdem je einen oberen Stoffaustauschbereich
oberhalb des Argonsäulen-Kopfkondensators 155, 255 und einen unteren Stoffaustauschbereich
unterhalb der Argonsäule 152/252 beziehungsweise des mittleren Stoffaustauschbereichs
113, 213 auf. Die Anordnung der Stoffaustauschbereiche in den Niederdrucksäulen ist
insbesondere aus Figur 6 ersichtlich.
[0073] Jedes der beiden Destillationssäulen-Systeme wird unabhängig geregelt. Der Druck
in den Niederdrucksäulen kann beispielsweise separat eingestellt und geregelt werden.
Durch diese Entkopplung wird auch der Gesamt-Regelungsaufwand leichter gestaltet und
eventuelle Fertigungstoleranzen bei beiden Doppelsäulen können besser ausgeglichen
werden.
[0074] Die in Figur 5 dargestellte Anlage weist ein Eintrittsfilter 302 für atmosphärische
Luft (AIR), einen Hauptluftverdichter 303, eine Luftvorkühlungseinheit 304, eine Luftreinigungseinheit
305 (üblicherweise gebildet durch ein Paar von Molekularsieb-Adsorbern), einen Luftnachverdichter
306 (Booster Air Compressor - BAC) mit Nachkühler 307 und einen Hauptwärmetauscher
308 auf. Der Hauptwärmetauscher 308 ist in einer eigenen Coldbox untergebracht, die
von der oder den Coldboxen um die Destillationssäulen-Systeme getrennt ist. Ein Gesamtdruckluftstrom
99 vom kalten Ende des Hauptwärmetauschers 308 wird in einen ersten Druckluftteilstrom
100 und einen zweiten Druckluftteilstrom 200 verzweigt. Der erste Druckluftteilstrom
100 wird in die erste Hochdrucksäule 101, der zweite Druckluftteilstrom 200 in die
zweite Hochdrucksäule 201 eingeleitet.
[0075] Die in dem Nachverdichter 306 auf dessen Enddruck nachverdichtete Luft wird in dem
Hauptwärmetauscher 308 verflüssigt (oder - falls ihr Druck überkritisch ist - pseudo-
verflüssigt) und über Leitung 311 den Destillationssäulen-Systemen zugeleitet und
dort in die Ströme 111 und 112 verzweigt.
[0076] Ein erster Stickstoffgasstrom 104, 114 aus der ersten Hochdrucksäule 101 wird in
den Verflüssigungsraum des ersten Hauptkondensators 103 eingeleitet. In dem Verflüssigungsraum
des ersten Hauptkondensators 103 wird Flüssigstickstoff 115 erzeugt, der mindestens
zu einem ersten Teil als ein erster Flüssigstickstoffstrom 105 zur ersten Hochdrucksäule
101 geleitet wird.
[0077] Ein zweiter Stickstoffgasstrom 204, 214 aus der zweiten Hochdrucksäule 201 wird in
den Verflüssigungsraum des zweiten Hauptkondensators 203 eingeleitet. In dem Verflüssigungsraum
des zweiten Hauptkondensators 203 wird Flüssigstickstoff 215 erzeugt, der mindestens
zu einem ersten Teil als ein zweiter Flüssigstickstoffstrom 205 zur zweiten Hochdrucksäule
201 geleitet wird.
[0078] Ein erster Flüssigsauerstoffstrom aus der ersten Niederdrucksäule 102 fließt vom
unteren Ende der untersten Stoffaustauschschicht 107 der ersten Niederdrucksäule 102
ab und wird dadurch in den Verdampfungsraum des ersten Hauptkondensators 103 eingeleitet.
In dem Verdampfungsraum des ersten Hauptkondensators 103 wird gasförmiger Sauerstoff
gebildet. Er wird mindestens zu einem ersten Teil als erster Sauerstoffgasstrom in
die erste Niederdrucksäule 102 eingeleitet, indem er von unten in die unterste Stoffaustauschschicht
107 der ersten Niederdrucksäule 102 einströmt; ein zweiter Teil kann bei Bedarf direkt
als gasförmiges Sauerstoffprodukt gewonnen und im Hauptwärmetauscher 308 angewärmt
werden.
[0079] Ein zweiter Flüssigsauerstoffstrom aus der zweiten Niederdrucksäule 202 fließt vom
unteren Ende der untersten Stoffaustauschschicht 207 der zweiten Niederdrucksäule
202 ab und wird dadurch in den Verdampfungsraum des zweiten Hauptkondensators 203
eingeleitet. In dem Verdampfungsraum des zweiten Hauptkondensators 203 wird gasförmiger
Sauerstoff gebildet. Er wird mindestens zu einem ersten Teil als zweiter Sauerstoffgasstrom
in die zweite Niederdrucksäule 202 eingeleitet, indem er von unten in die unterste
Stoffaustauschschicht 207 der zweiten Niederdrucksäule 202 einströmt; ein zweiter
Teil kann bei Bedarf direkt als gasförmiges Sauerstoffprodukt gewonnen und im Hauptwärmetauscher
308 angewärmt werden (nicht dargestellt).
[0080] Die Rücklaufflüssigkeiten 109, 209 für die beiden Niederdrucksäulen 102, 202 werden
jeweils durch eine stickstoffangereicherte Flüssigkeit 120, 220 gebildet, die an beiden
Hochdrucksäulen 101, 201 von einer Zwischenstelle (oder alternativ direkt vom Kopf)
abgezogen und in Unterkühlungs-Gegenströmern 123, 223 abgekühlt wird. Vom Kopf beider
Niederdrucksäulen 102, 202 wird unreiner Stickstoff 110, 210 abgezogen und als Restgas
durch je einen Unterkühlungs-Gegenströmer 123, 223 und über die gemeinsame Leitung
32 zum Hauptwärmetauscher 308 geführt.
[0081] Von beiden Hochdrucksäulen 101, 201 wird je ein sauerstoffangereicherter Sumpfflüssigkeitsstrom
151, 251 abgezogen und im jeweiligen Unterkühlungs-Gegenströmer 123, 223 abgekühlt.
In dem Beispiel wird die gesamte abgekühlte Sumpfflüssigkeit 153, 253 dem oberen Stoffaustauschbereich
der Niederdrucksäulen 102, 202 zugeführt. Sie fließt zusammen mit der von oben kommenden
Rücklaufflüssigkeit in den untersten Abschnitt des oberen Stoffaustauschbereichs.
Die aus diesem Abschnitt ablaufende Flüssigkeit wird von einem Flüssigkeitssammler
133, 233 aufgefangen und in den Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators
155, 255 eingeleitet. Der Argonsäulen-Kopfkondensator 155, 255 ist hier erfindungsgemäß
als Forced-Flow-Verdampfer ausgebildet. Der im Kopfkondensator 155, 255 verdampfte
Anteil strömt in den oberen Stoffaustauschbereich 131, 231 zurück und der flüssig
verbliebene 157, 257 wird in den mittleren Stoffaustauschbereich 130 der Niederdrucksäule
102, 202 eingespeist. Das argonangereicherte "Produkt" 163, 263 der Argonsäule wird
gasförmig aus der Argonsäule 152, 252 beziehungsweise deren Kopfkondensator 155, 255
entnommen und über Leitung 164 durch eine separate Passagengruppe durch den Hauptwärmetauscher
308 geführt.
[0082] Alternativ könnten die argonangereicherten Fraktionen 163, 263 mit dem unreinen Stickstoff
110, 210 vermischt und das Gemisch durch den Hauptwärmetauscher geführt werden.
[0083] Die flüssige oder überkritische Luft 311 aus dem Hauptwärmetauscher wird über die
Leitungen 111, 211 den Hochdrucksäulen 101, 201 an einer Zwischenstelle zugespeist.
Mindestens ein Teil 127, 227 wird gleich wieder entnommen und durch die Unterkühler
123, 323 und über die Leitung 128, 228 in den oberen Stoffaustauschbereich der Niederdrucksäulen
102, 202 eingeleitet, und zwar oberhalb der Einspeisung der Sumpffraktion 153, 253.
Über Leitung 129, 229 wird ferner gasförmige Luft aus einer Einblaseturbine 137 in
die Niederdrucksäulen 102, 202 eingeführt, und zwar auf der gleichen Höhe wie der
Rohsauerstoff 153, 253.
[0084] Als Hauptprodukt der Destillationssäulen-Systeme wird flüssiger Sauerstoff 141, 241
von den Verdampfungsräumen der Hauptkondensatoren 103, 203 abgezogen, zusammengeführt
und über Leitung 14 mindestens teilweise einer Innenverdichtung zugeführt. Dabei wird
der flüssige Sauerstoff 14 mittels einer Pumpe 15 auf einen hohen Produktdruck gepumpt,
unter diesem hohen Produktdruck in dem Hauptwärmetauscher 308 verdampft oder (falls
sein Druck überkritisch ist) pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt
und schließlich als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt GOXIC abgezogen. Dieses stellt
das Hauptprodukt der Anlage des Ausführungsbeispiels dar.
[0085] Als weiteres Produkt der Anlage wird Druckstickstoff direkt vom Kopf der Hochdrucksäulen
101, 201 abgezogen (Leitungen 104, 142 und 204, 242), gemeinsam über Leitung 42 zum
Hauptwärmetauscher 308 geführt, dort angewärmt und schließlich als gasförmiges Druckstickstoffprodukt
MPGAN gewonnen. Ein Teil davon kann als Dichtgas (Sealgas) eingesetzt werden. Zusätzlich
wird jeweils ein Teil 143, 243 des in den Hauptkondensatoren 103, 203 erzeugten Flüssigstickstoffs
über Leitung 43 einer Innenverdichtung zugeführt (Pumpe 16) und als gasförmiges Hochdruck-Stickstoffprodukt
GANIC gewonnen werden.
[0086] Die Anlage kann auch Flüssigprodukte LOX, LIN liefern. Diese können, wie dargestellt
von jedem Destillationssäulen-System getrennt abgeführt werden.
[0087] In einem konkreten Beispiel werden die Stoffaustauschelemente in den beiden Niederdrucksäulen
102, 202 ausschließlich durch geordnete Packung gebildet. Die Sauerstoffabschnitte
107, 207 der beiden Niederdrucksäulen 102, 202 sind mit einer geordneten Packung mit
einer spezifischen Oberfläche von 750 m
2/m
3 oder alternativ 1200 m
2/m
3 ausgestattet, in den übrigen Abschnitten weist die Packung eine spezifische Oberfläche
von 750 oder 500 m
2/m
3 auf. Zusätzlich können die beiden Niederdrucksäulen 102, 202 einen Stickstoffabschnitt
oberhalb der in der Zeichnung dargestellten Stoffaustauschbereiche aufweisen; dieser
kann dann ebenfalls mit besonders dichter Packung (zum Beispiel mit einer spezifischen
Oberfläche von 1200 m
2/m
3 zwecks Reduktion der Säulenhöhe) ausgestattet werden. Abweichend hiervon ist es möglich,
innerhalb jedes der genannten Abschnitte geordnete Packung unterschiedlicher spezifischer
Oberfläche zu kombinieren. Die Argonsäulen 152, 252 enthalten in dem Ausführungsbeispiel
ausschließlich Packung mit einer spezifischen Oberfläche von 1200 m
2/m
3 oder alternativ 750 m
2/m
3.
[0088] In den Hochdrucksäulen 101, 201 werden die Stoffaustauschelemente ausschließlich
durch geordnete Packung mit einer spezifischen Oberfläche von 1200 m
2/m
3 oder 750 m
2/m
3 gebildet. Alternativ könnte mindestens ein Teil der Stoffaustauschelemente in einer
oder beiden Hochdrucksäulen 101, 201 durch konventionelle Destillationsböden gebildet
werden, zum Beispiel durch Siebböden.
[0089] Das System von Figur 5 ist analog zur Figur 1 als Zwei-Turbinen-Verfahren mit einer
Mitteldruckturbine 138 und einer Einblaseturbine 137 ausgebildet. Alternativ könnten
bei dem System von Figur 5, das zwei Destillationssäulen-Systeme aufweist, auch die
Turbinenkonfigurationen der Figuren 2, 3 oder 4 eingesetzt werden
[0090] Jedes der beiden Destillationssäulen-Systeme wird unabhängig geregelt. Der Druck
in den Niederdrucksäulen kann beispielsweise separat eingestellt und geregelt werden.
Durch diese Entkopplung wird auch der Gesamt-Regelungsaufwand leichter gestaltet und
eventuelle Fertigungstoleranzen bei beiden Doppelsäulen können besser ausgeglichen
werden.
[0091] Anhand der Detailzeichnung von
Figur 6 wird nun die genaue Funktion von Argonsäule und Argonsäulen-Kopfkondensator und deren
Regelung erläutert. Dieses Detail kann auf jedes der vorangegangenen Ausführungsbeispiele
angewandt werden.
[0092] In Figur 6 ist nur ein Ausschnitt der Doppelsäule 101, 102 dargestellt, der vom oberen
Ende der Hochdrucksäule 101 bis zur zweiten Packungsschicht des oberen Stoffaustauschbereichs
131 der Niederdrucksäule reicht und insbesondere die Argonsäule 152 und den Argonsäulen-Kopfkondensator
155 enthält. Selbstverständlich kann das Ausführungsbeispiel der Figur 6 auch in anderen
Zweisäulenanlagen eingesetzt werden, zum Beispiel solchen mit Anordnung der Niederdrucksäule
neben der Hochdrucksäule und/oder mit Anordnung des Hauptkondensators außerhalb der
Niederdrucksäule.
[0093] In dem Hauptkondensator 103 wird flüssiger Sauerstoff verdampft, der aus dem unteren
Stoffaustauschbereich 132 abläuft beziehungsweise aus dem Bad 65 im Sumpf der Niederdrucksäule
angesaugt wird; im Gegenstrom dazu wird gasförmiger Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule
101 verdampft. (Die Stickstoffleitungen sind in Figur 6 nicht eingezeichnet.)
[0094] Die Flüssigkeitssammler und -verteiler sind in Figur 6 nicht dargestellt bis auf
den Sammler 133 zwischen dem oberen Stoffaustauschbereich 131 und dem Argonsäulen-Kopfkondensator
155, die beiden Flüssigkeitsverteiler 44, 420 am Kopf des ersten und zweiten Stoffaustauschraums
134, 135 und den Flüssigkeitsverteiler 45 am Kopf des unteren Stoffaustauschabschnitts
132. Auch im Übrigen ist Figur 6 sehr schematisch und in der Regel nicht maßstabsgetreu
zu verstehen.
[0095] Der mittlere Stoffaustauschbereich 130 der Niederdrucksäule ist durch eine vertikale
ebene Trennwand 136 gasdicht in ersten Stoffaustauschraum 134 und einen zweiten Stoffaustauschraum
135 unterteilt. Der erste Stoffaustauschraum 134 ist oben zum oberen Stoffaustauschbereich
131 und unten zum unteren Stoffaustauschbereich 132 hin offen, das heißt Gas aus dem
unteren Stoffaustauschbereich 132 kann in den ersten Stoffaustauschraum 134 des mittleren
Stoffaustauschbereichs 131 einströmen, und Gas aus dem ersten Stoffaustauschraum 134
kann nach oben in den oberen Stoffaustauschbereich der Niederdrucksäule abfließen.
Der erste Stoffaustauschraum 134 erfüllt die Funktion des Argonabschnitts der Niederdrucksäule,
also desjenigen Stoffaustauschbereichs, der sich bei einer konventionellen Anlage
unmittelbar oberhalb des Argonübergangs befindet, über den eine argonhaltige Fraktion
zu einer externen Rohargonsäule oder Argonsäule geleitet würde.
[0096] Der zweite Stoffaustauschraum 135, der die Argonsäule 152 bildet, ist ebenfalls unten
zum unteren Stoffaustauschbereich 132 hin offen; aufsteigendes Gas strömt so aus dem
unteren Stoffaustauschbereich 132 der Niederdrucksäule in den zweiten Stoffaustauschraum
135 ein. An seiner Oberseite ist der zweite Stoffaustauschraum 135 aber zum oberen
Stoffaustauschbereich 131 gasdicht verschlossen. Der Abschluss nach oben wird durch
eine horizontale Platte 36 bewirkt, die - bis auf die durchgeführten Leitungen 37,
37, 41 - gasdicht ist. Zwischen dem oberen 131 und dem mittleren Stoffaustauschbereich
130 sitzt der Argonsäulen-Kopfkondensator 155, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet
ist, hier erfindungsgemäß als Forced-Flow-Verdampfer. Er besteht in diesem Ausführungsbeispiel
aus einem einzigen Plattenwärmetauscherblock. Alternativ könnte er auch durch zwei
oder mehr parallel angeordnete Plattenwärmetauscherblöcke gebildet sein. Der Verflüssigungsraum
des Argonsäulen-Kopfkondensators 155 steht mit dem Kopf der Argonsäule 152 über die
Gasleitung 37 und die Flüssigkeitsleitungen 62, 41 in Strömungsverbindung. Dabei strömt
über die Gasleitung 37 Kopfgas der Argonsäule 152 vom oberen Ende des zweiten Stoffaustauschraums
135 in den Verflüssigungsraum und wird dort mindestens teilweise verflüssigt. Die
dabei erzeugte Flüssigkeit wird über Leitung 62 abgezogen, über die Leitung 41 in
den zweiten Stoffaustauschraum 135 zurückgeführt und mittels eines Flüssigkeitsverteilers
420 als Rücklaufflüssigkeit der Argonsäule über den Querschnitt des zweiten Stoffaustauschraums
135 verteilt. Der gasförmig verbliebene Anteil 163 wird aus dem Behälter der Niederdrucksäule
102 abgezogen und weiter wie in den Figuren 1 bis 5 gezeigt behandelt.
[0097] Die aus den beiden Stoffaustauschräumen 134, 135 des mittleren Stoffaustauschbereichs
130 abfließende Flüssigkeit wird in einem nicht dargestellten Flüssigkeitssammler
aufgefangen. Die Flüssigkeit fließt weiter zum Flüssigkeitsverteiler 45, der sie auf
den gesamten Kolonnenquerschnitt verteilt und auf den unteren Stoffaustauschbereich
132 aufgibt.
[0098] Der Rohsauerstoff 153 aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 101 wird - ähnlich wie in
Figur 1 - zwischen zwei Packungsabschnitten des oberen Stoffaustauschbereichs 131
eingeleitet. An derselben Stelle wird ein Luftstrom 129 eingeleitet, der zuvor auf
etwa Niederdrucksäulendruck arbeitsleistend entspannt wurde (siehe Einblaseturbinen
137 in den Figuren 1, 2 und 5).
[0099] Außerdem wird flüssige Luft 128 in den oberen Stoffaustauschbereich 131 eingeleitet.
Praktisch die gesamte Flüssigkeit aus dem oberen Stoffaustauschbereich 131 wird im
Flüssigkeitssammler 133 aufgefangen und über die Leitung 71 in den Verdampfungsraum
des Argonsäulen-Kopfkondensators 155 eingeleitet. Dies hat zwei Vorteile:
- Die Flüssigkeitsmenge, die über Leitung 71 durch den Verdampfungsraum strömt, ist
besonders groß. In dem Argonsäulen-Kopfkondensator werden vorzugsweise 35 bis 55 %,
beispielsweise etwa 45% dieser Flüssigkeitsmenge verdampft.
- Diese Flüssigkeit hat einen relativ hohen Sauerstoffgehalt und damit eine vergleichsweise
hohe Verdampfungstemperatur. Damit kann eine besonders kleine Temperaturdifferenz
erreicht werden; diese beträgt in drei konkreten Beispielen 0,8 K, 1,0 K oder 1,5
K. Dadurch werden die thermodynamischen Verluste im Kondensator besonders klein gehalten.
[0100] Der hohe Flüssigkeitsüberschuss ist für die Effizienz des Forced-Flow-Verdampfers
also von erheblicher Bedeutung.
[0101] Aus dem Verdampfungsraum des Kondensators 155 tritt über Leitung 73 ein Zweiphasengemisch
aus. Der Flüssiganteil L fließt in den Flüssigkeitsverteiler 44 am Kopf des ersten
Stoffaustauschraums 134. Der verdampfte Anteil V strömt zurück nach oben in den oberen
Stoffaustauschabschnitt 131.
[0102] Die Regelung des Argonsäulen-Kopfkondensators 155 erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel
von Figur 6 mit einer Regelmethode 1, für die eine Umgehungsleitung 49/50 und ein
Regelventil 48 benötigt werden. Dadurch wird die Leistung des Argonsäulen-Kopfkondensators
155 geregelt.
[0103] Eine geringe Menge relativ stickstoffreicher Flüssigkeit strömt in den Verteiler
45 ein und erhöht den Stickstoffgehalt in dem aus dem unteren Abschnitt 132 aufsteigenden
Dampf und damit auch in der gesamten Argonsäule 152 und weiter im Verflüssigungsraum
des Argonsäulen-Kopfkondensators 155. Damit ermöglichen diese Steuerleitung und das
darin angeordnete Ventil eine gesteuerte Verminderung der Leistung des Kondensators.
Die relativ stickstoffreiche Flüssigkeit stammt in dem Ausführungsbeispiel aus dem
Sammler 133 am unteren Ende des oberen Stoffaustauschbereichs 131.
[0104] Das Regelventil 48 ist im stationären Betrieb geschlossen, oder es strömt nur eine
sehr geringe Menge Flüssigkeit hindurch. Bei Abweichungen vom stationären Betrieb,
beispielsweise bei einem Lastwechsel, strömen über die Umgehungsleitung in der Regel
weniger als 5 % der gesamten Flüssigkeit 71/49 aus dem Flüssigkeitssammler 133, auf
jeden Fall weniger als 15 %.
[0105] Alternativ können andere Regelmethoden angewendet werden, von denen eine im Folgenden
näher beschrieben werden.
[0106] Figur 7 zeigt eine alternative Regelmethode 2 mit einem Regelventil 700 in der Gaszuleitung
37 zum Verflüssigungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators 155. An diesem Ventil kann
der Kondensationsdruck mit entsprechender Kondensationstemperatur eingestellt werden.
Dadurch beeinflusst man direkt die treibende Temperaturdifferenz im Kondensator 155
und entsprechend auch die Kondensatorleistung beziehungsweise den Umsatz in der Argonsäule
152. Das Ventil kann dabei über die Druckdifferenz in der Argonsäule (PDIC = pressure
difference indication and control, nicht dargestellt) geregelt werden.
[0107] Einziger Unterschied in
Figur 8 gegenüber Figur 7 ist das Fehlen eine Stoffaustauschbereichs zwischen der Einleitung
des flüssigen Rohsauerstoffs 153 aus dem Sumpf der Hochdrucksäule und dem Flüssigkeitssammler
133 am unteren Ende des oberen Stoffaustauschbereichs 131. Anders ausgedrückt wird
der flüssige Rohsauerstoff direkt in den Flüssigkeitssammler 133 und damit in den
Verdampfungsraum des Kondensators 155 eingeleitet.
[0108] Eine Regelmethode 3 ist in
Figur 12 dargestellt. Hier wird das Zwei-Phasen-Gemisch aus dem Verdampfungsraum des Argonkondensators
155 in einen zusätzlichen Behälter 1250 eingeleitet. Über Leitung 1251 wird der gasförmige
Anteil V in die Niederdrucksäule zurückgeleitet, sodass er als aufsteigender Dampf
in dem oberen Stoffaustauschabschnitt 131 zur Verfügung steht. Der flüssige Anteil
L wird über Leitung 1254 in den Flüssigkeitsverteiler 44 am Kopf des ersten Stoffaustauschraums
134 (des Argonabschnitts) eingeleitet. Mittels eines Regelventils 1252 kann der Druck
im Verdampfungsraum des Argonkondensators 155 und damit dessen Leistung eingestellt
werden.
[0109] Die Flüssigkeitsleitung 1254 kann ebenfalls ein Regelventil aufweisen. Alternativ
wird der Flüssigkeitsfluss durch eine feste Blende gesteuert, beispielsweise in Form
einer Öffnung im Boden des Behälters 1250. Diese muss so dimensioniert sein, dass
der Flüssigstand im Behälter sich je nach Druck im Behälter innerhalb der oberen und
unteren Behältergrenzen bewegen wird.
[0110] Figur 9 basiert auf Figur 2, weist aber eine vollständige Argongewinnung auf, bei welcher
der Sauerstoffgehalt im Kopfprodukt 963 der Argonsäule auf beispielsweise 0,1 bis
100 ppm reduziert wird. Das weitgehend sauerstofffreie Argongas 963 wird anschließend
einer Reinargonsäule zugeleitet, in der eine Argon-Stickstofftrennung vorgenommen
wird. Für den dazu notwendigen niedrigen Sauerstoffgehalt reichen die wenigen theoretischen
Böden im Trennwandabschnitt 135 nicht aus. Es wird deshalb eine Rohargonsäule 900
fast üblicher Länge eingesetzt, wobei der zweite Stoffaustauschraum 135 im Trennwandabschnitt
der Niederdrucksäule 102 als der oberste Stoffaustauschbereich der Rohargonrektifikation
genutzt wird. Dazu muss der zweite Stoffaustauschraum 135 an seiner Unterseite gasdicht
abgeschlossen sein, beispielsweise durch eine halbkreisförmige Platte Unterhalb dieser
Platte wird argonhaltiges Gas 901 aus der Niederdrucksäule 102 abgezogen und dem Sumpf
der Rohargonsäule 900 zugeleitet. Die Sumpfflüssigkeit 902 der Rohargonsäule 900 wird
in Gegenrichtung an dieselbe Stelle der Niederdrucksäule 102 zurückgeführt. Der Kopf
der Rohargonsäule steht über die Leitungen 903 (für Gas) und 904 (für Flüssigkeit)
in Strömungsverbindung mit dem unteren Ende des zweiten Stoffaustauschraums 135. Dessen
oberes Ende ist wie aus den Figuren 1 bis 7 bekannt mit Argonsäulen-Kopfkondensator
155 verbunden.
[0111] In dem Ausführungsbeispiel der
Figur 10 ist der zweite Stoffaustauschraum 135 unten offen und wird insofern analog den Figuren
1 bis 5 betrieben. Sein Kopf ist allerdings nicht direkt mit dem Argon-Kopfkondensator
155 verbunden, sondern über die Leitungen 905 und 906 mit dem Sumpf der Rohargonsäule
900. Der Kopf der Rohargonsäule steht über die Leitungen 907 und 908 mit dem Verflüssigungsraum
des Argonsäulen-Kopfkondensators in Strömungsverbindung.
[0112] Figur 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel ohne Trennwandabschnitt in der Niederdrucksäule. Die
Argonsäule besteht hier ausschließlich aus der separaten Rohargonsäule 900, deren
Kopf analog zu Figur 10 mit dem Argonsäulen-Kopfkondensator 155 verbunden ist (907,
908). Der Sumpf der Rohargonsäule 900 von Figur 11 ist analog zu Figur 9 mit einer
entsprechenden Zwischenstelle der Niederdrucksäule 102 verbunden (901, 902).
1. Destillationssäulen-System zur Gewinnung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung
von Luft mit
- einer Hochdrucksäule (101; 201) und einer Niederdrucksäule (102; 202),
- einem Hauptkondensator (103; 203), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist,
wobei der Verflüssigungsraum des Hauptkondensators mit dem Kopf der Hochdrucksäule
in Strömungsverbindung (104, 105, 114, 115; 204, 205, 214, 215) steht,
- und mit einer Argonsäule (152; 252), die
- in Strömungsverbindung mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule (102) steht,
und
- Mittel (37, 163) zum Abziehen eines argonangereicherten Stroms sowie
- einen Argonsäulen-Kopfkondensator (155, 255) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer
ausgebildet ist und mit dem Kopf der Argonsäule (152, 252) in Strömungsverbindung
(37, 62, 41) steht,
- die Niederdrucksäule einen oberen Stoffaustauschbereich (131), einen unteren Stoffaustauschbereich
(132) und einen mittleren Stoffaustauschbereich (130) aufweist,
- der mittlere Stoffaustauschbereich (130) mindestens einen ersten Stoffaustauschraum
(134) aufweist, der oben zum oberen Stoffaustauschbereich (131) hin und unten zum
unteren Stoffaustauschbereich (132) hin offen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der obere Stoffaustauschbereich (131) an seiner Unterseite einen Flüssigkeitssammler
(133) aufweist,
- der erste Stoffaustauschraum (134) an seinem Kopf einen Flüssigkeitsverteiler (44)
aufweist,
- der Argonsäulen-Kopfkondensator (155, 255) innerhalb der Niederdrucksäule (102)
zwischen dem oberen und dem mittleren Stoffaustauschbereich angeordnet ist und dass
- der Argonsäulen-Kopfkondensator (155) als Forced-Flow-Verdampfer ausgebildet ist,
wobei er einen Verdampfungsraum aufweist, der an seiner Unterseite einen Eintritt
und an seiner Oberseite einen Austritt aufweist und der Austritt mit dem Flüssigkeitsverteiler
(44) des ersten Stoffaustauschraums (134) verbunden ist, wobei das System ferner
- Mittel (71) zum Einleiten von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitssammler (133) unterhalb
des oberen Stoffaustauschbereichs (131) in den Eintritt des Verdampfungsraums des
Argonsäulen-Kopfkondensators (155) aufweist, sowie
- einen Behälter (1250), eine Zwei-Phasen-Leitung (73), die mit dem Austritt des Verdampfungsraums
des Argonkondensators (155) und mit dem Eintritt des Behälters (1250) verbunden ist,
eine Gasleitung (1251) zum Abziehen von Gas aus dem Behälter (1250), die ein Regelventil
(1252) enthält, und eine Flüssigkeitsleitung (1254) zum Einleiten von Flüssigkeit
aus dem Behälter (1250) in den Flüssigkeitsverteiler (44) am Kopf des mittleren Stoffaustauschabschnitts
(152).
2. Destillationssäulen-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Argonkondensator (155) so ausgebildet ist, dass er den gesamten Rücklauf für
die Argonsäule erzeugt.
3. Destillationssäulen-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Argonsäule als Rohargonsäule ausgebildet ist und 70 bis 180 theoretische Böden
aufweist.
4. Destillationssäulen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der mittlere Stoffaustauschbereich (130) durch eine vertikale, insbesondere ebene
Trennwand (136) gasdicht in den ersten Stoffaustauschraum (134) und in einen zweiten
Stoffaustauschraum (135) unterteilt ist,
- der erste Stoffaustauschraum (134) oben zum oberen Stoffaustauschbereich (131) hin
und unten zum unteren Stoffaustauschbereich (132) hin offen ist und an seinem Kopf
einen Flüssigkeitsverteiler (44) aufweist,
- wobei der zweite Stoffaustauschraum (135) oben zum oberen Stoffaustauschbereich
(131) hin gasdicht verschlossen (36) ist und mindestens einen Teil der Argonsäule
(152) bildet,
- wobei insbesondere der zweite Stoffaustauschraum (135) unten zum unteren Stoffaustauschbereich
(132) hin offen ist.
5. Destillationssäulen-System nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Argonsäule aus einer Kombination des zweiten Stoffaustauschraums (135) und einer
separaten Rohargonsäule (900) oder alleine durch eine separate Rohargonsäule (900)
gebildet wird und entweder
- der Kopf der separaten Rohargonsäule (900) in Strömungsverbindung (907, 908) mit
dem Verflüssigungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators (155) steht und
- insbesondere der Sumpf der separaten Rohargonsäule (900) in Strömungsverbindung
(905, 906) mit dem Kopf des zweiten Stoffaustauschraums (135) steht,
oder
- der Kopf der separaten Rohargonsäule (900) in Strömungsverbindung (903, 904) mit
dem unteren Ende des zweiten Stoffaustauschraums (135) steht und insbesondere der
zweite Stoffaustauschraum (135) unten zum unteren Stoffaustauschbereich (132) hin
verschlossen (901) ist,
oder
- die Argonsäule durch eine separate Rohargonsäule (900) gebildet wird, der Kopf der
Argonsäule in Strömungsverbindung (907, 908) mit dem Verflüssigungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators
(155) steht und der Sumpf der Argonsäule mit einem Zwischenbereich der Niederdrucksäule
(102) in Strömungsverbindung (901, 902) steht, insbesondere mit dem Bereich zwischen
mittlerem und unterem Stoffaustauschbereich (130, 132).
6. Destillationssäulen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (71) zum Einleiten von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitssammler (133) in
den Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators zum Einleiten von mindestens
80 mol-%, insbesondere mehr als 90 mol-% der im Normalbetrieb in den Flüssigkeitssammler
strömenden Flüssigkeitsmenge in den Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators
ausgebildet sind.
7. Destillationssäulen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Rohsauerstoffleitung (153) zur Einleitung von Rohsauerstoff aus dem Sumpf der
Hochdrucksäule (101) in den oberen Stoffaustauschbereich (131) der Niederdrucksäule
(102).
8. Anlage zur Erzeugung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit
- einem Hauptluftverdichter (303) zum Verdichten von Einsatzluft
- einer Luftvorkühlungseinheit (304) zum Vorkühlen der im Hauptluftverdichter verdichteten
Einsatzluft,
- einer Luftreinigungseinheit (305) zum Reinigen der vorgekühlten Einsatzluft,
- einem Hauptwärmetauscher (308) zum Abkühlen von gereinigter Einsatzluft,
- einem ersten Destillationssäulen-System, das nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet
ist,
- einem zweiten Destillationssäulen-System, das nach einem der Ansprüche 1 bis 14
ausgebildet ist,
- einer ersten Druckluftteilstromleitung (100) zum Einleiten abgekühlter Einsatzluft
aus dem Hauptwärmetauscher (308) in die Hochdrucksäule (101) des ersten Destillationssäulen-Systems
und mit
- einer zweiten Druckluftteilstromleitung (200) zum Einleiten abgekühlter Einsatzluft
aus dem Hauptwärmetauscher (308) in die Hochdrucksäule (201) des zweiten Destillationssäulen-Systems.
9. Anlage nach Anspruch 8, bei welcher der Hauptwärmetauscher (308) in eine erste Gruppe
von Wärmetauscherblöcken und eine zweite Gruppe von Wärmetauscherblöcken aufgeteilt
ist, die parallel geschaltet sind, wobei der Hauptwärmetauscher so ausgelegt ist,
dass im Betrieb der Anlage
- die Einsatzluft für das erste Destillationssäulen-System ausschließlich durch die
erste Gruppe geleitet wird,
- die Einsatzluft für das zweite Destillationssäulen-System ausschließlich durch die
zweite Gruppe geleitet wird,
- ein erster Unreinstickstoffstrom (110) aus der ersten Niederdrucksäule (102) abgezogen
und vollständig in die erste Gruppe eingeleitet wird und
- ein zweiter Unreinstickstoffstrom (210) aus der ersten Niederdrucksäule (202) abgezogen
und vollständig in die erste Gruppe eingeleitet wird und
wobei die Anlage eine erste Gesamtproduktleitung (14, 42, 43) zur Zusammenführung
eines ersten Produktstroms (114, 142, 143) aus dem ersten Destillationssäulen-System
und eines zweiten Produktstroms (214, 242, 243) aus dem zweiten Destillationssäulen-System
aufweist, sowie Mittel zur Aufteilung des Gesamtproduktstroms aus der Gesamtproduktleitung
auf die erste Gruppe und die zweite Gruppe des Hauptwärmetauschers.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei der das erste Destillationssäulen-System
und das zweite Destillationssäulen-System die gleiche Baugröße aufweisen.
11. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch je einen separaten Unterkühlungs-Gegenströmer (123; 223) für jedes der beiden Destillationssäulen-Systeme,
der unabhängig vom Unterkühlungs-Gegenströmer des anderen Destillationssäulen-Systems
betreibbar ist und insbesondere nicht mit Rohrleitungen von oder zu dem anderen Destillationssäulen-System
verbunden ist.
12. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, das die beiden Destillationssäulen-Systeme unabhängig voneinander betreibbar sind.
13. Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit
einem Destillationssäulen-System, das
- eine Hochdrucksäule (101; 201) und eine Niederdrucksäule (102; 202),
- einen Hauptkondensator (103; 203), der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist,
wobei der Verflüssigungsraum des Hauptkondensators mit dem Kopf der Hochdrucksäule
in Strömungsverbindung (104, 105, 114, 115; 204, 205, 214, 215) steht,
- und eine Argonsäule (152; 252), die
- in Strömungsverbindung mit einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule (102) steht,
und
- Mittel (37, 163) zum Abziehen eines argonangereicherten Stroms sowie
- einen Argonsäulen-Kopfkondensator (155, 255) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer
ausgebildet ist und mit dem Kopf der Argonsäule (152, 252) in Strömungsverbindung
(37, 62, 41) steht,
aufweist, wobei
- Einsatzluft (100; 200) in die Hochdrucksäule (101; 201) eingeleitet wird und
- ein Sauerstoffproduktstrom (14, GOXIC) aus der Niederdrucksäule (102; 202) abgezogen
wird,
- die Niederdrucksäule einen oberen Stoffaustauschbereich (131), einen unteren Stoffaustauschbereich
(132) und einen mittleren Stoffaustauschbereich (130) aufweist,
- der mittlere Stoffaustauschbereich (130) mindestens einen ersten Stoffaustauschraum
(134) aufweist, der oben zum oberen Stoffaustauschbereich (131) hin und unten zum
unteren Stoffaustauschbereich (132) hin offen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der obere Stoffaustauschbereich (131) an seiner Unterseite einen Flüssigkeitssammler
(133) aufweist,
- der erste Stoffaustauschraum (134) an seinem Kopf einen Flüssigkeitsverteiler (420)
aufweist,
- der Argonsäulen-Kopfkondensator (155; 255) innerhalb der Niederdrucksäule (102)
zwischen dem oberen und dem mittleren Stoffaustauschbereich angeordnet ist,
- der Argonsäulen-Kopfkondensator (155; 255) als Forced-Flow-Verdampfer ausgebildet
ist, wobei er einen Verdampfungsraum aufweist, der an seiner Unterseite einen Eintritt
und an seiner Oberseite einen Austritt aufweist, wobei der Austritt mit dem Flüssigkeitsverteiler
des ersten Stoffaustauschraums verbunden ist,
- aus dem Verflüssigungsraum des Argon-Kopfkondensators (155; 255) eine argonangereicherte
Fraktion (163; 263) abgezogen wird,
- Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitssammler (133), der unterhalb des oberen Stoffaustauschbereichs
(131) angeordnet ist in den Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators (155)
eingeleitet wird, und dass
- zur Regelung des Argonsäulen-Kopfkondensators (155) ein Zwei-Phasen-Gemisch (73)
aus dem Verdampfungsraum des Argonkondensators (155) entnommen und in einen Behälter
(1250) eingeleitet wird, ein Gasstrom (1251) aus dem Behälter (1250) über ein Regelventil
(1252) abgezogen wird und ein Flüssigstrom (1254) aus dem Behälter (1250) abgezogen
und in den Flüssigkeitsverteiler (44) am Kopf des mittleren Stoffaustauschabschnitts
(152) eingeleitet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 80 mol-%, insbesondere mehr als 90 mol-% der in den Flüssigkeitssammler
(133) strömenden Flüssigkeitsmenge in den Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensator
eingeleitet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte von dem Flüssigkeitssammler (133) aufgefangene Rücklaufflüssigkeit aus
dem oberen Stoffaustauschbereich (131) in den Verdampfungsraum des Argonsäulen-Kopfkondensators
(155) eingeleitet wird.