Luftzerleαunαsanlaαe und Verfahren zur Tleftemperaturzerleαunα von Luft

Die Erfindung betrifft eine Luftzerlegungsanlage mit einer Zufuhrleltung, die über einen Luftverdichter und eine Reinigungsanlage und durch einen Hauptwärmetauscher in ein Destilliersystem führt, das mindestens eine Rektifiziersäule aufweist, und mit Produktleitungen, die von dem Destillier¬ system zu dem Hauptwärmetauscher führen, wobei mindestens ein Teilbereich mindestens einer Rektifiziersäule eine geordnete Packung enthält, sowie ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft-

Ähnliche Luftzerlegungsanlagen und mit ihnen verbundene Verfahren sind in vielfacher Variation bekannt. Beispielsweise zeigt die EP-A-0241 817 einen Einsäulen-Luftzerleger, die EP-A-0316768 eine Doppelsäulen-Anlage oder die EP-A-0377 117 einen Luftzerleger mit angeschlossener Argongewinnung. Aus der letztgenannten Veröffentlichung ist außerdem bekannt, eine der Rektifi¬ ziersäulen des Luftzerlegers, die Rohargonsäule, mit einer geordneten Packung auszustatten.

Eine Luftzerlegungsanlage mit einer geordneten Packung wird auch in der EP-A-0321 163 beschrieben. Hier enthält mindestens ein Teilbereich der Niederdrucksäule eines zweistufigen Luftzerlegers eine Packung. Durch den gegenüber ausschließlich mit konventionellen Rektifizierböden ausgestatteten Kolonnen verringerten Druckabfall kann das Verfahren bei gleichen Produkt¬ spezifikationen 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 der eingangs genannten Art anzugeben, das wirtschaftlich günstiger als die vorgenannten Prozesse ist, insbesondere durch relativ geringe Anlagekosten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die in einem Teilbereich einer Rektifϊziersäule enthaltene Packung aus parallel zueinander angeordneten gefalteten Lamellen besteht, die aus einem folienartigen Material herge¬ stellt sind und Öffnungen aufweisen, wobei sich jeweils benachbarte Lamellen berühren, und daß die Lamellen zwischen zwei Falzen im wesentlichen glatte Oberflächen aufweisen.

Der Begriff "glatt" läßt - abgesehen von der Faltung - keine Rauhigkeiten auf der Lamellenoberfläche zu. In der Praxis bedeutet dies den Ausschluß von Erhebungen und Einprägungen, die nennenswerten Einfluß auf die Strömung der auf der Oberfläche der Lamellen fließenden Flüssigkeit (hier flüssige Luft bzw. irgendein verflüssigtes Gemisch aus Luftbestandtei en) ausüben. Insbesondere ist keine Oberflächenstruktur in Form einer Riffelung oder Prägung vorgesehen, deren Prägetiefe die Foliendicke wesentlich übersteigt. Vorzugsweise sollen allenfalls Unebenheiten zugelassen sein, deren Auslen¬ kungen geringer als die Foliendicke, höchst vorzugsweise klein gegen die der Foliendicke sind. Die Dicke der Folie, aus der die Lamellen hergestellt sind, beträgt im allgemeinen weniger als 1 mm, vorzugsweise etwa 0,1 bis 0,2 mm.

Kleinere rauhe Teilbereiche, die auf die Stoffaustauschwirkung keinen wesentlichen Einfluß ausüben, dürfen auch bei der in der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage eingesetzten glatten Packung vorkommen. Sie können beispielsweise fertigungstechnisch begründet sein.

Die glatte Eigenschaft der Oberflächen der Lamellen wird in der hier verwendeten Bedeutung nicht durch die Öffnungen beeinträchtigt, welche die Lamellen aufweisen. Diese Öffnungen können beispielsweise aus Löchern, Spalten oder Schlitzen bestehen und homogen oder inhomogen über die Lamellenoberflache verteilt sein. Das Öffnungsverhältnis beträgt beispiels¬ weise 5 bis 40%, vorzugsweise etwa 15 bis 20%.

Die spezifische Oberfläche der in dem erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage eingesetzten Packung beträgt in der Regel 350 bis 750 m /m . In bestimmten Anwendungsfällen kann es auch vorteilhaft sein, höhere spezifi-

2 3 sehe Oberflächen einzusetzen, bis zu 1200 m / oder noch höher. Hierbei läßt sich die Erfindung besonders günstig auf ein Verfahren und eine

Vorrichtung gemäß der prioritätsgleichen deutschen Patentanmeldung

P 4224068.9 beziehungsweise gemäß der dazu korrespondierenden internationalen Patentanmeldung PCT/EP (Internes Aktenzeichen

H 92/30-WO) anwenden, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Die

Falze der Lamellen können durch relativ scharfe Kanten (Zick-Zack-Faltung) oder auch durch weniger scharfe Kanten (Wellenform) gebildet sein. Auch andere Varianten der Faltung sind möglich.

Aus vielen Veröffentlichungen, die sich allgemein mit geordneten Packungen aus Lamellen befassen, sind geordnete Packungen bekannt, die in Teilmerkma¬ len der bei der Erfindung verwendeten Packung ähneln. So sind - für andere Einsatzzwecke, beispielsweise 1n der Kohlenwasserstofftrennung - aus gefalteten perforierten Metallfollen aufgebaute Stoffaustausche!emente bekannt. In früheren Veröffentlichungen, in denen auf die Oberflächenstruktur der Lamellen eingegangen wird (z.B. DE-C-27 22 424 oder DE-B-2722 556) wird jedoch eine Feinstruktur (Riffelung) der Lamellenoberfläche als besonders wichtig für die Verteilung von Flüssigkeit auf der Lamellenoberfläche dargestellt.

Seit einiger Zeit hat man begonnen, in der Tieftemperaturtechnik, insbeson¬ dere der Luftzerlegung diese Packungen einzusetzen, die bisher hauptsächlich für andere Trennaufgaben verwendet wurden. Die bekannten Packungen wurden dabei ohne Modifizierung für die Luftzerlegung übernommen. In der EP-A-0321 163 wird sogar die Auffassung vertreten, auf die spezielle Ausgestaltung der Packung käme es überhaupt nicht an.

Im Zusammenhang mit der Erfindung wurde nun eine speziell für die Luftzerle¬ gung geeignete Packung entwickelt. 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 allgemeine Lehre von der VerteilWirkung einer Feinriffelung versagt. Wider Erwarten zeigt eine glatte, perforierte Packung keine schlechtere Trennwirkung als eine geriffelte Packung mit ansonsten gleichen Eigenschaften; noch überraschender ist jedoch, daß die Trennwirkung der Packung sogar ansteigt.

Neben geringeren Herstellungskoston gegenüber geriffelten Packungen und damit einer Senkung der Kosten der gesamten Luftzerlegungsanlage ergeben sich also zusätzliche Vorteile entweder durch eine verminderte Höhe der gepackten Rektifiziersäule(n) oder - bei gleicher Höhe - durch verbesserte Produktreinheiten und/oder -ausbeuten.

Vorzugsweise sind die Lamellen der Packung aus Metallblech hergestellt. Dieses besteht in einer ersten bevorzugten Variante 1m wesentlichen aus Aluminium, beispielweise aus einer Aluminiumlegierung oder auch aus im wesentlichen reinem Aluminium. Zusätzlich oder alternativ zum Aluminium kann das für die Herstellung der Lamellen verwendete Metallblech Kupfer in einer Legierung enthalten. In einer zweiten Variante kann es überwiegend aus Kupfer bestehen.

Allgemein kann die bei der Erfindung eingesetzte Packung oder auch andere Packungen, die bei Verfahren mit hohen Sauerstoffkonzentrationen eingesetzt werden, auch aus Kunststoff, beispielsweise PTFE, hergestellt sein. Wegen ihrer niedrigen Entflammbarkeit kommen außerdem keramische oder glasartige Materialien, beispielsweise Nichtmetalloxide oder Gemische aus Metalloxiden und Nichtmetalloxiden, oder auch damit beschichtete Materialien für die Herstellung einer derartigen Packung in Frage.

Es ist günstig, wenn das Destilliersystem der erfindungsgemäßen Luftzerle gungsanlage eine Doppelsäule aufweist, die aus einer Drucksäule und eine Niederdrucksäule besteht. In diesem Fall sollte gemäß einer bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage ein mit Packunge ausgestatteter Teilbereich in der Niederdrucksäule angeordnet sein, insbesondere der oder einer der Teilbereiche, deren Packung glatte Oberflä chen aufweist.

Die Vorteile der Erfindung kommen besonders dann zum Tragen, wenn das Destilliersystem eine Rohargonsäule aufweist. In der Regel ist die Rohargon¬ säule über mindestens eine Argonübergangsleitung mit der Niederdrucksäule einer zweistufigen Säule verbunden, grundsätzlich ist jedoch auch der Anschluß einer Rohargonsäule an eine Einzelsäule zur Stickstoff-Sauer¬ stoff-Trennung möglich.

Bei dieser Variante einer erfindungsgemaßen Luftzerlegungsanlage ist es günstig, wenn mindestens ein mit Packungen ausgestatteter Teilbereich in der Rohargonsäule angeordnet oder die Rohargonsäule sogar zum überwiegenden Teil mit Packungen ausgestattet ist. Vorzugsweise wird dabei mindestens teilweise die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebene glatte Packung eingesetzt.

Im Falle eines Doppelsäulen-Luftzerlegers kann auch mindestens ein mit Packungen ausgestatteter Teilbereich in der Drucksäule angeordnet sein. Vorzugsweise kommt auch oder ausschließlich hier die glatte Packung zum Einsatz.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 13 bis 23, nach dem die oben beschrie¬ bene Luftzerlegungsanlage betrieben wird.

Im folgenden werden die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist. Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung und das Verfahren, nach dem sie betrieben wird, weisen zwei Rektifizierstufen auf; die Erfindung ist jedoch auch auf einstufige Luftzerlegungsverfahren anwendbar, ebenso auf Verfahren mit mehr als zwei Stufen. Ausdrücklich verwiesen wird auf die konkreten Beispiele, die in der deutschen Patentanmeldung P 4224068.9 beziehungsweise in der dazu korrespondierenden internationalen Patentanmeldung PCT/EP (internes Aktenzeichen

H 92/30-W0) mit gleichem Zeitrang beschrieben sind. Es zeigen im einzelnen:

Figur 1 eine Doppelsäulen-Luftzerlegungsanlage und Figur 2 ein glatte Packung, wie sie gemäß der Erfindung in einer der Luftzerlegersäulen eingesetzt wird.

Bei der in dem Schema von Figur 1 dargestellten Anlage wird gereinigte Luft 1 unter einem Druck von 4 bis 20 bar, vorzugsweise 5 bis 12 bar in einem Wärmetauscher 2 gegen Produktstrδme auf etwa Taupunkt abgekühlt und in die Drucksäule 3 einer zweistufigen Rektifiziereinrichtung eingespeist. Die Drucksäule 3 steht über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer 4 in 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 5 eingedros¬ selt. Aus der Niederdrucksäule werden Sauerstoff 9, Stickstoff 10 und unreiner Stickstoff 11 entnommen. Die Produkte können auch mindestens teilweise flüssig entnommen werden. Dies ist der Übersichtlichkeit halber in 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 Unreinstickstoffleitung 11 und Sumpfflüssigkeitsleitung 6) E Sauerstoff-Abschnitt (unterhalb der Mündung der Sumpfflüssigkeitsleitung

Jeder dieser Abschnitte kann teilweise oder vollständig erfindungsgemäß mi einer glatten Packung ausgestattet sein. Einzelne Abschnitte können auch andere Packungselemente, Rektifizierböden oder Kombinationen von Böden und Packungen aufweisen.

Alternativ oder ergänzend kann der Stoffaustausch in der Drucksäule 3 teilweise oder vollständig durch die glatte Packung bewirkt werden.

Die in Anspruch 1 beschriebene Packung kann auch in weiteren Säulen der Luftzerlegungsanlagen, beispielsweise in einer Kolonne zur Argongewinnung eingesetzt werden.

In Figur 2 ist ein Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel einer glatten Packung gezeigt, wie sie in der erfindungsgemaßen Luftzerlegungsanlage zum Einsatz kommen kann. Es sind drei Schichten dargestellt. Zur Verdeutlichung der räumlichen Struktur sind Schatten als Schraffuren angedeutet. Die Schraffuren bedeuten keine Riffelung oder ähnliche Feinstruktur.

Die gefalteten Lamellen 101, 102, 103 sind vorzugsweise so angeordnet, daß die Falze (z.B. 104, 105 ⁾ schräg zur Kolonnenachse (Vertikalen) verlaufen. Die jeweils übernächsten Lamellen 101, 103 weisen dieselbe Orientierung auf. Die dazwischenliegende Lamelle 102 ist so ausgerichtet, daß ihre Falze in Winkel - vorzugsweise senkrecht - zu denjenigen der benachbarten Lamellen verläuft.

Die Oberfläche der Lamellen zwischen zwei Falzen (z.B. zwischen 104 und 105) ist glatt. Es werden also keine Riffelungen oder Prägungen aufgebracht. Allenfalls aufgrund der Einbringungen von Öffnungen (Löcher 106) oder aufgrund anderer Ursachen beispielsweise fertigungstechnischer Art können die Lamellen 101, 102, 104 noch Unebenheiten aufweisen, die jedoch keinen wesentlichen Einfluß auf die Flüssigkeitsströmung ausüben.