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WO1993019336A1 - Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft und luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft und luftzerlegungsanlage Download PDF

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WO1993019336A1
WO1993019336A1 PCT/EP1993/000623 EP9300623W WO9319336A1 WO 1993019336 A1 WO1993019336 A1 WO 1993019336A1 EP 9300623 W EP9300623 W EP 9300623W WO 9319336 A1 WO9319336 A1 WO 9319336A1
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WO
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pressure column
column
low
surface area
mass transfer
Prior art date
Application number
PCT/EP1993/000623
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wilhelm Rohde
Anton Moll
Original Assignee
Linde Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to RU94043327A priority patent/RU2107871C1/ru
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Priority to DE59304997T priority patent/DE59304997D1/de
Priority to EP93920521A priority patent/EP0636237B1/de
Priority to CA2132524A priority patent/CA2132524A1/en
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    • Y10S62/924—Argon

Definitions

  • the invention relates to a method for separating the low temperature of air in which the purified and cooled air is passed into a distiller system having at least one rectification column and is rectified there by countercurrent mass transfer between a vapor phase and a liquid phase, the mass transfer in at least one partial area by at least one rectification column a pack is effected, and an air separation plant for performing the method.
  • packun includes both ordered packs and disordered packings (packed beds).
  • Example catfish from EP-A-0321 163 is known to use a packing at least in a portion of the low pressure column of a two-stage air separator. It is proposed to use packings known from other areas of distillation, since allegedly it does not matter to the special properties of the pack, usually such packs, for example ordered ones, have a specific surface (ie the surface available for mass transfer relative to the total volume of the pack Pack) from 125 to 700 m 2 / m 3 . The use of higher density packs in industrial air separators is not yet known. Also EP-A-0467395, in which a general range between 25 and 1000 2 Im3 is mentioned, is limited to specific surfaces up to a maximum of 700 m 2 / m 3. Due to the reduced pressure drop compared to columns equipped exclusively with conventional rectifying trays, the process can be carried out with the same product specifications with a lower operating pressure. However, the resulting decrease in energy costs is offset by increased costs for the production of the rectification column.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method and a device of the type mentioned at the outset which are economically particularly favorable, in particular due to relatively low installation costs.
  • This object is achieved in that the mass transfer in at least one partial area of at least one rectification column is influenced by a packing which has a specific surface area of at least 1000 m 2/3 t.
  • the dense packing otherwise preferably has an ordered structure, similar to, for example, packings known from DE-C-27 22 424 or DE-B-27 22 556.
  • a smooth pack is preferably used, the structure of which is in the German patent application P 4209 132.2 of the same priority or in the corresponding international one
  • Patent application PCT / EP (internal file number H 92/31-W0) is described, to which express reference is made here.
  • the uppermost column section can, for example, be the
  • the pure nitrogen section of an air separation column acts through only one
  • Oxygen section which is usually also a relatively small
  • a crude argon column is connected to a low pressure column.
  • this is the low-pressure column of a two-stage column, but in principle it is also possible to connect a crude argon column to a single column for nitrogen-oxygen separation.
  • a pack of at least one can be found both in the crude argon column and in the low pressure column or only in one of the two columns, for example in the low pressure column
  • the distillation system has a pressure column and a low-pressure column, at least some of the cleaned and cooled air being introduced into the pressure column and an oxygen-enriched and a nitrogen-rich fraction from the pressure column being introduced into the low-pressure column become.
  • This double column can, for example, serve exclusively for the production of oxygen and / or nitrogen, or additional separation columns can be connected for the production of noble gases.
  • the mass transfer in at least one partial area of the low-pressure column is preferably brought about by a pack which has a specific surface area of at least 1000 m 2 / m.
  • a pack which has a specific surface area of at least 1000 m 2 / m.
  • large partial areas or also the entire area of the low-pressure column that is effective for mass transfer can be equipped with a tight packing.
  • the construction height reduced by the invention has a particularly great advantage.
  • pumps which are otherwise required to convey the liquid fractions from the pressure column to the low pressure column can be dispensed with. This is especially true when the head of the low pressure column is cooled by indirect heat exchange with a fraction from the lower area of the pressure column.
  • the material exchange in the section of the low-pressure column which lies below the point where the oxygen-enriched fraction from the pressure column is fed is at least partially effected by a pack which has a specific surface
  • the mass transfer is preferably at least partially effected by a packing which has a specific surface area of at least 1000 m 2 / m 3 .
  • the mass exchange in the pressure column can also be effected at least partially by a packing.
  • This can be a pack with a high specific surface area, but the use of a less dense pack is also possible. The use of a very dense packing is only rarely used in the pressure column.
  • the invention also relates to an air separation plant according to claims 13 to 24.
  • the invention and further details of the invention are explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments which are shown schematically in the drawings.
  • the methods shown in the figures each have at least two rectification stages; however, the invention is also applicable to single stage air separation processes.
  • FIG. 1 shows an air separation process according to the invention with three sections in the low pressure column
  • FIG. 2 shows a process with four sections in the low-pressure column, in which part of the air is additionally blown directly into the low-pressure column,
  • FIG. 3 shows another variant of the method according to the invention with a crude argon column connected to the low pressure column and five sections in the low pressure column and
  • Figure 4 shows a further variant with raw argon column and direct air injection with six sections in the low pressure column.
  • cleaned air 1 is cooled under a pressure of 4 to 20 bar, preferably 5 to 12 bar i in a heat exchanger 2 against product flows to approximately dew point and i is fed to the pressure column 3 of a two-stage rectification device.
  • the pressure column 3 is connected to a low-pressure column 5 via a common condenser-evaporator 4 i.
  • the low-pressure column 5 has the following sections in the method and device of FIG. 1:
  • a pure nitrogen section (above impure nitrogen line 11)
  • part of the air to be separated is expanded in a turbine 12 in a work-performing manner and blown directly into the low-pressure column 5 via line 13, bypassing the pre-separation in pressure column 3.
  • the turbine air 13 can, for example, be fed into the low-pressure column at the level of the sump liquid line 6; However, a feed in the area below the bottom liquid inlet, as shown in FIG. 2, is more favorable. This defines a total of four sections in the low pressure column:
  • FIG. 3 shows a crude argon column 15 connected to the air rectification.
  • An argon-containing oxygen stream is removed from the lower region of the low-pressure column 5 (below the bottom liquid line 6) via argon transfer line 14, passed into the lower region of the crude argon column 15 and there into a crude argon product 16 and a residual fraction 17 disassembled.
  • the remaining fraction is returned to the low pressure column. It can either flow back via line 14 (if a corresponding gradient is present) or, as shown in FIG. 3, can be conveyed by means of a pump 18 via its own line 17.
  • the head Roh of the crude argon column is evaporated from the pressure column 3 by a crude argon condenser 19 cooled on its evaporation side via line 20.
  • the evaporated fraction is fed via line to the low pressure column. It can be introduced, for example, at the level of the bottom liquid line 6. Particularly advantageous, however, is a supply between the mouth of the bottom liquid line 6 and the connection of the argon
  • FIG. 4 shows a combination of the variants in FIGS.
  • relaxed air is blown directly into the low-pressure column in a turbine 12. Similar to the method in FIG. 2, it is possible to introduce the turbine air, for example, at the level of the bottom liquid line. It is preferably, as shown in FIG. 4, fed in the area between the bottom liquid inlet 6 and the introduction of the vaporized fraction 21 from the crude argon condenser 19. So the impure oxygen section is further divided into two subsections C 1 and C.
  • the mass transfer in some sections of the low pressure column 5 and / or the crude argon column 15 is at least partially effected by a packing which has a specific surface area of at least 1000 m 2 / m 3 . 10
  • Packs do not have to be used in every section of the low-pressure column to implement the invention;
  • the mass transfer can also be effected partially or exclusively by other mass transfer elements, for example by conventional rectification trays such as bubble trays or sieve trays.
  • the mass transfer in other sub-areas can be brought about by other mass transfer elements.
  • packs are mainly used in all sections of the low-pressure column 5 in order to effect the mass transfer.
  • a simple form of realizing the invention is a method according to
  • the following table shows a numerical example for a low-pressure column with five sections according to FIG. 3.
  • the designation of the sections in the exemplary embodiments of the other figures is chosen so that the values in the table can be transferred directly to these variants.
  • the table contains a range of numbers for the load (throughput of rising gas) relative to the impure nitrogen section B, a preferred range of numbers for a pack to be used in the section and two particularly preferred numerical values of specific exemplary embodiments.
  • section B which is most heavily loaded, a relatively coarse packing is used.
  • Lower loaded sections for example section E, are preferably provided with finer packages.
  • the argon intermediate section D preferably contains a pack with a particularly high specific surface area.
  • the packs used in different sections can otherwise have the same or different structure. However, packs arranged in one, several or all sections are preferably used, as described in German patent application P 4209 132.2 or in the corresponding international patent application PCT / EP with the same rank. Different specific surfaces are created by different amplitudes in the folding of the lamellae from which the pack is made.
  • the overall height of the low-pressure column 5 of the exemplary embodiment is considerably lower than, for example, when exclusively using vo
  • the mass transfer can be effected in one or more partial areas or in the entire column by packing.
  • These preferably also have the German patent application P 4209 132.2 or the structure described in the international patent application PCT / EP.
  • Packs of different specific surface areas can also be used in the crude argon column, but a pack with a constant specific surface area is preferably used.
  • the particularly preferred values of the specific surface area of this pack hegen at 1000 bi
  • the packing density in the crude argon column can also be below this limit, preferably 700 to 900 m 2/3, in particular approximately
  • Rectification column is installed in a vacuum container, for example a liquid tank. (Details of such methods and devices can be found in DE-A-41 35302.) By installing a package with
  • the application of the invention to methods and devices in which liquid oxygen is evaporated against a condensing fraction is also advantageous.
  • the oxygen product is often brought under pressure in liquid form (so-called internal compression), for example by utilizing a hydrostatic potential or by means of a pump. If air condensed against evaporating oxygen is fed into a central point of the pressure column, it may be expedient to use packings of different densities in the pressure column above and below this feed point.

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Abstract

Bei dem Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft wird gereinigte und abgekühlte Luft in ein mindestens eine Rektifiziersäule aufweisendes Destilliersystem geleitet und dort durch Gegenstrom-Stoffaustausch zwischen einer Dampf- und einer Flüssigkeitsphase rektifiziert. Der Stoffaustausch in mindestens einem Teilbereich mindestens einer Rektifiziersäule (3, 5, 15) wird durch eine Packung bewirkt, die eine spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m2/m3 aufweist.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Tieftemperaturzerleαuno von Luft und Luftzerleαunαsanlaσe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tleftemperaturzerlegung von Luft bei dem gereinigte und abgekühlte Luft in ein mindestens ein Rektifiziersäule aufweisendes Destilllersystem geleitet und dort durc Gegenstrom-Stoffaustausch zwischen einer Dampf- und einer Flüssigkeitsphas rektifiziert wird, wobei der Stoffaustausch in mindestens einem Teilbereic mindestens einer Rektifiziersäule durch eine Packung bewirkt wird, sowi eine Luftzerlegungsanlage zur Durchführung des Verfahrens.
Seit einiger Zeit hat man begonnen, in der Tieftemperaturtechnik insbesondere bei der Luftzerlegung Packungen einzusetzen, die bishe hauptsächlich für andere Trennaufgaben verwendet wurden. Der Begriff Packun schließt hier sowohl geordnete Packungen als auch ungeordnete Packunge (Füllkörperschüttungen) ein.
Beispielswelse aus der EP-A-0321 163 ist bekannt, mindestens in eine Teilbereich der Niederdrucksäule eines zweistufigen Luftzerlegers ein Packung einzusetzen. Dabei wird vorgeschlagen, aus anderen Gebieten de Destillation bekannte Packungen zu verwenden, da es angeblich nicht auf di speziellen Eigenschaften der Packung ankommt, üblicherweise besitze derartige, beispielsweise geordneten, Packungen eine spezifische Oberfläch (d.h. für den Stoffaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche relativ zu Gesamtvolumen der Packung) von 125 bis 700 m2/m3. Der Einsatz vo Packungen höherer Dichte in industriellen Luftzerlegern ist bisher nich bekannt. Auch die EP-A-0467395, in der pauschal ein Bereich zwischen 25 und 1000 2 Im3 genannt Ist, beschränkt sich in der konkreten Ausführun auf spezifi sche Oberflächen bi s höchstens 700 m 2/m 3. Durch den gegenüber ausschließlich mit konventionellen Rektifizierböden ausgestatteten Kolonnen verringerten Druckabfall kann das Verfahren bei gleichen Produktspezifikationen mit geringerem Einsatzdruck gefahren werden. Dem dadurch bewirkten Rückgang an Energiekosten stehen jedoch erhöhte Kosten für die Herstellung der Rektifiziersäule gegenüber.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig sind, insbesondere durch relativ geringe Anlagekosten.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Stoffaustausch in mindestens einem Teilbereich mindestens einer Rektifiziersäule durch eine Packung bbeewwiirrkkt wird, die eine spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m 2/ 3 t aufweist.
Durch Einspel ungen und Abführungen von verschiedenen Fraktionen weisen verschiedene Abschnitte einer Luftzerlegersäule in der Regel verschiedene Belastungen, das heißt unterschiedliche Durchsätze an Dampf und Flüssigkeit auf. Wenn insbesondere in relativ gering belasteten Teilbereichen einer Rektifiziersäule eines Luftzerlegungsverfahrens eine Packung eingesetzt wird, hat es sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, daß durch den Einsatz einer Packung mit sehr hoher spezifischer Oberfläche die Höhe der entsprechenden mit Packungen gefüllten Säulenbereiche erheblich geringer ist. Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ergeben sich bei gleicher Stoffaustauschwirkung eine geringere Gesamthöhe der Säule und die damit verbunden entsprechend niedrige Anlagekosten. Dies gilt selbstverständlich in verstärktem Maße bei einer Rektifiziersäule, bei der in allen gepackten Abschnitten Packungen von mindestens 1000 m 2/m3 eingesetzt werden. Aus früheren Messungen im Bereich von spezifischen Oberflächen bis etw
2 3
500 m /m war jedoch zu erwarten, daß sich die hydraulische Eigenschaften einer sehr dichten Packung deutlich verschlechtern, da Insbesondere der Druckverlust pro theoretischem Boden mit steigende Packungsdichte merklich anwächst und auch der für eine bestimmt Gasbelastung benötigte Kolonnendurchmesser ansteigt. In der begründeten Erwartung, daß sich dieser Zusammenhang bei höheren absoluten spezifischen Oberflächen fortsetzen würde, kamen solche dichteren Packungen wegen der vorauszusehenden wirtschaftlichen Nachteile beim Einsatz in industriellen Luftzerlegern nicht in Frage. Darüber hinaus war außerdem mit größeren Problemen bei der Verteilung von Gas und insbesondere von Flüssigkeit au die Packung sowie bei der Querverteilung von Gas und Flüssigkeit innerhalb der Packung zu rechnen.
Im Rahmen umfangreicher Messungen, die in einer aufwendigen Versuchsanlage unter den Bedingungen eines industriellen Luftzerlegers durchgeführt wurden, hat sich herausgestellt, daß im Falle der Rektifikation von Luftgasen die hydraulischen Verschlechterungen bei Packungen mit spezifischer Oberfläche
2 3 oberhalb etwa 1000 /m sehr viel geringer ausfallen, als nach bisherigen Erkenntnissen zu erwarten war. Dieser Effekt Ist so bedeutend, daß beim Einsatz derart dichter Packungen bei der Luftrektifikation die
Vorteile hinsichtlich der Anlagekosten die Nachteile in der Hydraulik deutlich überwiegen. Dies gilt insbesondere beim Einsatz dieser Art von
Packungen in relativ gering belasteten Abschnitten einer Säule oder in einer
Säule mit konstanter Gasbelastung.
Die dichte Packung weist ansonsten vorzugsweise geordnete Struktur auf, ähnlich wie beispielsweise aus DE-C-27 22 424 oder DE-B-27 22 556 bekannte Packungen. Bevorzugt wird jedoch eine glatte Packung eingesetzt, deren Struktur in der prioritätsgleichen deutschen Patentanmeldung P 4209 132.2 beziehungsweise in der dazu korrespondierenden internationalen
Patentanmeldung PCT/EP (internes Aktenzeichen H 92/31-W0) beschrieben ist, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird der Stoffaustausch im obersten und/oder im untersten Abschnitt der
Rektifiziersäule mindestens teilweise durch eine Packung bewirkt wird, die
2 3 eine spezifische Oberfläche von mindestens 1000 /m aufweist. Bei dem obersten Säulenabschnitt kann es sich beispielsweise um den
Rein-Stickstoff-Abschnitt einer Luftzerlegersäule handelt, durch den nur ein
Teil des StickstoffProdukts geführt wird, bei dem untersten Abschnitt um den
Sauerstoff-Abschnitt, der in der Regel ebenfalls einen relativ geringen
Durchsatz an Gas und Flüssigkeit aufweist. An diesen Stellen kann die von der Stoffaustauschfläche her besonders dichte Packung Ihre Vorteile voll entfalten.
Noch stärker gilt dies im Falle des Anschlusses einer Rohargonsäule an eine Niederdrucksäule. In der Regel handelt es sich dabei um die Niederdrucksäule einer zweistufigen Säule, grundsätzlich ist jedoch auch der Anschluß einer Rohargonsäule an eine Einzelsäule zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung möglich. Gemäß der Erfindung kann sowohl in der Rohargonsäule als auch in der Niederdrucksäule oder lediglich in einer der beiden Säulen, beispielsweise in der Niederdrucksäule, eine Packung mit mindestens
2 3 1000 /m eingesetzt werden.
Besonders günstig ist es, wenn der Stoffaustausch mindestens in einem Teilbereich der Rohargonsäule durch eine Packung bewirkt wird, die eine
2 3 spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m /m aufweist. In vielen
Fällen kann ein großer Teil, im wesentlichen der gesamte oder auch der gesamte Stoffaustausch in der Rohargonsäule durch eine derartige Packung bewirkt werden.
Als Beispiel sei hier auf ein Verfahren zur rein rektifikatorisehe Abtrennung von Sauerstoff und Argon in einer Rohargonsäule hingewiesen, di Packungen enthält und eine sehr hohe Trennstufenzahl aufweis (EP-A-0377117). Es ergibt sich damit eine sehr große Bauhöhe de Rohargonsäule. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Packung mit seh
2 3 hoher spezifischer Oberfläche, beispielsweise 1200 oder 1500 m /m können die Bauhδhe einer derartigen Rohargonsäule und damit di Investitionskosten für die Anlage entscheidend reduziert werden.
Vorteilhaft Ist außerdem die Anwendung der Erfindung auf ei Doppelsäulenverfahren, bei dem das Destilliersystem eine Drucksäule und ein Niederdrucksäule aufweist, wobei mindestens ein Teil der gereinigten un abgekühlten Luft in die Drucksäule eingeleitet wird und ein Sauerstoffangereicherte und eine Stickstoffreiche Fraktion aus de Drucksäule in die Niederdrucksäule eingeleitet werden. Diese Doppelsäul kann beispielsweise ausschließlich zur Gewinnung von Sauerstoff und/ode Stickstoff dienen, oder es können zusätzliche Trennsäulen zur Gewinnung vo Edelgasen angeschlossen sein.
Bei einem Doppelsäulenverfahren wird bevorzugt der Stoffaustausch i mindestens einem Teilbereich der Niederdrucksäule durch eine Packun bewirkt, die eine spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m2/m aufweist. Insbesondere können weite Teilbereiche oder auch der gesamte fü den Stoffaustausch wirksame Bereich der Niederdrucksäule mit einer dichte Packung ausgestattet sein.
Durch die Verbindung mit der in aller Regel unterhalb der Niederdrucksäul angeordneten Drucksäule bewirkt die durch die Erfindung verringerte Bauhöh einen besonders großen Vorteil. Es kann unter Umständen auf ansonste benötigte Pumpen zur Förderung der flüssigen Fraktionen aus der Drucksäul zur Niederdrucksäule verzichtet werden. Dies gilt insbesondere dann, wen der Kopf der Niederdrucksäule durch indirekten Wärmeaustausch mit eine Fraktion aus dem unteren Bereich der Drucksäule gekühlt wird. Bei erfindungsgemäßen Einsatz der dichten Packung kann sogar die Höhendifferen zwischen Sumpf der Drucksäule und Kopf der Niederdrucksäule allein durch di vorhandene Druckdifferenz überwunden werden. Falls nur Teile der Niederdrucksäule mit der Packung hoher spezifischer Oberfläche ausgestattet werden, ist es günstig, wenn der Stoffaustauseh in dem Abschnitt der Niederdrucksäule, der unterhalb der Elnspeisestelle der Sauerstoffangereicherten Fraktion aus der Drucksäule liegt, mindestens teilweise durch eine Packung bewirkt wird, die eine spezifische Oberfläche
2 3 von mindestens 1000 m /m aufweist. Dieser Abschnitt wird allgemein als
Sauerstoffabschnitt bezeichnet. Da die Einspeisungen der beiden Fraktionen aus der Drucksäule oberhalb dieses Abschnittes liegen, weist dieser eine relativ geringe Belastung auf.
Ähnliches gilt für den Rein-Stickstoff-Abschnitt, der zwischen dem Kopf der Niederdrucksäule, an dem eine Rein-Stickstofffraktion entnommen wird und der Entnahmestelle einer Unrein-Stickstofffraktion unterhalb des Kopfes liegt, und für den Argon-Zwischenabschnitt. Letzterer befindet sich zwischen der Entnahmestelle eines argonhaltigen SauerstoffStroms, der zur Rohargonsäule geführt wird und der Einspeisestelle einer in indirektem Wärmeaustausch mit Gas vom Kopf der Rohargonsäule verdampften Fraktion. Bevorzugt wird in einem dieser Abschnitte oder in beiden der Stoffaustausch mindestens teilweise durch eine Packung bewirkt, die eine spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m2/m3 aufweist.
Zusätzlich kann auch der Stoffaustauseh in der Drucksäule mindestens teilweise durch eine Packung bewirkt werden. Es kann sich dabei um eine Packung hoher spezifischer Oberfläche handeln, aber auch der Einsatz einer weniger dichten Packung ist möglich. Seltener kommt der Einsatz einer sehr dichten Packung ausschließlich in der Drucksäule in Frage.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Luftzerlegungsanlage gemäß den Patentansprüchen 13 bis 24. Im folgenden werden die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindu anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnunge schematisch dargestellt sind. Die in den Figuren gezeigten Verfahren weise jeweils mindestens zwei Rektifizierstufen auf; die Erfindung ist jedoch auc auf einstufige Luftzerlegungsverfahren anwendbar.
Es zeigen im einzelnen:
Figur 1 ein Luftzerlegungsverfahren gemäß der Erfindung mit dre Abschnitten in der Niederdrucksäule,
Figur 2 ein Verfahren mit vier Abschnitten in der Niederdrucksäule bei dem zusätzlich ein Teil der Luft direkt in di Niederdrucksäule eingeblasen wird,
Figur 3 eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mi einer der Niederdrucksäule angeschlossenen Rohargonsäule un fünf Abschnitten in der Niederdrucksäule und
Figur 4 eine weitere Variante mit Rohargonsäule und direkte Lufteinblasung mit sechs Abschnitten in der Niederdrucksäule.
Die einander entsprechenden Verfahrensschritte und Vorrichtungsmerkmale sin 1n den Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen.
Bei dem 1n dem Schema von Figur 1 dargestellten Verfahren wird gereinigt Luft 1 unter einem Druck von 4 bis 20 bar, vorzugsweise 5 bis 12 bar i einem Wärmetauscher 2 gegen Produktströme auf etwa Taupunkt abgekühlt und i die Drucksäule 3 einer zweistufigen Rektifiziereinrichtung eingespeist. Di Drucksäule 3 steht über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer 4 i Wärmeaustauschbeziehung zu einer Niederdrucksäule 5.
Sumpfflüssigkeit 6 und Stickstoff 7 werden aus der Drucksäule 3 abgezogen In einem Gegenströmer 8 unterkühlt und in die Niederdrucksäule eingedrosselt. Aus der Niederdrucksäule werden Sauerstoff 9, Stickstoff 1 und unreiner Stickstoff 11 entnommen. Die Produkte können auch mindesten teilweise flüssig entnommen werden. Dies Ist der Übersichtlichkeit halber 1 den Verfahrensschemen nicht dargestellt. Die Niederdrucksäule 5 weist in Verfahren und Vorrichtung von Figur 1 folgende Abschnitte auf:
A Rein-Stickstoff-Abschnitt (oberhalb der Unreinstickstoffleitung 11)
B Unrein-Stickstoff-Abschnitt (begrenzt durch Unrelnstickstoffleitung 11 und Sumpfflüssigkeitsleitung 6) E Sauerstoff-Abschnitt (unterhalb der Mündung der Sumpfflüssigkeitsleitung
6)
Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsform von erfindungsgemäßem Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung wird ein Teil der zu zerlegenden Luft in einer Turbine 12 arbeitsleistend entspannt und über Leitung 13 unter Umgehung der Vorzerlegung in Drucksäule 3 direkt in die Niederdrucksäule 5 eingeblasen. Die Turbinenluft 13 kann dabei beispielsweise in Höhe der Sumpfflüssigkeitsleitung 6 in die Niederdrucksäule eingespeist werden; günstiger ist jedoch eine Zuführung im Bereich unterhalb der Sumpfflüssigkeitseinführung, wie sie in Figur 2 dargestellt Ist. Dadurch werden in der Niederdrucksäule insgesamt vier Abschnitte definiert:
A und B wie in Figur 1
C Unrein-Sauerstoff-Abschnitt (begrenzt durch Sumpfflüssigkeitsleitung 6 und Einblaseleitung 13 für Turbinenluft) E Sauerstoff-Abschnitt (unterhalb der Mündung der Einblaseleitung 13)
Figur 3 zeigt eine der Luftrektifikation angeschlossene Rohargonsäule 15. über Argonübergangs1eitung 14 wird ein argonhaltiger Sauerstoffstrom aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule 5 (unterhalb der Sumpfflüssigkeitsleitung 6) entnommen, in den unteren Bereich der Rohargonsäule 15 geleitet und dort in ein Rohargonprodukt 16 und eine Restfraktion 17 zerlegt. Die Restfraktion wird in die Niederdrucksäule zurückgeleitet. Sie kann entweder über die Leitung 14 zurückfließen (falls ein entsprechendes Gefälle vorhanden ist) oder, wie in Figur 3 gezeigt, mittels einer Pumpe 18 über eine eigene Leitung 17 gefördert werden. Der Kopf ύer Rohargonsäule wird durch einen Rohargonkondensator 19 gekühl auf dessen Verdampfungsseite über Leitung 20 herangeführte Sumpfflüssigke aus der Drucksäule 3 verdampft. Die verdampfte Fraktion wird über Leitung zur Niederdrucksäule geführt. Sie kann beispielweise auf Höhe d Sumpfflussigkeitsleitung 6 eingeleitet werden. Besonders vorteilhaft i jedoch eine Elnspeisung zwischen Mündung der Sumpfflussigkeitsleitung 6 u Anschluß der Argonübergangsleitung.
Durch die beschriebene Verfahrensweise ergeben sich in der Niederdrucksäul von Figur 3 folgende Unterteilungen:
A und B wie in Figur 1
C Unrein-Sauerstoff-Abschnitt (begrenzt durch SumpffTüssigkeitsleitung und Leitung 21 zur Einführung der verdampften Fraktion aus de
Rohargonkondensator 19) D Argon-Zwischenabschnitt (begrenzt durch Leitung 21 zur Einführung de verdampften Fraktion aus dem Rohargonkondensator 19 und Entnahmeleitun
14 für die 1n der Rohargonsäule zu zerlegende argonhaltig
Sauerstofffraktion) E Sauerstoff-Abschnitt (unterhalb der Entnahmeleitung 14 für die in de
Rohargonsäule zu zerlegende argonhaltige Sauerstofffraktion)
In Figur 4 Ist eine Kombination der Varianten der Figuren 2 und dargestellt. Ausgehend von Figur 3 wird als zusätzliches Merkmal in eine Turbine 12 arbeitslelstend entspannte Luft direkt in die Niederdrucksäule eingeblasen. Ähnlich wie beim Verfahren der Figur 2 ist es möglich, di Turbinenluft beispielsweise in Höhe der Sumpfflussigkeitsleitung einzuführen. Bevorzugt wird sie, wie in Figur 4 gezeigt, 1m Bereich zwische Sumpfflüssigkeltseinführung 6 und Einleitung der verdampften Fraktion 21 au dem Rohargonkondensator 19 eingespeist. So wird de Unrein-Sauerstoff-Abschnitt weiter in zwei Unterabschnitte C1 und C unterteilt.
Erfindungsgemäß wird der Stoffaustausch in einigen Abschnitten de Niederdrucksäule 5 und/oder der Rohargonsäule 15 mindestens teilweise durc eine Packung bewirkt, die eine spezifische Oberfläche von mindesten 1000 m2/m3 aufweist. 10
Zur Verwirklichung der Erfindung müssen nicht in jedem Abschnitt der Niederdrucksäule Packungen eingesetzt werden; 1n einem oder mehreren Abschnitten kann der Stoffaustausch auch teilweise oder ausschließlich durch andere Stoffaustauschelemente bewirkt werden, beispielsweise durch konventionelle Rektifizierböden wie Glocken- oder Siebböden. In einem Abschnitt, in dem in einem oder in mehreren Teilbereichen eine Packung angeordnet Ist, kann der Stoffaustausch in anderen Teilbereichen durch andere Stoffaustauschelemente bewerkstelligt werden. Bevorzugt werden in allen Abschnitten der Niederdrucksäule 5 hauptsächlich Packungen eingesetzt, um den Stoffaustausch zu bewirken.
Eine einfache Form der Realisierung der Erfindung ist ein Verfahren gemäß
Figur 1, bei dem in einem Stickstoffabschnitt, beispielsweise dem im
SauerStoff-Abschnitt E und/oder im Rein-Stickstoff-Abschnitt eine Packung
2 3 mit einer spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m /m eingesetzt wird.
Die folgende Tabelle zeigt ein Zahlenbeispiel für eine Niederdrucksäule mit fünf Abschnitten gemäß Figur 3. Die Bezeichnung der Abschnitte in den Ausführungsbeispielen der übrigen Figuren ist so gewählt, daß die Werte der Tabelle unmittelbar auf diese Varianten übertragen werden können. Die Tabelle enthält für jeden der Abschnitte A bis E einen Zahlenbereich für die Belastung (Durchsatz an aufsteigendem Gas) relativ zum Unrein-Stickstoff-Abschnitt B, einen bevorzugten Zahlenbereich für eine 1n dem Abschnitt einzusetzende Packung sowie zwei besonders bevorzugte Zahlenwerte von konkreten Ausführungsbeispielen.
TABELLE
Abschnitt relative spezifische Oberfläche
Belastung m2/m3
%
A Rein-Stickstoff-Abschnitt 60-75
B Unrein-Stickstoff-Abschnltt 100
C Unrein-Sauerstoff-Abschnitt ca.90
D Argon-Zwischenabschnitt 40-50
E Sauerstoff-Abschnitt 75-85
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11
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß im Abschnitt B, der am höchste belastet ist, eine relativ grobe Packung zum Einsatz kommt. Niedrige belastete Abschnitte, beispielsweise Abschnitt E, werden vorzugsweise mi feineren Packungen ausgestattet. Der Argon-Zwischenabschnitt D enthäl bevorzugt eine Packung mit besonders hoher spezifischer Oberfläche. Der Wer
2 3 1 1550000 m2//mm3 iisstt ddaabbeeii kkeeiinnee (Obergrenze, grundsätzlich sind auch höher spezifische Oberflächen denkbar.
Die in verschiedenen Abschnitten eingesetzten Packungen können ansonste gleiche oder verschiedene Struktur aufweisen. Bevorzugt werden jedoch i einem, mehreren oder allen Abschnitten geordnete Packungen eingesetzt, wi sie deutschen Patentanmeldung P 4209 132.2 beziehungsweise in der daz korrespondierenden internationalen Patentanmeldung PCT/EP mi gleichem Zeltrang beschrieben sind. Verschiedene spezifische Oberfläche werden durch verschiedene Amplituden bei der Faltung der Lamellen erzeugt aus denen die Packung hergestellt ist.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Packungen sehr hoher spezifische Oberfläche fällt die Bauhöhe der Niederdrucksäule 5 der Ausführungsbeispiel wesentlich geringer aus als beispielsweise beim ausschließlichen Einsatz vo
2 "3
Packungen einer spezifischen Oberfläche von weniger als 1000 m /m .
In den Ausführungsbe1sp1elen der Figuren 1 bis 4 beziehungsweise 3 und kann auch in der Drucksäule 3 und/oder insbesondere In der Rohargonsäule 1 der Stoffaustausch in einem oder mehreren Teilbereichen oder in der gesamte Kolonne durch Packungen bewirkt werden. Diese weisen vorzugsweise ebenfall die deutschen Patentanmeldung P 4209 132.2 beziehungsweise in de internationalen Patentanmeldung PCT/EP beschriebene Struktur auf.
Es können auch in der Rohargonsäule Packungen unterschiedlicher spezifische Oberfläche eingesetzt werden, vorzugsweise wird jedoch eine Packung mi konstanter spezifischer Oberfläche verwendet. Die besonders bevorzugte Werte der spezifischen Oberfläche dieser Packung Hegen bei 1000 bi
2 3 2 -\
1500 m /m , vorzugsweise bei 1100 bis 1250 m /m . Bevorzugt finde
1m wesentlichen der gesamte Stoffaustausch in der Rohargonsäule 15 an eine derart dichten Packung statt. Falls bereits in der Niederdrucksäule oder in der Drucksäule eine Packung
2 3 mit einer spezifischen Oberfläche von mindestens 1000 m /m eingesetzt wird, können die Packungsdichte in der Rohargonsäule auch unterhalb dieser Grenze liegen, vorzugsweise bei 700 bis 900 m 2/ 3, insbesondere bei ca.
750 m2/m3.
Besonders günstig ist der erfindungsgemäße Einsatz einer besonders dichten
Packung außerdem bei Luftzerlegungsanlagen und -verfahren, bei denen eine
Rektifiziersäule in einen Vakuumbehälter, beispielsweise einen Flüssigkeits- tank eingebaut ist. (Einzelheiten zu derartigen Verfahren und Vorrichtungen sind der DE-A-41 35302 zu entnehmen.) Durch den Einbau einer Packung mit
2 3 einer spezifischen Oberfläche von mindestens 1000 m /m in einen oder mehrere Teilbereiche oder in den gesamten für den Stoffaustauseh wirksamen Bereich einer derartigen Säule kann deren Bauhöhe verringert werden. Es vermindern sich damit nicht nur die Herstellungskosten der Säule selbst, sondern auch diejenigen des sie umschließenden Vakuumbehälters.
Daneben ist auch die Anwendung der Erfindung auf Verfahren und Vorrichtungen vorteilhaft, bei denen flüssig gewonnener Sauerstoff gegen eine kondensie¬ rende Fraktion (beispielsweise Hochdruckluft) verdampft wird. Bei solchen Verfahren wird das Sauerstoffprodukt oftmals flüssig auf Druck gebracht (sogenannte Innenverdichtung), beispielsweise durch Ausnutzung eines hydrostatischen Potentials oder durch eine Pumpe. Im Falle der Einspeisung von gegen verdampfenden Sauerstoff kondensierter Luft an einer mittleren Stelle der Drucksäule kann es günstig sein, oberhalb und unterhalb dieser Einspeisestelle verschieden dichte Packungen In der Drucksäule zu verwenden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem gereinigte un abgekühlte Luft in ein mindestens eine Rektifiziersäule aufweisende Destilliersystem geleitet und dort durch Gegenstrom-Stoffaustausc zwischen einer Dampf- und einer Flüssigkeitsphase rektifiziert wird, wobei bei der Stoffaustausch in mindestens einem Teilbereich mindesten einer Rektifiziersäule durch eine Packung bewirkt wird, dadurc gekennzeichnet, daß der Stoffaustausch in mindestens einem Teilbereic mindestens einer Rektifiziersäule durch eine Packung bewirkt wird, di
2 3 eine spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m /m aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß de Stoffaustausch im obersten Abschnitt der Rektifiziersäule mindesten teilweise durch eine Packung bewirkt wird, die eine spezifisch
2 3 Oberfläche von mindestens 1000 m /m aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß de Stoffaustausch im untersten Abschnitt der Rektifiziersäule mindesten teilweise durch eine Packung bewirkt, wird, die eine spezifisch
2 3 Oberfläche von mindestens 1000 / aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß das Destilliersystem eine Niederdrucksäule und eine Rohargonsäul aufweist und daß ein argonhaltiger Sauerstoffström aus de Niederdrucksäule entnommen und in der Rohargonsäule 1n Rohargon und i eine Restfraktion zerlegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoffaustausch mindestens in einem Teilbereich der Rohargonsäule durch eine Packung bewirkt wird, die eine spezifische Oberfläche von
2 3 mindestens 1000 m /mJ aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Destilliersystem eine Drucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, wobei mindestens ein Teil der gereinigten und abgekühlten Luft in die Drucksäule eingeleitet wird und eine Sauerstoffangereicherte und eine stickstoffreiche Fraktion aus der Drucksäule in die Niederdrucksäule eingeleitet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoffaustausch in mindestens einem Teilbereich der Niederdrucksäule durch eine Packung bewirkt wird, die eine spezifische Oberfläche von
2 3 mindestens 1000 m Im aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoffaustausch in dem Abschnitt der Niederdrucksäule, der unterhalb der Einspeisestelle der sauerstoffangereicherten Fraktion aus der Drucksäule liegt, mindestens teilweise durch eine Packung bewirkt wird, die eine
2 3 spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m Im aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Kopf der Niederdrucksäule eine Rein-Stickstofffraktion und unterhalb des Kopfes eine Unreln-Stickstofffraktion entnommen werden und und daß der Stoffaustausch in dem Abschnitt der Niederdrucksäule, der zwischen den Entnahmestellen von Rein- und Unreln-Stickstoff liegt, mindestens teilweise durch eine Packung bewirkt wird, die eine spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m 2 I 3 aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß ein argonhaltiger Sauerstoffstrom unterhalb der Einspeisestelle de Sauerstoffangereicherten Fraktion aus der Niederdrucksäule entnommen un in einer Rohargonsäule in Rohargon und in eine Restfraktion zerleg wird, daß Gas vom Kopf der Rohargonsäule in indirekten Wärmeaustausc mit einer verdampfenden Fraktion aus der Drucksäule gebracht wird, wobe die bei dem Indirekten Wärmeaustausch verdampfte Fraktion in di Niederdrucksäule eingeleitet wird, und daß der Stoffaustausch 1n de Abschnitt der Niederdrucksäule, der zwischen der Einspeisestelle de verdampften Fraktion und der Entnahmestelle des argonhaltige
Sauerstoffstroms Hegt, mindestens teilweise durch eine Packung bewirk
2 wird, die eine spezifische Oberfläche von mindestens 1000 Im aufweist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß der Stoffaustausch in der Drucksäule mindestens teilweise durch ein Packung bewirkt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß der Stoffaustausch in mindestens einem Teilbereich der Drucksäul durch eine Packung bewirkt wird, die eine spezifische Oberfläche vo 2 3 mindestens 1000 m I aufweist.
13. Luftzerlegungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem de Ansprüche 1 bis 12 mit einem Destllliersystem, das mindestens mindesten eine Rektifiziersäule (3, 4, 15) aufweist, die Stoffaustauschelement enthält, wobei die Stoffaustausche!e ente in mindestens eine Teilbereich mindestens einer Rektifiziersäule durch eine Packun gebildet werden, die eine spezifische Oberfläche von mindesten
2 3
1000 Im aufweist.
14. Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß di Stoffaustausche!emente im obersten Abschnitt der Rektifiziersäul mindestens teilweise durch eine Packung gebildet werden, die ein
2 3 spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m /m aufweist.
15. Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffaustauschelemente 1m untersten Abschnitt der
Rektifiziersäule mindestens teilweise durch eine Packung gebildet werden, die eine spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m 2 Im3 aufweist.
16. Luftzerlegungsanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Destilliersystem eine Niederdrucksäule und eine Rohargonsäule aufweist und daß Niederdrucksäule und Rohargonsäule über eine Argonübergangsleitung miteinander verbunden sind.
17. Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoff ustauschelemente mindestens in einem Teilbereich der Rohargonsäule durch eine Packung gebildet werden, die eine spezifische Oberfläche von
2 3 mindestens 1000 m Im aufweist.
18. Luftzerlegungsanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Destilliersystem eine Drucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, wobei eine Speiseleitung für zu zerlegende Luft in die Drucksäule mündet und eine Sumpfflussigkeitsleitung und eine Druckstickstoffleitung von der Drucksäule in die Niederdrucksäule führen.
19. Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoff ustauschelemente in mindestens einem Teilbereich der
Niederdrucksäule durch eine Packung gebildet werden, die eine
2 3 spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m I aufweist.
20. Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffaustausehe1emente in dem Abschnitt der Niederdrucksäule, der unterhalb der Mündung der Sumpfflussigkeitsleitung liegt, mindestens teilweise durch eine Packung gebildet werden, die eine spezifische
2 3 Oberfläche von mindestens 1000 m Im aufweist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch eine Rein-St1ckstoffle1tung, die mit dem oberen Bereich de Niederdrucksäule verbunden ist, und durch eine Unrein-St1ckstoffle1tung die unterhalb der Re1n-St1ckstoffle1tung mit der Niederdrucksäul verbunden Ist, wobei die Stoffaustausche!emente in dem Abschnitt de Niederdrucksäule, der zwischen Rein-Stickstoffle1tung un Unreln-Stickstoffleitung angeordnet ist, mindestens teilweise durch ein Packung gebildet werden, die eine spezifische Oberfläche von mindesten
2 3 1000 m Im aufweist.
22. Luftzerlegungsanlage nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurc gekennzeichnet, daß eine Argonübergangsleitung unterhalb der Mündun der Sumpfflussigkeitsleitung mit der Niederdrucksäule verbunden ist un in eine Rohargonsäule führt, die einen Kopfkondensator aufweist, desse Verdampfungsraum über eine Flüssigkeltsleitung mit der Drucksäule un über eine Gasleitung mit der Niederdrucksäule verbunden Ist, und daß di Stoffaustauschelemente in dem Abschnitt der Niederdrucksäule, de zwischen der Mündung der Gasleitung und der Argonübergangsle1tung liegt mindestens teilweise durch eine Packung gebildet werden, die ein
2 3 spezifische Oberfläche von mindestens 1000 m Im aufweist.
23. Luftzerlegungsanlage nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurc gekennzeichnet, daß die Stoffaustauschelemente in der Drucksäul mindestens teilweise durch eine Packung gebildet werden.
24. Luftzerlegungsanlage nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurc gekennzeichnet, daß der Stoffaustausch in mindestens einem Teilbereic der Drucksäule durch eine Packung bewirkt wird, die eine spezifisch Oberfläche von mindestens 1000 m 2 Im3 aufweist.
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