Verfahren und Anlage zur Durchführung eines Industrieprozesses

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Industrieprozesses und eine entsprechende Anlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Für unterschiedliche Zwecke, beispielsweise die Halbleiterindustrie, wird Reinargon benötigt. Reinargon wird insbesondere zur Bereitstellung inerten Gasatmosphären eingesetzt, und zwar insbesondere in Fällen, in denen sich Stickstoff als noch zu reaktiv erweist. Beispielsweise kann Stickstoff bei Sputterverfahren zur unerwünschten Bildung von Metallnitriden führen. Die vorliegende Erfindung ist durch die spezifische Verwendung des Argons nicht beschränkt, sondern kann in einer Vielzahl von industriellen Prozessen, beispielsweise auch im Bereich der Schmelzmetallurgie oder als Inert- oder Spülgas zur Wärmebehandlung, zum Einsatz kommen.

Bei dem Reinargon handelt es sich insbesondere um sogenanntes Argon 6.0 mit einer Reinheit von zumindest 99,9999 %. Solches Reinargon enthält als Nebenbestandteile typischerweise jeweils weniger als 0,5 ppm Stickstoff, 0,5 ppm Sauerstoff, 0,5 ppm Wasser, 0,1 ppm Kohlenwasserstoffe, 0,1 ppm Kohlenmonoxid, 0,1 ppm Kohlendioxid und 0,5 ppm Wasserstoff. Ist nachfolgend allgemein von "Argon" die Rede, umfasst dies neben Reinargon auch Gemische, die reich an Argon sind, aber auch entsprechende Nebenkomponenten aufweisen, solange der Gehalt an Argon bei mehr als 50%, 75%, 80%, 90%, 95%, 99%, 99,9%, 99,99%, 99,999% liegt. Alle Prozentangaben bezeichnen hier insbesondere Molprozent bzw. Volumenprozent.

Argon kann als Luftprodukt in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Luftzerlegungsanlage und anschließende Aufreinigung hergestellt werden, wie beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben. Die Herstellung kann vor Ort, d.h. am Ort des Verbrauchs, beispielsweise in einem Halbleiterwerk, erfolgen, oder es kann ein Transport in geeigneter Form zum Ort des Verbrauchs erfolgen.

Typischerweise wird das Argon bei einer entsprechenden Verwendung verunreinigt und wird daher anschließend typischerweise an die Atmosphäre abgegeben. Dies ist insbesondere in Fällen einer Argonknappheit am Markt unbefriedigend. Daher schlägt die DE 10 2018006 002 B3 ein Verfahren zum Wiederverwerten von Argon aus einem industriellen Prozess vor, bei dem das zuvor in dem industriellen Prozess eingesetzte Argon unter Einsatz einer Tieftemperaturtrennung aufbereitet wird. Eine weitere Ausgestaltung eines entsprechenden Verfahrens offenbart die US 5,706,674 A.

Die FR 1 478 995 A betrifft die Trennung von Komponenten eines Gasgemisches wie Luft durch Rektifikation und insbesondere ein Verfahren zur Trennung von Stickstoff und Sauerstoff in einer einzigen Rektifikationssäule, deren Kältemittel zum Teil aus verdichteter verflüssigter Luft besteht.

Aus der EP 0 761 596 A1 ist ein Verfahren zur Rückgewinnung und Reinigung von Argon bekannt, bei dem der Energieverbrauch aufgrund einfacher Schritte gering sein soll. Dieses Verfahren umfasst: einen ersten Schritt des Umsetzens von verunreinigtem Argongas mit Wasserstoffgas, so dass in dem verunreinigten Argongas enthaltener Sauerstoff in Wasser umgewandelt wird, wodurch Sauerstoff im Wesentlichen aus dem verunreinigten Argongas entfernt wird; einen zweiten Schritt des Einführens des verunreinigten Argongases in eine Adsorptionseinrichtung, wobei die Adsorptionseinrichtung veranlasst wird, Wasser und Kohlendioxid, die in dem verunreinigten Argongas enthalten sind, zu adsorbieren, wodurch das Wasser und das Kohlendioxid im Wesentlichen aus dem verunreinigten Argongas entfernt werden; und einen dritten Schritt, bei dem das unreine Argongas einer Verflüssigung bei niedriger Temperatur unterzogen wird und das verflüssigte Argon in eine Rektifizierungseinrichtung eingeleitet wird, wobei die Rektifizierungseinrichtung veranlasst wird, Verunreinigungskomponenten mit niedrigem Siedepunkt und Verunreinigungskomponenten mit hohem Siedepunkt, die in dem unreinen Argongas enthalten sind, durch Reinigung und Trennung zu entfernen, wodurch reines Argongas erhalten wird, das im Wesentlichen aus Argon besteht. Bei einem Verfahren zur Reinigung von Sauerstoff geringer Reinheit aus einer adsorptiven Luftzerlegungsanlage wird gemäß der FR 3 020 668 A3 ein Strom, der mindestens 93 Mol-% Sauerstoff enthält, aus einer adsorptiven Luftzerlegungsanlage einer Reinigungsvorrichtung zugeführt, die einen Wärmetauscher und eine kryogene Destillationskolonne umfasst, und der Strom wird im Wärmetauscher abgekühlt und in der kryogenen Destillationskolonne getrennt.

Die Verwendung und das Recycling von Argon in der Halbleiterindustrie wird auch in dem Beitrag "The recovery and recycling of high purity argon in the semiconductor industry", AICHE National Meeting, 6. März 1988, Seiten 1 bis 19, diskutiert.

Die vorliegende Erfindung stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, die Aufbereitung von Argon aus entsprechenden Industrieprozessen zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Durchführung eines Industrieprozesses und eine entsprechende Anlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei das Verfahren und seine Ausgestaltungen betreffende Erläuterungen für eine entsprechende Anlage und ihre Ausgestaltungen in gleicher Weise gelten.

Nachfolgend werden zunächst einige bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile verwendete Begriffe sowie der zugrunde liegende technische Hintergrund näher erläutert.

Als "Kondensatorverdampfer" wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensatorverdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf. Verflüssigungs- und Verdampfungsraum weisen Verflüssigungs- bzw. Verdampfungspassagen auf. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Der Verdampfungs- und der Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.

Insbesondere der eine Hochdruckkolonne und eine Niederdruckkolonne einer Luftzerlegungsanlage wärmetauschend verbindende sogenannte Hauptkondensator ist als Kondensatorverdampfer ausgebildet. Der Hauptkondensator kann insbesondere als ein- oder mehrstöckiger Badverdampfer, insbesondere als Kaskadenverdampfer (wie beispielsweise in der EP 1 287302 B1 beschrieben), oder aber als Fallfilmverdampfer ausgebildet sein. Der Hauptkondensator kann durch einen einzigen Wärmetauscherblock oder durch mehrere Wärmetauscherblöcke, die in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sind, gebildet werden. Entsprechende Kondensatorverdampfer können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, insbesondere als Kopfkondensatoren.

In einem "Forced-Flow"- oder Zwangsführungs-Kondensatorverdampfer, wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere als Kopfkondensator zum Einsatz kommen kann, wird ein Flüssigkeits- oder Zweiphasenstrom mittels seines eigenen Drucks durch den Verdampfungsraum gedrückt und dort partiell verdampft. Dieser Druck wird beispielsweise durch eine Flüssigkeitssäule in der Zuleitung zum Verdampfungsraum (die Höhe dieser Flüssigkeitssäule entspricht dabei dem Druckverlust im Verdampfungsraum) oder durch Abdrosseln des Flüssigstromes auf ein niedrigeres Druckniveau erzeugt. Es erfolgt, mit anderen Worten, in einem solchen Kondensatorverdampfer keine Rückspeisung einer zu verdampfenden Flüssigkeit, wobei diese Flüssigkeit durch Verdampfungspassagen des Kondensatorverdampfers durch den Thermosiphoneffekt durch die Verdampfungspassagen aufsteigt, wie bei einem Badverdampfer, sondern die zur verdampfende Flüssigkeit wird durch Passagen des Kondensatorverdampfers zwangsgeführt. Das aus dem Verdampfungsraum austretende Gas wird direkt zum nächsten Verfahrensschritt bzw. zu einer stromabwärtigen Vorrichtung weitergeleitet.

Der mechanische Aufbau von Schraubenverdichtern , wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Verdichtung eingesetzt werden können, ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt.. Flüssigkeiten und Gase können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder an mehreren Komponenten sein, wobei "reich" für einen Gehalt von wenigstens 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff "überwiegend" kann der Definition von "reich" entsprechen. Flüssigkeiten und Gase können ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen Gehalt in einer Ausgangsflüssigkeit oder einem Ausgangsgas beziehen, aus der oder dem die Flüssigkeit oder das Gas gewonnen wurde. Die Flüssigkeit oder das Gas ist "angereichert", wenn diese oder dieses zumindest den 1 ,1 -fachen, 1 ,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, und "abgereichert", wenn diese oder dieses höchstens den 0,9-fachen, 0,5- fachen, 0,1 -fachen, 0,01 -fachen oder 0,001 -fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf die Ausgangsflüssigkeit oder das Ausgangsgas enthält. Ist hier beispielsweise von "Sauerstoff" oder "Stickstoff" die Rede, sei hierunter auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, der reich an Sauerstoff oder Stickstoff ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss.

Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5%oder 10% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei dem hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.

Vorteile der Erfindung

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Durchführung eines Industrieprozesses wird aus einem Prozessschritt der zuvor erläuterten Art Unreinargon ausgeführt und das Unreinargon oder ein Teil hiervon wird unter Erhalt von Reinargon einer Aufbereitung unterworfen. Das Reinargon oder ein Teil hiervon wird schließlich dem Prozessschritt wieder zugeführt, wobei die Aufbereitung eine Verdichtung, einen Wärmetausch und eine Rektifikation in einer Rektifikationskolonne umfasst, die einen Sumpfverdampfer und einen Kopfkondensator aufweist. Wie nachfolgend erläutert, wird das Reinargon als Sumpfprodukt der Rektifikationskolonne erhalten, wobei in der Rektifikationskolonne zur Gewinnung des Reinargons leichterflüchtige Komponenten, insbesondere aber nicht schwerer flüchtige Komponenten, aus dem Unreinargon abgetrennt werden. Die Rektifikationskolonne ist dabei insbesondere eine einzelne Rektifikationskolonne, die nicht seriell mit weiteren Rektifikationskolonnen gekoppelt ist, wobei unter einer "seriellen Kopplung" verstanden werden soll, dass ein Fluid, das durch eine Trennung in einer ersten Rektifikationskolonne erhalten wird, in eine weitere Rektifikationskolonne eingespeist wird. Durch die Verwendung einer einzelnen Rektifikationskolonne unterscheidet sich das vorliegende Verfahren von dem in der US 5,706,674 A offenbarten.

Das Unreinargon kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung generell sauerstofffreies oder im Wesentlichen sauerstofffreies Unreinargon, aber auch in gewissem Umfang Sauerstoff enthaltendes Unreinargon sein. In letzterem Fall kann eine katalytische Umsetzung des Sauerstoffs mit Wasserstoff zu Wasser vorgenommen werden, wobei das Wasser anschließend aus dem Unreinargon ausgeschieden wird.

Das aus dem Prozessschritt ausgeführte Unreinargon oder ein Teil hiervon wird der Verdichtung, unter Abkühlung dem Wärmetausch mit anderen, unten erläuterten Stoffströmen, und unter Erhalt eines Unreinargonkondensats einer zumindest teilweisen Kondensation in dem Sumpfverdampfer unterworfen. Das Unreinargonkondensat wird zu einem ersten Teil in kondensierter Form in die Rektifikationskolonne eingespeist und ein zu einem zweiten Teil einer Verdampfung in dem Kopfkondensator unterworfen. Der verdampfte zweite Anteil des Unreinargonkondensats oder ein Teil hiervon wird als Kreislaufstrom der Rektifikation wieder zugeführt. Die Verwendung des Kreislaufstroms ermöglicht im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine deutliche Verringerung der erzielbaren Restgehalte an Kohlenmonoxid. Die Rückführung in die Rektifikationskolonne verringert insbesondere das Flüssigkeits-/Dampf-Verhältnis in der Rektifikationskolonne. Die vorliegende Erfindung schlägt nun vor, dass der Kreislaufstrom zumindest einem Teil der Verdichtung zusammen mit dem aus dem Prozessschritt ausgeführten Unreinargon oder dem der Verdichtung unterworfenen Teil hiervon unterworfen wird. Wie auch nachfolgend erläutert, kann dabei eine Vereinigung mit dem Unreinargon aus dem Prozessschritt stromauf oder in dem Verdichter, der in dieser Verdichtung eingesetzt wird, erfolgen, letzteres beispielsweise durch Zuspeisen zwischen unterschiedlichen Verdichterstufen eines mehrstufigen Verdichters oder eines Schraubenverdichters. In jedem Fall ermöglicht die vorliegende Erfindung den Verzicht auf einen separaten Verdichter und schafft damit ein wartungsärmeres und kostengünstigeres Verfahren.

Wie erwähnt, kann das im Rahmen der vorliegenden Erfindung Unreinargon, Sauerstoff enthalten. In diesem Fall kann das Unreinargon einer katalytischen Umsetzung zumindest eines Teils des Sauerstoffs mit Wasserstoff zu Wasser grundsätzlich bekannter Art (sog. "DeOxo") und anschließend zumindest zum Teil der Aufbereitung unterworfen werden. Das Wasser kann je nach Kühlwassertemperatur bei Bedarf zumindest zum Teil, insbesondere durch Auskondensieren, abgetrennt werden, wobei ein dabei verbleibender Rest des Unreinargons zumindest zum Teil der Aufbereitung unterworfen werden kann. Dieser verbleibende Rest kann, wie auch beispielsweise sauerstofffreies oder im Wesentlichen sauerstofffreies Unreinargon, bei dem keine katalytische Umsetzung des Sauerstoffs vorgenommen wird, vor der eigentlichen Aufbereitung einem adsorptiven Verfahren zur Entfernung von unerwünschten und in der Aufbereitung störenden Komponenten (vor allem CO2) unterworfen werden, insbesondere einer Temperaturwechseladsorption unter Verwendung von Molsieb. Hierbei können neben Kohlendioxid nicht abgeschiedene Restwassermengen entfernt werden. Wird nach der katalytischen Umsetzung keine separate Wasserabtrennung, beispielsweise durch Kondensation, vorgenommen, kann auch das gesamte, bei der katalytischen Umsetzung erhaltene Gemisch dem adsorptiven Verfahren unterworfen werden.

Falls eine katalytische Umsetzung von Sauerstoff mit Wasserstoff zu Wasser vorgenommen wird, kann diese, bei ausreichendem Wasserstoffgehalt des Unreinargons, ohne externe Wasserstoffzugabe erfolgen. Falls der Wasserstoffgehalt nicht ausreichend ist, kann externer Wasserstoff zugegeben werden. Bei relativ geringen Gehalten von Sauerstoff, beispielsweise in dem erwähnten Bereich, muss für die katalytische Umsetzung erforderliche Wärme (die Reaktion läuft bei ca. 300 bis 400 °C ab) extra zuführen. Das kann u.U. durch einen Verzicht auf eine Nachkühlung stromab der Verdichtung des Unreinargons (und des Kreislaufstroms) erfolgen, da das aus einem entsprechenden (Schrauben-)Verdichter austretende Gas bereits ausreichend heiß ist. Mit anderen Worten können zu diesem Zweck das Unreinargon (und der Kreislaufstrom) auf einem Temperaturniveau, auf dem sie der Verdichtung entnommen werden, der katalytischen Umsetzung unterworfen werden.

Erfindungsgemäß wird das Reinargon unter Verwendung eines in der Rektifikation gebildeten Sumpfprodukts bereitgestellt, wobei das in der Rektifikation gebildete Sumpfprodukt oder ein Teil hiervon unter Erwärmung dem Wärmetausch mit dem zuvor erläuterten eingespeisten Unreinargon und insbesondere auch dem damit vereinigten Kreislaufstrom unterworfen wird. Das in der Rektifikation gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der unter Erwärmung dem Wärmetausch unterworfen wird, wird nach der Entnahme und vor der Erwärmung dabei erfindungsgemäß einer Verdampfung in dem Kopfkondensator unterworfen werden. In dem Wärmetauscherblock kann auch die Verdampfung des als Kreislaufstroms verwendeten, kondensierten Unreinargons erfolgen.

Das in der Rektifikation gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der unter Erwärmung dem Wärmetausch unterworfen wird, kann nach der Entnahme aus der Rektifikationskolonne und vor der Verdampfung in dem Kopfkondensator insbesondere auf ein Druckniveau gedrosselt werden, das auf Grundlage einer Zieltemperatur (des Sumpfprodukts bzw. des genannten Anteils) nach der Verdampfung in dem Kopfkondensator eingestellt wird. Diese Ausgestaltung dient insbesondere zur Druckhaltung in der Rektifikationskolonne, und zwar durch eine entsprechende Einstellung der Überhitzung des (im Kopfkondensator zu verdampfenden) Argonprodukts am Austritt des Kopfkondensators. Der Druck wird dabei insbesondere mittels einer entsprechenden TIC-Regelung (die ein entsprechendes Ventil einstellt und die Temperatur des verdampften Fluids erfasst). Der Druck in der Kolonne ergibt sich je nach der gewählten Temperaturdifferenz für die jeweilige Ausgestaltung des Kopfkondensators. Ferner kann vor und nach der Verdampfung in dem Kopfkondensator ein Wärmetausch vorgenommen werden. Mit anderen Worten kann ein dem Kopfkondensator zugeführter, kondensierter Stoffstrom dabei in einem entsprechenden Wärmetauscher (Unterkühler) einem Wärmetausch mit einem aus dem Kopfkondensator abgezogenen, verdampften Stoffstrom unterworfen werden, es erfolgt also ein Wärmetausch desselben Fluids "mit sich selbst".

Der Kopfkondensator kann als Badverdampfer ausgebildet sein, wobei das in der Rektifikation gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der der Verdampfung in dem Kopfkondensator unterworfen wird, in ein Flüssigkeitsbad des Kopfkondensators eingespeist wird. Die Verdampfung erfolgt in diesem Fall in einem Flüssigkeitsbad, in dem ein Wärmetauscherblock zumindest teilweise untergetaucht angeordnet ist. Der Kopfkondensator kann in einer anderen Ausgestaltung aber auch als Zwangsführungs- Kondensatorverdampfer ausgebildet sein, wobei das in der Rektifikation gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der der Verdampfung in dem Kopfkondensator unterworfen wird, ohne Einspeisung in ein Flüssigkeitsbad durch Passagen des Kopfkondensators zwangsgeführt wird.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein in der Rektifikation gebildetes Kopfgas insbesondere in dem Kopfkondensator kondensiert und danach zu einem ersten Anteil als Rücklauf in die Rektifikation zurückgeführt und zu einem zweiten Anteil unter Erwärmung dem Wärmetausch unterworfen und aus dem Verfahren (als Restgas) ausgeführt werden. Die Kondensation in dem Kopfkondensator kann dabei insbesondere ebenfalls in entsprechenden (separaten) Passagen des erwähnten, beispielsweise als Zwangsführungs-Kondensatorverdampfer ausgeführten Wärmetauscherblocks erfolgen.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die mehrfach erwähnte Aufbereitung insbesondere eine adsorptive Reinigung zur Entfernung von Feuchtigkeit und Kohlendioxid , insbesondere eine Temperaturwechseladsorption, umfassen, wobei der zweite Anteil des in der Rektifikation gebildeten Kopfgases, das unter Erwärmung dem Wärmetausch unterworfen und aus dem Verfahren ausgeführt wird, nach der Erwärmung und vor seiner Ausführung aus dem Verfahren, zu einem Teil oder vollständig als Regeneriergas in der adsorptiven Reinigung verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang kann auch eine Erwärmung erfolgen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann, wie erwähnt, der Kreislaufstrom stromauf der Verdichtung oder in der Verdichtung mit dem aus dem Prozessschritt ausgeführten Unreinargon oder dem der Verdichtung unterworfenen Teil hiervon vereinigt werden. In ersterem Fall kann dieser Kreislaufstrom dabei insbesondere auf einen Eingangsdruck des verwendeten Verdichters gedrosselt werden, in letzterem Fall, der insbesondere die Zuspeisung zwischen unterschiedlichen Verdichterstufen oder über eine Zwischeneinspeisung bei einem Schraubenverdichter umfassen kann, kann auf eine entsprechende Drosselung verzichtet werden.

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte Rektifikationskolonne weist insbesondere zwei übereinander angeordnete Trennabschnitte auf, wobei der erste Teil des Unreinargonkondensats, der kondensiert in die Rektifikationskolonne eingespeist wird, zwischen den Trennabschnitten in die Rektifikationskolonne eingespeist wird.

Als besonders vorteilhaft hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung herausgestellt, wenn der Rückführstrom in einer Menge gebildet wird, die bei 25 bis 75% einer Menge des aus dem Prozessschritt ausgeführten Unreinargons oder dessen der Verdichtung unterworfenen Teils hiervon liegt. Die Menge kann beispielsweise auch 40 bis 60% oder ca. 50% betragen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Verdichtung auf ein Druckniveau von 4 bis 6 bar durchgeführt werden, die Rektifikationskolonne kann auf einem Druckniveau von 2,5 bis 5 bar betrieben werden, und der Kopfkondensator kann auf Verdampfungsdruckniveaus von 1 ,1 bis 3 bar in seinen Verdampfungsräumen betrieben werden. Spezifische Beispiele sind ca. 5,0 bar für das Druckniveau der Verdichtung, ca. 3,5 bar für die Rektifikationskolonne, und ca. 1 ,3 und 2,2 bar (für den Kreislaufstrom und das Argonprodukt bzw. das Sunmpfprodukt der Rektifikationskolonne) für den Kopfkondensator bzw. seinen Verdampfungsraum. Das Verfahren kann aber grundsätzlich auch bei gegenüber den genannten Werten reduzierten oder erhöhten Drücken durchgeführt werden, beispielsweise einem Druck von 9 bis 15 bar in der Rektifikation. Entsprechend werden die anderen Drücke angepasst. In jedem Fall kann das Reinargon oder der Teil hiervon, der dem Prozessschritt wiederzugeführt wird, von dem Verdampfungsdruckniveau auf ein geeignetes Druckniveau verdichtet werden, beispielsweise ein Druckniveau von ca. 12 bar.

Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehene Wärmetausch kann auch unter Verdampfung von Flüssigstickstoff durchgeführt werden, der auf diese Weise zu einer verstärkten Abkühlung führt und Kälteverluste in der Anlage ausgleicht. Der Wärmetausch kann unter Verwendung eines einzigen Wärmetauschers oder unter Verwendung mehrerer, thermisch gekoppelter Wärmetauscher durchgeführt werden, wie erläutert.

Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bearbeitete Unreinargon kann insbesondere einen Gehalt von 90 bis 99,5% Argon und ansonsten 0,1 bis 9% Stickstoff, 100 bis 2000 ppm Kohlenmonoxid, 500 bis 5000 ppm Wasserstoff und/oder 10 bis 800 ppm Kohlendioxid aufweisen. In einem spezifischen Beispiel enthält das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bearbeitete Unreinargon 99% Argon und ansonsten 0,5% Stickstoff, 1000 ppm Kohlenmonoxid, 2500 ppm Wasserstoff und 50 ppm Kohlendioxid und wird in einer Menge von 100 bis 500 Normkubikmetern pro Stunde, beispielsweise 100 bis 500 Normkubikmetern pro Stunde, bereitgestellt.

Das Unreinargon kann grundsätzlich sauerstofffrei oder im Wesentlichen sauerstofffrei sein, es kann jedoch auch beispielsweise, wie erwähnt, einen Gehalt von 100 bis 1.000 ppm, Sauerstoff aufweisen. In dem erwähnten spezifischen Beispiel enthält das Unreinargon beispielsweise ca. 500 ppm Sauerstoff. Dieser Sauerstoff kann durch die katalytische Umsetzung mit Wasserstoff zumindest teilweise entfernt werden.

Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Reinargon kann insbesondere mehr als 99,999% Argon und ansonsten 0,001 bis 0,1 ppm Kohlenmonoxid, 0,009 bis 0,9 ppm Sauerstoff und weniger als 10 ppb Stickstoff aufweisen. Es enthält in einem spezifischen Beispiel weniger als 0,1 ppm Kohlenmonoxid, 0,5 ppm Sauerstoff und weniger als 10 ppb Stickstoff und wird in einer Menge von 200 bis 300 Normkubikmetern pro Stunde, beispielsweise 280 Normkubikmetern pro Stunde, bereitgestellt. Bezüglich der erfindungsgemäß ebenfalls vorgeschlagenen Anlage zur Durchführung eines Industrieprozesses, die dafür eingerichtet ist, aus einem zur Durchführung eines Prozessschritts eingerichteten Anlagenteil Unreinargon auszuführen, das Unreinargon oder einen Teil hiervon unter Erhalt von Reinargon einer Aufbereitung zu unterwerfen, und das Reinargon oder einen Teil hiervon dem Prozessschritt wieder zuzuführen, sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch und die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltungen ausdrücklich verwiesen.

Die Anlage weist insbesondere Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, ein Verfahren gemäß einer der erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, die eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung.

Figur 2 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung.

Figur 3 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

In den Figuren 1 , 2 und 3 sind jeweils Verfahren zur Durchführung eines insgesamt mit 100, 200 und 300 bezeichneten Industrieprozesses gemäß Ausführungsformen der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung veranschaulicht.

Die Erläuterungen bezüglich bestimmter Verfahrensschritte gelten dabei jeweils auch für entsprechende Anlagenkomponenten, so dass die nachfolgenden Ausführungen ein Verfahren und eine entsprechend betriebene Anlage in gleicher Weise betreffen. In den Figuren sind, ohne irgendeine damit verbundene Einschränkung, flüssige Stoffströme mit schwarzen (ausgefüllten) Flusspfeilen veranschaulicht, gasförmige Stoffströme hingegen mit weißen (nicht ausgefüllten) Flusspfeilen.

In den in Figur 1 , 2 und 3 veranschaulichten Verfahren 100, 200 und 300 wird aus einem Prozessschritt 10 der oben erläuterten Art Unreinargon in Form eines Stoffstroms A ausgeführt wird. Das Unreinargon, also der Stoffstrom A, wird unter Erhalt von Reinargon in Form eines Stoffstroms B einer insgesamt mit 20 bezeichneten Aufbereitung unterworfen, wobei, das Reinargon oder ein Teil hiervon, d.h. der Stoffstrom B oder ein Teil hiervon, dem Prozessschritt 10 wieder zugeführt wird, wie in den Figuren 1 und 2 nicht gesondert gezeigt. Unterschiede zwischen den Figuren 1 und 2 (Verfahren 100 und 200) einerseits und Figur 3 (Verfahren 300) andererseits ergeben sich in der Bearbeitung des Unreinargons, also des Stoffstroms A, wie unten erläutert. Die in Figur 3 (Verfahren 300) gegenüber Figur 2 (Verfahren 200) dargestellte abweichende Bearbeitung kann dabei ohne weiteres auch in dem in Figur 1 (Verfahren 100) veranschaulichten Verfahren zum Einsatz kommen.

Die Aufbereitung 20 umfasst eine Verdichtung 21 mit nicht gesondert bezeichneter Nachkühlung (letztere nur in den Verfahren 100 und 200 gemäß den Figuren 1 und 2), einen Wärmetausch 22 zwischen den nachfolgend erläuterten Stoffströmen, insbesondere in einem gemeinsamen Wärmetauscher oder in mehreren, thermisch gekoppelten Wärmetauschern, und eine Rektifikation 23 in einer hier nochmals separat mit 24 bezeichneten Rektifikationskolonne, die einen Sumpfverdampfer 25 und einen Kopfkondensator 26 aufweist. Während in dem Verfahren 100 gemäß Figur 1 dabei ein Kopfkondensator 26 verwendet wird, der in einem Flüssigkeitsbad 26a angeordnet ist, in das Sumpfflüssigkeit der Rektifikationskolonne 24 eingespeist wird, wird in den Verfahren 200 und 300 gemäß den Figuren 2 und 3 ein Forced-Flow- Kondensatorverdampfer eingesetzt, d.h. die Sumpfflüssigkeit der Rektifikationskolonne 24 wird dort durch den Kopfkondensator 26 zwangsgeführt und gelangt nicht in ein entsprechendes Flüssigkeitsbad.

Das aus dem Prozessschritt 10 ausgeführte Unreinargon oder ein Teil hiervon, also der Stoffstrom A, wird der Verdichtung 21 , unter Abkühlung dem Wärmetausch 22, und unter Erhalt eines Unreinargonkondensats in Form eines Stoffstroms C einer zumindest teilweisen Kondensation in dem Sumpfverdampfer 25 unterworfen. Das Unreinargonkondensat, also der Stoffstrom C, wird (jeweils unter Entspannung über nicht gesondert mit Bezugszeichen versehene Ventile) zu einem ersten Teil in Form eines Stoffstroms D kondensiert in die Rektifikationskolonne 24 eingespeist und zu einem zweiten Teil in Form eines Stoffstroms E einer Verdampfung in dem Kopfkondensator 26 unterworfen. Der verdampfte zweite Anteil des Unreinargonkondensats oder ein Teil hiervon wird in Form eines Stoffstroms F als Kreislaufstrom der Rektifikation 23 wieder zugeführt.

Der Kreislaufstrom, also der Stoffstrom F, wird zumindest einem Teil der Verdichtung 21 zusammen mit dem aus dem Prozessschritt 10 ausgeführten Unreinargon oder dem der Verdichtung 21 unterworfenen Teil hiervon, also dem Stoffstrom A, unterworfen. Im dargestellten Beispiel wird der Stoffstrom F dabei stromauf der Verdichtung 21 mit dem aus dem Prozessschritt 10 ausgeführten Unreinargon oder dem der Verdichtung 21 unterworfenen Teil hiervon, also dem Stoffstrom A, vereinigt. Es ist alternativ aber auch möglich, eine entsprechende Vereinigung in der Verdichtung 21 , beispielsweise zwischen unterschiedlichen Verdichtungsstufen oder über eine Einspeisung an einer Zwischeneinspeisestelle in einem Schraubenverdichter, vorzunehmen.

Die Rektifikationskolonne 24 weist zwei übereinander angeordnete Trennabschnitte 29 auf, wobei der erste Teil des Unreinargonkondensats, der kondensiert in die Rektifikationskolonne 24 eingespeist wird, also der Stoffstrom D, zwischen den Trennabschnitten 29 in die Rektifikationskolonne 24 eingespeist wird.

Das Reinargon, also der Stoffstrom B, wird unter Verwendung eines in der Rektifikation 23 gebildeten Sumpfprodukts in Form eines Stoffstroms G bereitgestellt, wobei das in der Rektifikation 23 gebildete Sumpfprodukt oder ein Teil hiervon, also der Stoffstrom G, unter Erwärmung dem Wärmetausch 22 unterworfen wird. Ferner wird das in der Rektifikation 23 gebildete Sumpfprodukt oder der Teil hiervon, der unter Erwärmung dem Wärmetausch 22 unterworfen wird, also der Stoffstrom G, nach der Entnahme und vor der Erwärmung einer Verdampfung in dem Kopfkondensator 26 unterworfen sowie im dargestellten Beispiel vor und nach der Verdampfung in dem Kopfkondensator 26 einem gegenseitigen Wärmetausch 28, also einem entsprechenden Wärmetausch 28 "gegen sich selbst" unterworfen. Wie erwähnt, unterscheidet sich das Verfahren 100 gemäß Figur 1 einerseits von den Verfahren 200 und 300 gemäß den Figuren 2 und 3 andererseits bezüglich der Trennung 10 insbesondere in der Ausgestaltung des Kopfkondensators 26.

Nach der Entnahme und vor der Verdampfung in dem Kopfkondensator 26 kann das Sumpfprodukt, das dort verdampft wird, mittels eines (nur in Figur 3 entsprechend bezeichneten) Ventils 26b auf ein Druckniveau gedrosselt werden, das auf Grundlage einer Zieltemperatur nach der Verdampfung in dem Kopfkondensator 26 eingestellt wird. Diese Ausgestaltung dient, wie erwähnt, insbesondere zur Druckhaltung in der Rektifikationskolonne 24. Der Druck kann insbesondere mittels einer entsprechenden TIC-Regelung (die das Ventil 26b einstellt und die Temperatur des verdampften Fluids, also des Stoffstroms E nach der Verdampfung, erfasst) eingestellt werden. Entsprechende Maßnahmen sind optional, aber gleichwohl in allen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Der Wärmetausch 22 wird in der Ausgestaltung gemäß Figur 3 typischerweise nicht vorgenommen. Er ist auch in den anderen Ausgestaltungen optional.

Ein in der Rektifikation 23 gebildetes Kopfgas wird zu einem ersten Anteil in dem Kopfkondensator 26 kondensiert und in Form eines Stoffstroms H als Rücklauf in die Rektifikation 23 zurückgeführt, zu einem zweiten Anteil dagegen in Form eines Stoffstroms K unter Erwärmung dem Wärmetausch 22 unterworfen und aus dem Verfahren ausgeführt und beispielsweise letztlich an die Umgebung (Atmosphäre ATM) abgegeben.

Die Aufbereitung 20 umfasst in allen dargestellten Beispielen eine adsorptive Reinigung 27, der der Stoffstrom A bzw. ein hieraus gebildeter Stoffstrom vor der Abkühlung durch den Wärmetausch 22 unterworfen wird, wobei der Stoffstrom K nach der Erwärmung in dem Wärmetausch 22 teilweise als Regeneriergas in der adsorptiven Reinigung 27 verwendet wird, insbesondere nach weiterer Erwärmung in einem nicht gesondert bezeichneten Heizer.

Während die gezeigten Ausgestaltungen gemäß den Figuren 1 und 2 (Verfahren 100 und 200) die Bearbeitung sauerstofffreien oder im Wesentlichen sauerstofffreien Unreinargons betreffen, ist die Ausgestaltung gemäß Figur 3 (Verfahren 300) zur Bearbeitung von sauerstoffhaltigem Unreinargon eingerichtet. Dazu kann der Stoffstrom A zusammen mit dem Kreislaufstrom F nach der Verdichtung, insbesondere ohne anschließende Nachkühlung zur Bereitstellung der erforderlichen Reaktionswärme, einer katalytischen Umsetzung 30 von Sauerstoff mit Wasserstoff zu Wasser unterworfen werden. Reicht der Wasserstoffgehalt des Unreinargons dabei nicht aus, kann, wie in Form eines gestrichelten Stoffstroms H2 veranschaulicht, externer Wasserstoff zugegeben werden. Nach der katalytischen Umsetzung 30 kann eine Kühlung 31 zur kondensativen Abtrennung von Wasser H2O in einem Wasserabscheider 32 vorgenommen werden. Restwasser kann in der adsorptiven Reinigung 27 entfernt werden.

Das Reinargon oder der Teil hiervon, der dem Prozessschritt 10 wieder zugeführt wird, wird in allen veranschaulichten Ausgestaltungen einer geeigneten Verdichtung 30 unterworfen. Der Wärmetausch 22 wird im dargestellten Beispiel ferner unter Verdampfung von Flüssigstickstoff LIN durchgeführt, der in Form eines Stoffstroms L bereitgestellt und anschließend wie der Stoffstrom K als Regeneriergas verwendet werden kann.