Luftzerlegungsanlage und Luftzerlegungsverfahren

Die Erfindung betrifft eine zur Gewinnung von Argon eingerichtete Luftzerlegungsanlage und ein entsprechendes Luftzerlegungsverfahren.

Hintergrund der Erfindung

Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH,

2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.

Luftzerlegungsanlagen klassischer Art weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die beispielsweise ein Zweikolonnensystem, insbesondere ein Doppelkolonnensystem, aber auch Drei- oder Mehrkolonnensysteme aufweisen können. Neben Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen, vorgesehen sein.

Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden auf Drücken in unterschiedlichen Druckbereichen betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Hochdruckkolonne (auch als Druckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (obere Kolonne) auf. Die Hochdruckkolonne wird in herkömmlichen Anlagen typischerweise auf einem Druck in einem Druckbereich von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben, die Niederdruckkolonne dagegen auf einem Druck in einem Druckbereich von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Drücke eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken in den jeweiligen Druckbereichen handelt es sich insbesondere um Absolutdrücke (bar (abs.), bara) am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen. Zur Argongewinnung werden typischerweise Luftzerlegungsanlagen mit Doppelkolonnensystemen und sogenannten Roh- und ggf. Reinargonkolonnen eingesetzt. Ein Beispiel ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A veranschaulicht und ab Seite 26 im Abschnitt "Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column" sowie ab Seite 29 im Abschnitt "Cryogenic Production of Pure Argon" beschrieben. Grundsätzlich kann zur Argongewinnung auch auf eine Reinargonkolonne verzichtet werden, wenn die betreffenden Rektifikationskolonnen entsprechend angepasst werden. Reinargon kann beispielsweise aus der Rohargonkolonne bzw. einer vergleichbaren Rektifikationskolonne weiter unterhalb als das herkömmlicherweise in die Reinargonkolonne überführte Fluid abgezogen werden, wobei ein oberhalb der Entnahmestelle angeordneter Abschnitt zur Stickstoffabtrennung dient.

Alle hier genannten Kolonnen in einer Luftzerlegungsanlagen werden hier als "Luftzerlegungskolonne" bezeichnet. Bei einer Luftzerlegungskolonne kann es sich beispielsweise um eine Einzelsäule zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, um eine Hochdruckkolonne oder eine Niederdruckkolonne eines Zweisäulensystems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, beispielsweise einer klassischen Linde-Doppelsäule, oder auch um eine Rohargonkolonne handeln. Ebenso umfasst der Begriff eine Reinargonsäule sowie Kolonnen zur Anreicherung oder Gewinnung von Krypton, Xenon, Helium oder Neon.

Zur Argongewinnung wird der Niederdruckkolonne Fluid etwas unterhalb des sogenannten Argonmaximums, an dem in der Niederdruckkolonne typischerweise etwa 10% Argon erreicht werden, entnommen, wie grundsätzlich bekannt. Auf die Erläuterungen zu Figur 2.4 in Häring (s.o.) wird verwiesen.

Zwischen die Niederdruckkolonne und eine Rohargonkolonne können weitere Trennapparate geschaltet werden, beispielsweise ein Kolonnenabschnitt, in dem das aus der Niederdruckkolonne abgezogene Fluid Sumpfflüssigkeit aus der Rohargonkolonne entgegengeschickt wird.

Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung mehrteiliger Rohargonkolonnen bekannt. So offenbart beispielsweise die EP 2 965 029 B1 eine Luftzerlegungsanlage, die eine Hochdruckkolonne, eine mehrteilig ausgebildete Niederdruckkolonne mit einem Fußabschnitt und einem räumlich getrennt hiervon angeordneten Kopfabschnitt sowie eine mehrteilig ausgebildete Rohargonkolonne mit einem Fußabschnitt und einem räumlich getrennt hiervon angeordneten Kopfabschnitt aufweist.

Wie nachfolgend noch erläutert, können bei der Verwendung von einteiligen Rohargonkolonnen gewisse Probleme insbesondere nach dem (Weder-)Anfahren einer entsprechenden Anlage oder bei schnellen Lastwechseln ergeben. Ähnliche Probleme sind aus anderen Luftzerlegungskolonnen bekannt, wie zum Beispiel Einzelsäulen zur Stickstoffgewinnung. Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, hier Abhilfe zu schaffen.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch eine Luftzerlegungsanlage und ein entsprechendes Luftzerlegungsverfahren mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

Durch die Verwendung einer einteiligen Rohargonkolonne, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, ist für das System der Argonaufreinigung nur ein sogenannter Hold-up, d.h. Flüssigkeitsspeicher mit nennenswertem Volumen, im Sumpfbereich der Rohargonkolonne vorhanden, wohingegen bei einer zweiteiligen Rohargonkolonne die beiden Sumpfbereiche der beiden Kolonnenteile entsprechende Flüssigkeitsspeicher darstellen.

Die geringe Anzahl an solchen Flüssigkeitsspeichern kann beim Anfahren der Anlage aus dem kalten Zustand und bei schnellen Lastwechseln zu Problemen führen, da dann die Konzentration von Argon und Sauerstoff im Sumpfbereich der Rohargonkolonne stark von der Betriebskonzentration abweicht. Der Grund hierfür ist, dass beim Abstellen der Anlage die gesamte Flüssigkeit der Rohargonkolonne (hauptsächlich Argon) nach unten in den Sumpfbereich fließt und hierdurch die Sumpfkonzentration zu einer höheren Argonmenge, als im normalen Betrieb erforderlich, verändert wird. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch (wenigstens) einen weiteren Flüssigkeitsspeicher zwischen Trenneinrichtungen, d.h. insbesondere Trennböden und/oder entsprechenden Packungen, der Rohargonkolonne. Durch die damit erfolgende Bereitstellung von zwei oder mehr Flüssigkeitsspeichern liegen in diesen Flüssigkeitsspeichern nach dem Herabfließen der Flüssigkeit aus nur jeweils einem entsprechenden Teil der Trenneinrichtungen zwei oder mehr Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Konzentrationen an insbesondere Sauerstoff und Argon vor. Die jeweiligen Konzentrationen liegen jeweils näher am Betriebsprofil, was dazu führt, dass das Konzentrationsprofil schneller eingestellt werden kann. Die Erfindung ermöglicht es daher, schneller einen stabilen Betrieb und eine spezifikationsgerechte Bereitstellung der jeweils geforderten Luftprodukte zu erreichen. Die Erfindung kann grundsätzlich in jeder Luftzerlegungskolonne eingesetzt werden und dabei die genannten Vorteile erzielen.

Mit besonders großem Gewinn kann die Erfindung bei einer Rohargonsäule ausgeführt werden, die ein- oder mehrteilig ausgebildet ist.

Hierbei wird insgesamt eine Luftzerlegungsanlage mit einer Druckkolonne, mit einer Niederdruckkolonne, mit einer Rohargonkolonne und mit einer Reinargonkolonne vorgeschlagen. Die Niederdruckkolonne kann zweiteilig bzw. in Form mehrerer Einzelkolonnen ausgebildet sein.

Bezüglich der Begriffe "Druckkolonne", "Niederdruckkolonne", "Rohargonkolonne" und "Reinargonkolonne" sei dabei auf die übliche Fachliteratur und das darin niedergelegte Verständnis der Fachperson verwiesen. Lediglich der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Druckkolonne für einen Betrieb auf einem Druck oder von Drücken in einem ersten Druckbereich und die Niederdruckkolonne für einen Betrieb auf einem Druck oder von Drücken in einem zweiten Druckbereich unterhalb des ersten Druckbereichs eingerichtet ist, und dass die Luftzerlegungsanlage dafür eingerichtet ist, zumindest die Druckkolonne mit verdichteter, abgekühlter und ggf. zumindest teilweise verflüssigter Druckluft zu speisen, in der Druckkolonne eine gegenüber der Druckluft an Sauerstoff und Argon angereicherte und an Stickstoff abgereicherte Sumpfflüssigkeit zu bilden, in der Druckkolonne ferner ein gegenüber der Druckluft an Sauerstoff und Argon abgereichertes und an Stickstoff angereichertes Kopfgas zu bilden, die Sumpfflüssigkeit der Druckkolonne zumindest zum Teil in die Niederdruckkolonne einzuspeisen, in der Niederdruckkolonne eine sauerstoffreiche Sumpfflüssigkeit zu bilden, das Kopfgas der Druckkolonne zumindest teilweise gegen die sauerstoffreiche Sumpfflüssigkeit der Niederdruckkolonne zu kondensieren, in der Niederdruckkolonne ferner ein stickstoffreiches Kopfgas zu bilden, eine gegenüber der Sumpfflüssigkeit der Niederdruckkolonne und dem Kopfgas der Niederdruckkolonne an Argon angereichertes Transferfluid aus der Niederdruckkolonne abzuziehen, das Transferfluid zumindest zum Teil in die Rohargonkolonne einzuspeisen, und dieses Transferfluid in der Rohargonkolonne in ein gegenüber dem Transferfluid an Argon angereichertes und an Sauerstoff abgereichertes Kopfgas und eine an Sauerstoff angereicherte und an Argon abgereicherte Sumpfflüssigkeit zu trennen und die Sumpfflüssigkeit der Rohargonkolonne zumindest teilweise in die Niederdruckkolonne zurückzuführen.

Wenn die Luftzerlegungskolonne durch eine Rohargonkolonne gebildet wird, kann sie ein- oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei in der einteilig ausgebildeten Rohargonkolonne oder in einem Kolonnenteil der mehrteilig ausgebildeten Rohargonkolonne mehrere, übereinander in einem gemeinsamen Kolonnenmantel angeordnete Trennbereiche bereitgestellt sind.

Unter einem "Trennbereich" wird in dieser Anmeldung ein Kolonnenabschnitt verstanden, die für den direkten Gegenstrom-Stoffaustausch zwischen einem aufsteigenden Gasphase und einer herabfließenden Flüssigphase ausgebildet ist. Er ist mit Stoffaustauschelementen als Trenneinbauten ausgestattet. Unter dem Begriff "Trenneinbauten" werden dabei sämtliche oberflächenvergrößernden Strukturen verstanden, die zur Verbesserung des Stoffaustauschs zwischen einer Gasphase und einer Flüssigphase bereitgestellt sind, insbesondere geordnete oder ungeordnete Packungen oder Trennböden. Wärmeaustauscher zum indirekten Wärmaustausch, zum Beispiel Sumpfverdampfer oder Kopfkondensatoren, sind keine "Trennbereiche". Zwei benachbarte Trennbereiche derselben Luftzerlegungskolonne sind üblicherweise durch Vorrichtungen zur Flüssigkeitssammlung und/oder -Verteilung getrennt und meist auch durch eine oder mehrere Zu- und Ableitungen von Gas und/oder Flüssigkeit. Nachfolgend ist auch von einem oberen, mit Trenneinbauten ausgestatteten Trennbereich und einen unteren, mit Trenneinbauten ausgestatteten Trennbereich die Rede. Erfindungsgemäß ist oder sind zwischen zumindest zwei der Trennbereiche eine oder mehrere Flüssigkeitsstaueinrichtungen bereitgestellt, die zum Anstauen von herabfließender Flüssigkeit ausgebildet ist oder sind und damit Flüssigkeitsspeicher darstellen. Es versteht sich, dass ggf. auch zwischen allen, Trennbereichen (jeweils) eine entsprechende Flüssigkeitsstaueinrichtung bereitgestellt sein kann. Die vorliegende Erfindung unterscheidet ferner dadurch von bekannten Anordnungen, bei denen eine geteilte Rohargonkolonne bereitgestellt ist, dass die Flüssigkeitsstaueinrichtung(en) zwischen den Abschnitten eines Kolonnenteils bereitgestellt ist bzw. sind. Die Anordnung kann insbesondere derart sein, dass sich der Kolonnenmantel zwischen Abschnitten, die jeweils mittels einer Flüssigkeitsstaueinrichtung voneinander getrennt sind, weder verjüngt noch erweitert, sondern im Wesentlichen kontinuierlich verläuft. Dies ist jedoch keine zwingende Voraussetzung. Der Kolonnenmantel der Rohargonkolonne bzw. eines entsprechenden Kolonnenteils ist daher, definiert durch den gemeinsamen Kolonnenmantel, durchgängig und lediglich durch die erfindungsgemäß bereitgestellte(n) Flüssigkeitsstaueinrichtung(en) voneinander getrennt, die zum Anstauen von Flüssigkeit ausgebildet ist bzw. sind, jedoch vorzugsweise Gas aus dem unteren in den oberen Trennbereich aufsteigen lässt bzw. lassen.

Die Erfindung schafft durch die Flüssigkeitsstaueinrichtung(en), wie erwähnt, einen oder mehrere weitere Flüssigspeicher in der Rohargonkolonne oder einem entsprechenden Kolonnenteil, der bzw. die insbesondere verhindern, dass bei einem Stillstand oder einem Lastwechsel der Anlage die gesamte Flüssigkeit aus der Rohargonkolonne abfließt und damit zu den erwähnten negativen Effekten führt. Die Konzentration von Sauerstoff und Argon kann durch die Verwendung der Flüssigkeitsstaueinrichtung(en) näher an dem Betriebsprofil gehalten werden. Auf die Verwendung separat ausgebildeter Kolonnenteile, wie in den Anlagen mit zweigeteilten Rohargonkolonnen der Fall, kann verzichtet werden. Die Erfindung kann aber auch, wie erwähnt, in mehrteiligen Rohargonkolonnen zum Einsatz kommen. Gerade bei bekannten Hochrein- oder Hochdruckanlagen können beispielsweise deutlich mehr als 180 theoretische Böden oder mehr als sieben Betten verbaut sein, weshalb die Kolonne vorteilhafterweise mehrfach gesplittet wird. Gerade bei solchen Anlagen, die insbesondere hochreines Argon mit weniger als 0,1 ppm Sauerstoff bereitstellen können, ist diese Erfindung sehr vorteilhaft. Auf diese Weise vereinfachen sich Konstruktion und Montage.

Bei der Erfindung ist durch die Ausgestaltung der Flüssigkeitsstaueinrichtung bzw. einer jeden von mehreren Flüssigkeitsstaueinrichtungen ein Stauvolumen definiert, welches bis zu 60, bis zu 70, bis zu 80, bis zu 90 oder bis zu 100 Prozent einer gesamten, im Betrieb der Luftzerlegungsanlage in der Rohargonkolonne oberhalb der jeweiligen Flüssigkeitsstaueinrichtungen vorhandenen Flüssigkeitsmenge entspricht. Das Stauvolumen definiert sich dabei insbesondere durch eine Höhe von Staustrukturen und den durch Flüssigkeit einnehmbaren Raum im Bereich der Flüssigkeitsstaueinrichtung. Das Stauvolumen der oder jeder der erfindungsgemäß bereitgestellten Flüssigkeitsstaueinrichtung(en) beträgt insbesondere mehr als 30, mehr als 40 oder mehr als 50 Prozent einer gesamten, im Betrieb der Luftzerlegungsanlage in der Luftzerlegungskolonne oberhalb der jeweiligen Flüssigkeitsstaueinrichtungen vorhandenen Flüssigkeitsmenge beziehungsweise der im Trennbereich oberhalb jeweiligen Flüssigkeitsstaueinrichtungen vorhandenen Flüssigkeitsmenge (Hold-up von Trennelementen und gegebenenfalls von Sammlern und Verteilern). Es handelt sich also nicht um bekannte, kleinvolumige Einrichtungen wie bekannte Sammler, Verteiler, Tassen und dergleichen.

Vorteilhafterweise sind die durch die Flüssigkeitsstaueinrichtung(en) voneinander getrennten Trennbereiche durch eine oder mehrere Gaspassagen, die durch die Flüssigkeitsstaueinrichtung(en) verlaufen, miteinander gasverbunden. Es ist also vorteilhafterweise keine Verwendung von aus dem gemeinsamen Kolonnenmantel herausführenden Rohren zur Gasleitung vorgesehen. Gas kann insbesondere im Wesentlichen (bis auf eine zwangsläufig vorhandene Verringerung der lichten Weite) ungehindert durch die Flüssigkeitsstaueinrichtung(en) aufsteigen.

Die Flüssigkeitsstaueinrichtung(en) kann bzw. können insbesondere als ein oder mehrere Kaminhalsböden ausgebildet sein, wobei eine Kaminhöhe des oder der Kaminhalsböden insbesondere das bereits erwähnte Stauvolumen definiert.

Vorteilhafterweise ist unter Verwendung einer oder mehrerer, aus dem gemeinsamen Kolonnenmantel herausgeführter Ablassleitungen Flüssigkeit von oberhalb der Flüssigkeitsstaueinrichtung(en) nach unterhalb der Flüssigkeitsstaueinrichtung(en) ablassbar. Aus dieser Anordnung ergibt sich eine besonders einfache Durchflussregulierungsmöglichkeit.

Die eine oder die mehreren Ablassleitungen weisen insbesondere ein oder mehrere Regelventile auf, die unter Verwendung einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind, um auf diese Weise den Durchfluss zu regeln.

Die Steuereinrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Luftzerlegungsanlage in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus zu betreiben und in dem ersten Betriebsmodus eine geringere Durchflussmenge durch die eine oder die mehreren Ablassleitungen einzustellen als in dem zweiten Betriebsmodus. Unter einer "geringeren Durchflussmenge" soll dabei insbesondere auch eine Durchflussmenge von Null verstanden werden. Auf diese Weise kann bei Bedarf der erwähnte Konzentrationsunterschied zwischen Flüssigkeit(en) in dem oder den Stauvolumen und im Kolonnensumpf aufrechterhalten werden.

Die Steuereinrichtung kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dazu eingerichtet sein, den ersten Betriebsmodus nach einem Anfahren oder Wiederanfahren der Luftzerlegungsanlage oder nach einem Lastwechsel der Luftzerlegungsanlage durchzuführen und den zweiten Betriebsmodus nach dem ersten Betriebsmodus durchzuführen.

Die Steuereinrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, den ersten Betriebsmodus so lange durchzuführen, bis ein Konzentrationswert und/oder Konzentrationsprofil wenigstens einer Komponente in der Rohargonkolonne einem Vorgabewert entspricht, d.h. dann, wenn das Konzentrationsprofil zumindest in der Nähe eines geforderten Betriebsprofils liegt, eine Umschaltung vorzunehmen.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem eine Luftzerlegungsanlage mit einer Druckkolonne, mit einer Niederdruckkolonne und mit einer Rohargonkolonne verwendet wird, wobei die Rohargonkolonne ein- oder mehrteilig ausgebildet ist und in der einteilig ausgebildeten Rohargonkolonne oder in einem Kolonnenteil der mehrteilig ausgebildeten Rohargonkolonne mehrere, übereinander in einem gemeinsamen Kolonnenmantel angeordnete Trennbereiche bereitgestellt sind.

Erfindungsgemäß ist oder sind zwischen zumindest zwei der Trennbereiche eine oder mehrere Flüssigkeitsstaueinrichtungen bereitgestellt, die zum Anstauen von herabfließender Flüssigkeit ausgebildet ist oder sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens umfasst dieses einen ersten Betriebsmodus und einen zweiten Betriebsmodus der Luftzerlegungsanlage, wobei in dem ersten Betriebsmodus eine geringere Menge von an der oder den Flüssigkeitsstaueinrichtungen angestauter Flüssigkeit in den zweiten Trennbereich abgelassen wird als in dem zweiten Betriebsmodus.

Vorteilhafterweise wird durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung in einem entsprechenden Verfahren in dem oder den Stauvolumen eine Flüssigkeit mit einem geringeren Sauerstoffgehalt als im Sumpf der Reinargonkolonne gebildet. Der Sauerstoffgehalt kann im Regelbetrieb der Luftzerlegungsanlage bei 8,5% bis 10% liegen und bei 74% bis 80% bei Stillstand der Luftzerlegungsanlage.

Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens und vorteilhafter Ausgestaltungen hiervon sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich der erfindungsgemäß bereitgestellten Luftzerlegungsanlage und ihrer bevorzugten Ausgestaltungen ausdrücklich verwiesen. Vorteilhafterweise wird in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Luftzerlegungsanlage verwendet, wie sie zuvor in Ausgestaltungen erläutert wurde.

Durch die Einführung eines zweiten oder von weiteren Hold-ups in einer einteiligen Rohargonkolonne werden in Ausgestaltungen der Erfindung, in denen eine einteilige Rohargonkolonne verwendet wird, die Vorteile der einteiligen sowie einer zweigeteilten Kolonne zusammengeführt. Durch den Einsatz der Erfindung ist in solchen Fällen ein schnelles Anfahren des Rohargonsystems auf Grund der "Zweigeteiltheit" der Kolonne mit zwei Flüssigkeitsspeichern möglich, ebenso wie schnelle Lastwechsel. Im kalten Zustand kann bei Stillstand der Anlage das zusätzliche Speichervolumen (für eine gewisse Zeit) aufrechterhalten werden, da die Flüssigkeit nicht nach unten ablaufen kann. Es ergibt sich zudem ein stabilerer Betrieb der Rohargonkolonne sowie ein geringerer Footprint für die die Rohargonkolonne einschließenden Cold Box, da nur eine Kolonne vorhanden ist. Durch den Verzicht auf eine zweite Pumpe, die Flüssigkeit zwischen Kolonnenteilen einer zweigeteilten Rohargonkolonne transferiert, ergeben sich geringere Kosten. Es wird nur eine geringfügige Erhöhung der Bauhöhe hervorgerufen.

Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz mit Anlagen, die überwiegend oder ausschließlich zur Bereitstellung von flüssigen Luftprodukten eingerichtet sind, insbesondere dann, wenn die Anlagenleistung an einen Strompreis oder eine Stromverfügbarkeit anpassbar ist oder die Anlage sogar tagsüber oder werktags bzw. zu bestimmten Zeiten abgestellt werden soll.

In allen Fällen ist die Erfindung nicht zur Verwendung mit nur einer Flüssigkeitsstaueinrichtung beschränkt. Vielmehr können auch zwei oder mehrere Flüssigkeitsstaueinrichtungen bereitgestellt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gegenüber nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltungen veranschaulichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage in schematischer Darstellung.

Figuren 2 bis 4 zeigen Argongewinnungssysteme in schematischer Darstellung.

Figur 5 zeigt eine Rohargonkolonne in schematischer Teildarstellung.

In Figur 6 ist eine weitere Luftzerlegungsanlage abgebildet, die erfindungsgemäß ausgebildet ist (Spectra-Anlage).

In den Figuren sind jeweils gleiche oder gleich wirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Anlagenkomponenten können dabei jeweils auch für entsprechende Verfahrensschritte stehen, so dass die nachfolgenden Erläuterungen zu Luftzerlegungsanlagen auch entsprechende Verfahren betreffen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage an sich bekannter Art schematisch veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet.

Luftzerlegungsanlagen der gezeigten Art sind vielfach an anderer Stelle beschrieben, beispielsweise in dem eingangs erwähnten Abschnitt 2.2.5 bei Häring. Für detaillierte Erläuterungen zu Aufbau und Funktionsweise sei daher auf entsprechende Fachliteratur verwiesen. Eine Luftzerlegungsanlage zum Einsatz der vorliegenden Erfindung kann auf unterschiedlichste Weise ausgebildet sein. Wenngleich nachfolgend eine Luftzerlegungsanlage mit einer einteiligen Rohargonkolonne gezeigt und beschrieben ist, eignet sich die Erfindung, wie erwähnt, insbesondere auch für die Verwendung mit zwei- oder mehrteiligen Rohargonkolonnen.

Die in Figur 1 in Form eines Beispiels gezeigte Luftzerlegungsanlage 100 verfügt unter anderem über einen Hauptluftverdichter 1, eine Vorkühleinrichtung 2, ein Reinigungssystem 3, eine Nachverdichteranordnung 4, einen Hauptwärmetauscher 5, eine Entspannungsturbine 6, eine Drosseleinrichtung 7, eine Pumpe 8 und ein Rektifikationskolonnensystem 10. Das Rektifikationskolonnensystem 10 umfasst im dargestellten Beispiel eine klassische Doppelkolonnenanordnung aus einer Druckkolonne 11 und einer Niederdruckkolonne 12 sowie eine Rohargonkolonne 13 und eine Reinargonkolonne 14. Die Rohargonkolonne 13 und die Reinargonkolonne 14 bilden mit den jeweils ihnen zugeordneten Apparaten ein Argongewinnungssystem, das hier insgesamt mit 20' angegeben ist.

In der Luftzerlegungsanlage 100 wird ein Einsatzluftstrom mittels des Hauptluftverdichters 1 über ein nicht bezeichnetes Filter angesaugt und verdichtet. Der verdichtete Einsatzluftstrom wird der mit Kühlwasser betriebenen Vorkühleinrichtung 2 zugeführt. Der vorgekühlte Einsatzluftstrom wird in dem Reinigungssystem 3 aufgereinigt. In dem Reinigungssystem 3, das typischerweise ein Paar von im Wechselbetrieb eingesetzten Adsorberbehältern umfasst, wird der vorgekühlte Einsatzluftstrom weitgehend von Wasser und Kohlendioxid befreit. Stromab des Reinigungssystems 3 wird der Einsatzluftstrom in zwei Teilströme aufgeteilt. Einer der Teilströme wird auf dem Druckniveau des Einsatzluftstroms in dem Hauptwärmetauscher 5 vollständig abgekühlt. Der andere Teilstrom wird in der Nachverdichteranordnung 4 nachverdichtet und ebenfalls in dem Hauptwärmetauscher 5 abgekühlt, jedoch nur auf ein Zwischentemperaturniveau. Dieser sogenannte Turbinenstrom wird nach der Abkühlung auf das Zwischentemperaturniveau mittels der Entspannungsturbine 6 auf das Druckniveau des vollständig abgekühlten Teilstroms entspannt, mit diesem vereinigt, und in die Druckkolonne 11 eingespeist.

In der Druckkolonne 11 werden eine sauerstoffangereicherte flüssige Sumpffraktion sowie eine stickstoffangereicherte gasförmige Kopffraktion gebildet. Die sauerstoffangereicherte flüssige Sumpffraktion wird aus der Druckkolonne 11 abgezogen, teilweise als Stoffstrom A als Heizmedium in einem Sumpfverdampfer der Reinargonkolonne 14 verwendet, und jeweils in definierten Anteilen in einen Kopfkondensator der Reinargonkolonne 14, einen Kopfkondensator der Rohargonkolonne 13 sowie, in Form eines Stoffstroms B, in die Niederdruckkolonne 12 eingespeist. In den Verdampfungsräumen der Kopfkondensatoren der Rohargonkolonne 13 und der Reinargonkolonne 14 verdampfendes Fluid wird in Form eines Stoffstroms C ebenfalls in die Niederdruckkolonne 12 überführt. Der Stoffstrom B kann abweichend auch beispielsweise unter Verwendung von Flüssigkeit gebildet werden, die aus dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators der Rohargonkolonne 13 und/oder der Reinargonkolonne 14 entnommen wird.

Zur Argongewinnung wird der Niederdruckkolonne 12 Fluid in Form eines Stoffstroms D etwas unterhalb des sogenannten Argonmaximums, an dem in der Niederdruckkolonne 12 typischerweise etwa 10% Argon erreicht werden, entnommen, wie grundsätzlich bekannt. Aus der Rohargonkolonne 13 wird hieraus gebildete, an Argon abgereicherte Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms E an einer geeigneten Position in die Niederdruckkolonne 12 zurückgespeist.

Vom Kopf der Rohargonkolonne 13 wird Gas in Form eines Stoffstroms F entnommen, in die Reinargonkolonne 14 überführt und dort unter Erhalt eines Reinargonstroms G und eines stickstoffreichen Stoffstroms H, der insbesondere an die Atmosphäre abgegeben werden kann, weiter aufbereitet. Vom Kopf der Druckkolonne 11 wird das gasförmige stickstoffreiche Kopfprodukt abgezogen, in einem Hauptkondensator, der eine wärmetauschende Verbindung zwischen der Druckkolonne 11 und der Niederdruckkolonne 12 herstellt, verflüssigt, und in Anteilen als Rücklauf auf die Druckkolonne 11 aufgegeben und in die Niederdruckkolonne 12 entspannt.

In der Niederdruckkolonne 12 werden eine sauerstoffreiche flüssige Sumpffraktion sowie eine stickstoffreiche gasförmige Kopffraktion gebildet. Erstere wird teilweise in der Pumpe 8 flüssig auf Druck gebracht, in dem Hauptwärmetauscher 5 erwärmt, und als Produkt bereitgestellt. Aus einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung am Kopf der Niederdruckkolonne 12 wird ein flüssiger stickstoffreicher Strom abgezogen und als Flüssigstickstoffprodukt aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeführt.

Ein vom Kopf der Niederdruckkolonne 12 abgezogener gasförmiger stickstoffreicher Strom wird durch den Hauptwärmetauscher 5 geführt und als Stickstoffprodukt auf dem Druck der Niederdruckkolonne 12 bereitgestellt. Aus der Niederdruckkolonne 12 wird ferner ein Strom aus einem oberen Bereich abgezogen und nach Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher 5 als sogenannter Unreinstickstoff in der Vorkühleinrichtung 2 bzw. nach einer Aufheizung mittels eines elektrischen Heizers in dem Reinigungssystem 3 verwendet.

Eine Steuereinrichtung 50 ist zum Betrieb der Luftzerlegungsanlage 100 eingerichtet und kann beliebige Steuer- und Regelfunktionen erfüllen.

In Figur 2 ist ein eine zweigeteilte Rohargonkolonne umfassendes, nicht erfindungsgemäßes Argongewinnungssystem 20" dargestellt, das beispielsweise in die Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 eingebunden sein kann. Die Einbindung ergibt sich durch die entsprechende Bezeichnung der Stoffströme A bis E, wobei hier zusätzlich ein dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators der Rohargonkolonne entnommener und in die Niederdruckkolonne 12 zurückgeführter Spülstrom S veranschaulicht ist.

Der funktional obere Teil der zweigeteilte Rohargonkolonne mit dem entsprechenden Kopfkondensator ist mit 131, der untere Teil mit 132 bezeichnet. Wie in Form der Stoffströme T angegeben, sind die beiden Teile 131 und 132 dabei unter Verwendung einer Pumpe fluidisch miteinander gekoppelt.

Die Sumpfbereiche des oberen 131 und unteren Teils 132 der zweigeteilten Rohargonkolonne stellen jeweils Flüssigkeitsspeicher dar, deren Sauerstoff- und Argonkonzentrationen auch beim Herabfließen der gesamten Flüssigkeit aus den jeweiligen Teilen 131 und 132 unterschiedlich sind.

In Figur 3 ist ein wiederum eine einteilige Rohargonkolonne 13 umfassendes, jedoch ebenfalls nicht erfindungsgemäßes Argongewinnungssystem 20"' dargestellt, das beispielsweise in die Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 eingebunden sein kann. Die Einbindung ergibt sich auch hier durch die entsprechende Bezeichnung der Stoffströme A bis E und S.

Wie auch bereits aus Figur 1 ersichtlich, ist hier lediglich der Sumpfbereich der einteiligen Rohargonkolonne 13 als Flüssigkeitsspeicher vorhanden, wodurch sich die eingangs erläuterten Probleme ergeben können.

In Figur 4 ist erneut ein eine einteilige Rohargonkolonne umfassendes, jedoch hier gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ausgebildetes Argongewinnungssystem 20 dargestellt, das beispielsweise in die Luftzerlegungsanlage 100 gemäß Figur 1 eingebunden sein kann. Der besseren Unterscheidbarkeit halber ist die Rohargonkolonne hier mit 15 bezeichnet. Die Einbindung ergibt sich auch hier durch die entsprechende Bezeichnung der Stoffströme A bis E und S.

Die Rohargonkolonne 15 gemäß Figur 4 umfasst einen oberen, mit Trenneinbauten versehenen Trennbereich 151 und einen unteren, mit Trenneinbauten versehenen Trennbereich 152, wobei der obere 151 und der untere Trennbereich 152 durch eine Flüssigkeitsstaueinrichtung 153, die in der nachfolgenden Figur 5 näher veranschaulicht ist, voneinander getrennt sind.

Hierdurch kann an der Flüssigkeitsstaueinrichtung 153 ein Teil der in der Rohargonkolonne 15 gemäß Figur 4 herabfließenden Flüssigkeit angestaut werden, so dass ein weiterer Flüssigkeitsspeicher geschaffen wird. In den Sumpfbereich der Rohargonkolonne 15 fließt beim Stillstand der Anlage lediglich Flüssigkeit aus dem unteren Trennbereich 152 herab, an der Flüssigkeitsstaueinrichtung 153 sammelt sich dagegen lediglich Flüssigkeit aus dem oberen Trennbereich 151. Auf diese Weise ergeben sich, wie erwähnt, unterschiedliche Sauerstoff- und Argonkonzentrationen, die jeweils näher am Betriebsprofil in der Rohargonkolonne 15 liegen.

Vorteilhafterweise sind der obere 151 und der untere Trennbereich 152 durch die Flüssigkeitsstaueinrichtung 153 derart voneinander getrennt, dass ein freier Gasaufstieg von dem unteren 152 in den oberen Trennbereich 152 gewährleistet ist. Dagegen wird ein Abfließen von Flüssigkeit aus dem oberen 151 in den unteren Trennbereich 152 vorteilhafterweise in Form eines Stoffstroms K vorteilhafterweise, beispielsweise mittels eines Ventils, begrenzt.

In Figur 5 ist eine Rohargonkolonne wie beispielsweise die Rohargonkolonne 15 gemäß Figur 4 und gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in einer Teildarstellung veranschaulicht. Zu den jeweiligen Bezeichnungen wird auf die Figur 4 und die dort verwendeten Bezeichnungen ausdrücklich verwiesen.

Wie in Figur 5 veranschaulicht, ist die Flüssigkeitsstaueinrichtung 153 hier in Form eines Kaminhalsbodens ausgebildet, wobei eine Höhe der Kamine 154 des Kaminhalsbodens in Kombination mit einem Kolonneninnendurchmesser der Rohargonkolonne 15 ein Stauvolumen definiert. Wie insbesondere aus Figur 5 ersichtlich, sind der obere 151 und der untere Kolonnenteil 153 in einem gemeinsamen Kolonnenmantel 155 angeordnet.

Figur 6 zeigt ein Einsäulenverfahren zur Stickstoffgewinnung durch Tieftemperatur- Luftzerlegung vom Typ Spectra gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als schematisches Anlagendiagramm. Die Luftzerlegungsanlage ist als Ganzes mit dem Label 100 versehen.

Atmosphärische Luft 1x (AIR) wird über ein Filter 2x von einem Hauptluftverdichter 3x angesaugt, wo sie auf einen Absolutdruck zwischen 6 und 20 bar, vorzugsweise etwa 9 bar, verdichtet wird. Nach dem Durchströmen eines Nachkühlers 4x (auch Vorkühlung genannt) und eines Wasserabscheiders 5x zur Abtrennung von Wasser (H20) wird die Druckluft 6x in einem Reinigungssystem 7x gereinigt, das ein Behälterpaar aufweist, das mit Adsorptionsmaterial, vorzugsweise einem Molekularsieb, gefüllt ist. Die gereinigte Luft 8x wird in einem Hauptwärmetauscher 9x bis nahe an den Taupunkt abgekühlt und teilweise verflüssigt. Ein erster Teil 11x der gekühlten Luft 10x wird über ein Drosselventil 51 in eine erste, als Einzelsäule ausgebildete Rektifikationskolonne 12x eingebracht. Die Injektion erfolgt vorzugsweise mehrere tatsächliche oder theoretische Böden oberhalb des Sumpfes.

Der Betriebsdruck der Einzelsäule 12 (oben) liegt zwischen 6 und 20 bar, vorzugsweise etwa 9 bar. Ihr Kopfkondensator 13x wird mit einem Fluidstrom 18 und einem Fluidstrom 14x gekühlt. Der Fluidstrom 18 wird von einem Zwischenpunkt abgezogen, der mehrere tatsächliche oder theoretische Böden über der Lufteinblasung liegt oder sich auf der gleichen Höhe wie diese befindet, und der Fluidstrom 14 wird aus dem Sumpf der ersten Rektifikationskolonne 12 abgezogen. Der Fluidstrom 18 kann als "auf einen zweiten Sauerstoffgehalt angereicherter Fluidstrom" und der Fluidstrom 14 als "auf einen dritten Sauerstoffgehalt angereicherter Fluidstrom" bezeichnet werden.

Gasförmiger Stickstoff 15x, 16 wird oben in der ersten Rektifikationskolonne 12x als Hauptprodukt der ersten Rektifikationskolonne 12x abgezogen, im Hauptwärmetauscher 9x auf annähernd Umgebungstemperatur erwärmt und schließlich über die Leitung 17 als Druckgasprodukt (PGAN) abgezogen. Weiterer gasförmiger Stickstoff wird durch den Kopfkondensator 13x geleitet. Ein Teil 53 des im Kopfkondensator 13x erhaltenen Kondensats 52 kann als flüssiges Stickstoffprodukt (PLIN) erhalten werden; der Rest 54 werden als Rücklauf an den Kopf der ersten Rektifikationskolonne 12x geliefert.

Der Fluidstrom 14x wird im Kopfkondensator 13x mit einem Druck zwischen 2 und 9 bar, vorzugsweise etwa 4 bar, verdampft und fließt in gasförmiger Form über eine Leitung 19 zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 9x. Er wird bei einer Zwischentemperatur in Form des Stroms 20 aus letzterem entnommen und in einer Expansionsmaschine 21, die im gezeigten Beispiel die Form eines Turboexpanders annimmt, zur arbeitsleistend auf etwa 300 mbar über atmosphärischem Druck expandiert. Die Expansionsmaschine 21 ist mechanisch an einen (kalten) Kompressor 30 und an eine Bremseinrichtung 22 gekoppelt, die im gezeigten Beispiel die Form einer Ölbremse annimmt. Der expandierte Fluidstrom 23 wird im Hauptwärmetauscher 9 auf annähernd Umgebungstemperatur erwärmt. Der warme Fluidstrom 24 wird als Fluidstrom 25 in die Atmosphäre (ATM) abgeblasen und/oder als Regeneriergas 26,

27, gegebenenfalls nach Erwärmung in der Heizvorrichtung 28, eingesetzt.

Der Fluidstrom 18 wird im oberen Kondensator 13x mit einem Druck zwischen 2 und 9 bar, vorzugsweise etwa 4 bar, verdampft und fließt in gasförmiger Form über eine Leitung 29 zum Kompressor 30, in der er auf etwa den Betriebsdruck der ersten Rektifikationskolonne 12 wieder verdichtet wird. Der wiederverdichtete Fluidstrom 31 wird im Hauptwärmetauscher 9 wieder auf Säulentemperatur abgekühlt und schließlich über die Leitung 32 wieder in den Sumpf der ersten Rektifikationskolonne 12x geleitet. Die beschriebene Behandlung der Fluidströme 14x und 18 entspricht der bereits erwähnten SPECTRA-Methode.

Ein Fluidstrom 36, der zuvor als "auf einen ersten Sauerstoffgehalt angereicherter Fluidstrom" bezeichnet wurde und im Wesentlichen frei von schweren flüchtigen Verunreinigungen ist, wird im flüssigen Zustand von einem Zwischenpunkt der ersten Rektifikationskolonne 12x abgezogen, dessen Punkt 5 bis 25 theoretische oder tatsächliche Böden über der Lufteinspeisung angeordnet ist. Gegebenenfalls wird der Flüssigkeitsstrom 36 in einem Sumpfverdampfer 37 einer zweiten Rektifikationskolonne 38, die als Reinsauerstoffsäule ausgeführt ist, unterkühlt und anschließend über eine Leitung 39 und ein Drosselventil 40 an die Oberseite der Reinsauerstoffsäule 38 abgegeben. Der Betriebsdruck der Reinsauerstoffsäule 38 (oben) liegt zwischen 1,3 und 4 bar, vorzugsweise etwa 2,5 bar.

Der Sumpfverdampfer 37 der zweiten Rektifikationskolonne 38 wird ebenfalls mit einem zweiten Teil 42 der gekühlten Speiseluft 10x betrieben. Der Zuluftstrom 42 wird dann zumindest teilweise, beispielsweise vollständig, kondensiert und strömt über eine Leitung 43 zur ersten Rektifikationskolonne 12x, wo er ungefähr auf Höhe der Einblasung der restlichen Einsatzluft 11x oder in den Säulensumpf eingebracht wird.

Reiner Sauerstoff wird als kryogene Flüssigkeit 41 aus dem Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne 38 entnommen, gegebenenfalls mittels einer Pumpe 55 auf einen erhöhten Druck zwischen 2 und 100 bar, vorzugsweise etwa 12 bar, angehoben und in eine Tankanordnung 70 eingebracht. Nach Zwischenlagerung in der Tankanordnung 70 wird die kryogene Flüssigkeit über eine Leitung 56 an das kalte Ende des Hauptwärmetauschers 9x geleitet, wo sie bei erhöhtem Druck verdampft und auf annähernd Umgebungstemperatur erwärmt wird und schließlich über die Leitung 57 als gasförmiges Produkt (GOX-IC) gewonnen wird.

Ein Kopfgas 58 der zweiten Rektifikationskolonne 38 wird in den zuvor erwähnten erweiterten zweiten Fluidstrom 23 eingemischt (vgl. Anschluss A). Gegebenenfalls wird ein Teil der Zuluft über eine Bypassleitung 59 zum Einlass des Kältekompressors 30 geleitet, Pumpbetrieb zu verhindern (sogenanntes Surge Control).

Bei Bedarf ist es möglich, aus der Luftzerlegungsanlage 100, vor und/oder nach der Pumpe 55, flüssigen Sauerstoff als flüssige Fraktion (in der Zeichnung mit LOX gekennzeichnet) zu entnehmen. Zusätzlich kann eine externe Flüssigkeit, beispielsweise flüssiges Argon, flüssiger Stickstoff oder flüssiger Sauerstoff, ebenfalls aus einem Flüssigkeitstank, im Hauptwärmetauscher 9x im indirekten Wärmeaustausch mit der Speiseluft verdampft werden (nicht in der Zeichnung dargestellt). enthält die Einzelsäule 12x eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsstaueinrichtung, die in diesem Beispiel durch ein Flüssigkeitsreservoir 601 und eine regelbare Leitung K gebildet wird. Oberhalb der Flüssigkeitsstaueinrichtung 153 befindet sich ein üblicher Flüssigkeitssammler (nicht dargestellt), der aus dem oberen Trennbereich 151 ablaufende Flüssigkeit sammelt und mindestens teilweise in das Reservoir 601 einleitet, welches ein vergleichsweise hohes Stauvolumen gemäß der Erfindung aufweist. Unterhalb der Flüssigkeitsstaueinrichtung ist ein üblicher Flüssigkeitsverteiler angeordnet (nicht dargestellt), der die Flüssigkeit aus der Leitung K wieder auf den Kolonnenquerschnitt verteilt.

Im Stillstand wird das Ventil K geschlossen und Flüssigkeit aus dem oberen Trennabschnitt im Raum 601 aufgestaut. Beim Wiederanfahren der Kolonne, kann dann gezielt das Herablaufen der Flüssigkeit geregelt werden und so das ursprüngliche Konzentrationsprofil schneller wieder aufgebaut werden. Im normalen Betrieb, kann die Menge der herablaufenden Flüssigkeit über das Ventil geregelt werden und so das Ändern von Fahrweisen schneller vollzogen werden. Da das Ventil einen Mindestdruckverlustaufweisen muss, um regelbar zu sein, ist eine Mindeststauhöhe (statischer Druck) zu berücksichtigen.