EP4396508A2 - Anlage und verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

Anlage und verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft

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EP4396508A2
EP4396508A2 EP22765744.2A EP22765744A EP4396508A2 EP 4396508 A2 EP4396508 A2 EP 4396508A2 EP 22765744 A EP22765744 A EP 22765744A EP 4396508 A2 EP4396508 A2 EP 4396508A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
column
low
argon
pressure column
cold box
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22765744.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Lochner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP4396508A2 publication Critical patent/EP4396508A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F25J3/0489—Modularity and arrangement of parts of the air fractionation unit, in particular of the cold box, e.g. pre-fabrication, assembling and erection, dimensions, horizontal layout "plot"
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    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04896—Details of columns, e.g. internals, inlet/outlet devices
    • F25J3/04915—Combinations of different material exchange elements, e.g. within different columns
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    • F25J2200/06—Processes or apparatus using separation by rectification in a dual pressure main column system in a classical double column flow-sheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
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    • F25J2200/32—Processes or apparatus using separation by rectification using a side column fed by a stream from the high pressure column
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    • F25J2200/34—Processes or apparatus using separation by rectification using a side column fed by a stream from the low pressure column
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    • F25J2215/50—Oxygen or special cases, e.g. isotope-mixtures or low purity O2
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    • F25J2215/56—Ultra high purity oxygen, i.e. generally more than 99,9% O2
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    • F25J2215/58—Argon
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    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/58—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being argon or crude argon
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    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/50—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen
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    • F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop
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    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/34—Details about subcooling of liquids

Definitions

  • the present invention relates to a plant and a method for the low-temperature separation of air according to the preambles of the independent patent claims.
  • Air separation plants have rectification column systems which can be designed as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • rectification columns for obtaining nitrogen and/or oxygen in the liquid and/or gaseous state ie the rectification columns for nitrogen-oxygen separation, rectification columns for obtaining further air components, in particular argon, can be provided.
  • the rectification columns of the rectification column systems mentioned are operated at different pressure levels.
  • Known double column systems have a so-called high-pressure column (also referred to as a pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (also referred to as an upper column).
  • the high-pressure column is typically operated at a pressure in a pressure range from 4 to 14 bar, in particular at about 5.3 bar, or at about 11 bar.
  • the low-pressure column is typically operated at a pressure in a pressure range from 1 to 4 bar, in particular at about 1.4 bar, but also at 3 bara. In certain cases, higher pressures can also be used in the low-pressure column; this can also be operated at 2-4 bara and the pressure column at 9-14 bara.
  • At the specific pressures given here and below these are absolute pressures at the top of the rectification columns specified in each case.
  • Air separation plants with crude and pure argon columns can be used to produce argon.
  • An example is illustrated by Häring (see above) in Figure 2.3A and described from page 26 in the section "Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column” and from page 29 in the section "Cryogenic Production of Pure Argon”.
  • argon accumulates in appropriate systems at a certain level in the low-pressure column.
  • argon-enriched gas with an argon concentration of typically 5 to 15 mole percent can be drawn off from the low-pressure column and transferred to the crude argon column.
  • a corresponding gas typically contains about 0.05 to 100 ppm nitrogen and otherwise essentially oxygen. It should be expressly emphasized that the values given for the gas drawn off from the low-pressure column only represent typical example values.
  • the primary purpose of the crude argon column is to separate the oxygen from the gas drawn off from the low-pressure column.
  • the oxygen separated off in the crude argon column or a corresponding oxygen-rich fluid can be returned in liquid form to the low-pressure column.
  • the oxygen or the oxygen-rich fluid is typically fed into the low-pressure column several theoretical or practical trays below the feed point for the oxygen-enriched and nitrogen-depleted and possibly at least partially vaporized liquid withdrawn from the high-pressure column.
  • a gaseous fraction remaining in the crude argon column during separation Essentially contains argon and nitrogen is further separated in the pure argon column to obtain pure argon.
  • the crude and pure argon columns have top condensers, which can be cooled in particular with part of the oxygen-enriched and nitrogen-depleted liquid withdrawn from the high-pressure column, which partially evaporates during this cooling. Other fluids can also be used for cooling.
  • argon column can thus be a conventional crude argon column (which is used with or without a pure argon column) or a corresponding crude argon column modified to obtain pure argon.
  • the present invention proposes a system and a method for the low-temperature separation of air with the features of the independent patent claims.
  • Preferred configurations are the subject matter of the dependent claims and the following description.
  • Liquids and gases can be rich or poor in one or more components, with “rich” meaning at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99% and “poor” can stand for a content of at most 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a mole, weight or volume basis.
  • the term “predominantly” may correspond to the definition of "rich”.
  • Liquids and gases can also be enriched or depleted in one or more components, these terms referring to a content in a starting liquid or a starting gas from which the liquid or gas was obtained.
  • the liquid or the gas is "enriched” if this or this at least 1.1 times, 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times, 100 times or 1,000 times the content, and "depleted” if this or this is at most 0.9 times, 0.5 times, 0.1 times, 0.01 times times or 0.001 times the content of a corresponding component, based on the starting liquid or the starting gas. If, for example, “oxygen”, “nitrogen” or “argon” is mentioned here, this also includes a liquid or a gas that is rich in oxygen or nitrogen, but does not necessarily have to consist exclusively of them. With systems according to embodiments of the present invention, purities in the range of 0.05 ppb oxygen in nitrogen, 0.2 ppb oxygen in argon and 0.2 ppb argon in oxygen can be achieved, for example.
  • pressure range and "temperature range” to characterize pressures and temperatures, which is intended to express the fact that corresponding pressures and temperatures in a corresponding system do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values in order to to realize the inventive concept.
  • pressures and temperatures typically range within certain ranges, for example ⁇ 1%, 5% or 10% around an average value.
  • Corresponding pressure ranges and temperature ranges can be in disjunctive ranges or in ranges that overlap one another. In particular, for example, pressure ranges include unavoidable or expected pressure losses. The same applies to temperature ranges.
  • the values specified in bar for the pressure ranges are absolute pressures.
  • a “condenser evaporator” refers to a heat exchanger in which a first, condensing fluid stream enters into indirect heat exchange with a second, evaporating fluid stream.
  • Each condenser evaporator has a condensing space and an evaporating space.
  • Condensation and evaporation chambers have liquefaction and evaporation passages. The condensation (liquefaction) of the first fluid stream is carried out in the liquefaction chamber, and the evaporation of the second fluid stream is carried out in the evaporation chamber.
  • the evaporating and condensing spaces are formed by groups of passages which are in heat exchange relationship with each other.
  • the so-called main condenser is a condenser evaporator via which a high-pressure column and a low-pressure column of a plant for the low-temperature separation of air are coupled to one another in a heat-exchanging manner.
  • the term “supercooling countercurrent flow” is intended here to denote a heat exchanger in which one or more streams of material which are transferred between the rectification columns of a rectification column system of the type used here are supercooled. In countercurrent to this, in particular one or more material streams which are carried out from the rectification column system and the entire plant can be heated.
  • the supercooling counterflow is present in addition to the so-called main heat exchanger, which is characterized in that at least the majority of the air fed to the rectification column system is cooled in it.
  • the air separation plant of the invention can also be designed without a supercooling counterflow.
  • the present invention proposes a plant for the low-temperature separation of air, which has a rectification column system with a high-pressure column, a low-pressure column and an argon column and a cold box system with a first cold box and a second cold box, the low-pressure column being divided at least into a base part and a top part .
  • Orthogonal projection of the head part of the low-pressure column does not intersect with the horizontal plane.
  • the argon column can be designed as a crude argon column, in which case, in particular, a pure argon column can be provided.
  • the pure argon column can be arranged in the first cold box or the second cold box, in particular in the cold box in which, in the case of a corresponding configuration or subdivision, the top part of the argon column designed as a crude argon column is arranged.
  • a corresponding system has a sub-cooling counterflow, it can be arranged either in the first or in the second cold box.
  • the supercooling countercurrent can be arranged in particular below the top part of the low-pressure column.
  • the top part of the low-pressure column and the top part of the argon column are arranged next to one another in such a way that the orthogonal projection of the top part of the low-pressure column onto the horizontal plane does not intersect with the orthogonal projection of the top part of the argon column onto the horizontal plane. Accordingly, there is a cross-sectional plane that intersects the top of the low pressure column and the top of the argon column.
  • the pure oxygen column can be arranged in the first cold box next to the high-pressure column, the base part of the low-pressure column and the base part of the argon column (with a corresponding subdivision) in such a way that an orthogonal projection of at least an upper part (to grounds and others Explanations see above) of the pure oxygen column on the horizontal plane with the orthogonal projection of the high-pressure column on the horizontal plane and the orthogonal projection of the bottom part of the low-pressure column on the horizontal plane and the orthogonal projection of the bottom part of the argon column.
  • the connecting pipelines are minimized.
  • FIG. 2 illustrates an arrangement of components of a system designed according to an embodiment of the invention for the low-temperature separation of air in a side view and in a simplified representation.
  • air separation plant for short
  • FIG. 1 shows an air separation plant which is set up for obtaining an argon product and a pure oxygen product and is denoted overall by 100 .
  • the air separation plant 100 has a rectification column system 10, the one
  • the high-pressure column 11 and the foot part 12 of the low-pressure column are in a heat-exchanging connection via a condenser evaporator 19, the so-called main condenser, and are designed as a structural unit.
  • the invention can also be used in systems in which the high-pressure column 11 and the low-pressure column (or their foot part 12) are arranged separately from one another and have a separate condenser evaporator 19, ie not integrated into the columns.
  • the bottom part 12 and the top part 13 of the low-pressure column are fluidly coupled to one another here in that top gas from an upper region of the bottom part 12 of the low-pressure column is transferred in the form of a stream e to a lower region of the top part 13 of the low-pressure column.
  • the arrangement of the top part 13 of the low-pressure column and the bottom part 14 of the argon column in the example shown is such that bottom liquid in the form of a stream f from a lower region of the top part 13 of the low-pressure column into a lower region of the bottom part 14 of the argon column can run off, into which a further part of the top gas from the upper region of the foot part 12 of the low-pressure column is fed in the form of a stream g.
  • bottom liquid from the top part 13 of the low-pressure column and the bottom part 14 of the argon column is collected in the bottom of the bottom part 14 of the argon column and can be pumped back into an upper region of the bottom part 12 of the low-pressure column in the form of a stream h by means of a common pump 110.
  • a reverse arrangement is also possible, as mentioned.
  • Top gas of the bottom section 14 of the argon column is transferred to a lower region of the top section 15 of the argon column and liquid is pumped back with a pump 120 accordingly.
  • the integration of the pure argon column 20 can essentially correspond to what is customary in the art.
  • the argon column consisting of the base part 14 and the top part 15 is fluidly connected parallel to the low-pressure column or its base part 12 and top part 13, so that the corresponding top gas from an upper area of the base part 12 of the low-pressure column also flows into a lower area of the base part 14 of the argon column transferred and bottoms liquid is returned from the lower region of the foot part 14 of the argon column to the upper region of the foot part 12 of the low-pressure column.
  • the same pump is used as is used to recirculate the bottoms liquid from the lower portion of the top portion 13 of the low pressure column to an upper portion of the bottom portion 12 of the low pressure column.
  • the bottom part 14 and the top part 15 of the argon column are fluidly coupled to one another in that top gas is transferred from an upper area of the bottom part 14 of the argon column to a lower area of the top part 15 of the argon column and by means of a (further) pump sump liquid is transferred from a lower area of the top part 15 of the argon column is returned to an upper region of the bottom part 14 of the argon column.
  • the bottom part 14 of the argon column is also fed at a feed point 14b with another transfer liquid in the form of the already mentioned stream f, which is removed from the top part 13 of the low-pressure column at a withdrawal point 13b, with the top part 13 of the low-pressure column and the bottom part 14 of the argon column in the illustrated example are arranged such that the removal point 13b for the further transfer liquid from the head part 13 of the low-pressure column is above the feed point 14b for the further transfer liquid in the foot part 14 of the argon column.
  • FIG. 2 An integration of the components of the air separation plant 100 in cold boxes is illustrated in FIG. 2 in the form of a simplified side view, the components of the air separation plant 100 being indicated with identical reference symbols as explained above for FIG. As in Figure 1, these are shown in side view, but are even more simplified. The fluid connections are not shown, but result as shown in Figure 1.
  • the foot part 12 and the top part 13 of the low-pressure column are arranged side by side here in such a way that an orthogonal projection of the foot part 12 of the low-pressure column onto a horizontal plane H does not intersect with an orthogonal projection of the top part 13 of the low-pressure column onto the horizontal plane H, and the foot part 14 and the head part 15 of the argon column are also arranged side by side in such a way that an orthogonal projection of the foot part 14 of the argon column on the horizontal plane H does not intersect with an orthogonal projection of the head part 15 of the argon column on the horizontal plane H.
  • the high-pressure column 11 is arranged below the base part 12 of the low-pressure column in such a way that an orthogonal projection of the high-pressure column 11 on the horizontal plane H intersects with the orthogonal projection of the base part 12 of the low-pressure column on the horizontal plane H.
  • the pure oxygen column 18 and the foot part 14 of the argon column are arranged side by side in such a way that an orthogonal projection of at least an upper part (further explanations above) of the pure oxygen column 18 onto the horizontal plane H does not intersect with the orthogonal projection of the foot part 14 of the argon column onto the horizontal plane H,
  • subcooling counterflow 17 can be arranged in particular below head part 13 of the low-pressure column in second cold box 120 in such a way that an orthogonal projection of subcooling counterflow 17 onto horizontal plane H intersects with the orthogonal projection of head part 13 of the low-pressure column onto precisely this horizontal plane H.
  • the top part 13 of the low-pressure column can be designed with a lower packing density than the top part 15 of the argon column, and the bottom part 14 of the argon column can be set up for the separation of methane.
  • a lower area of the top part 13 of the low-pressure column and a lower area of the bottom part 14 of the argon column can also be fluidically coupled to an upper area of the bottom part 12 of the low-pressure column via a (common) pump.
  • FIG. 3 illustrates the components shown in FIG. 2 in a plan view, the horizontal plane H lying parallel to the plane of the paper and express reference is made to the explanations relating to FIG. 2 for further details.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage (100) zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, die ein Rektifikationskolonnensystem (10) mit einer Hochdruckkolonne (11), einer geteilten Niederdruckkolonne (12, 13) und einer geteilten Argonkolonne (14, 15) sowie ein Coldboxsystem (20) mit einer ersten Coldbox (110) und einer zweiten Coldbox (120) aufweist. Die Hochdruckkolonne (11) ist unterhalb des Fußteils (12) der Niederdruckkolonne (12, 13) angeordnet. Die Hochdruckkolonne (11) ist mit dem Fußteil (12) der Niederdruckkolonne (12, 13) in der ersten Coldbox (110) und der Kopfteil (13) der Niederdruckkolonne (12, 13) in der zweiten Coldbox (120) angeordnet. Es wird vorgeschlagen, der Fußteil (14) der Argonkolonne (14, 15) in der ersten Coldbox (110) und der Kopfteil (15) der Argonkolonne (14, 15) in der zweiten Coldbox (120) anzuordnen oder umgekehrt. Ein entsprechendes Verfahren ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Anlage und Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
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 weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die als Zweikolonnensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelkolonnensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben den Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationskolonnen zur Stickstoff- Sauerstoff-Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere von Argon, vorgesehen sein.
Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Hochdruckkolonne (auch als Druckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (auch als obere Kolonne bezeichnet) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druck in einem Druckbereich von 4 bis 14 bar, insbesondere bei ca. 5,3 bar, oder bei ca. 11 bar betrieben. Die Niederdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druck in einem Druckbereich von 1 bis 4 bar, insbesondere bei ca. 1 ,4 bar, aber auch bei 3 bara, betrieben. In bestimmten Fällen können in der Niederdruckkolonne auch höhere Drücke eingesetzt werden, diese kann auch bei 2-4 bara und die Drucksäule bei 9-14 bara betrieben werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen konkreten Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Rektifikationskolonnen.
In bekannten Verfahren und Anlagen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft wird in einem unteren Bereich der Hochdruckkolonne eine an Sauerstoff angereicherte und an Stickstoff abgereicherte Flüssigkeit gebildet und aus der Hochdruckkolonne abgezogen. Diese Flüssigkeit, die insbesondere auch Argon enthält, wird zumindest zum Teil in die Niederdruckkolonne eingespeist und dort weiter aufgetrennt. Sie kann vor der Einspeisung in die Niederdruckkolonne zumindest teilweise verdampft werden, wobei ggf. verdampfte und unverdampfte Anteile an unterschiedlichen Positionen in die Niederdruckkolonne eingespeist werden können.
Zur Argongewinnung können Luftzerlegungsanlagen mit Roh- und Reinargonkolonnen eingesetzt werden. 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. Wie dort erläutert, reichert sich Argon in entsprechenden Anlagen in einer bestimmten Höhe in der Niederdruckkolonne an. An dieser oder an einer anderen günstigen Stelle, ggf. auch unterhalb des Argonmaximums, kann aus der Niederdruckkolonne an Argon angereichertes Gas mit einer Argonkonzentration von typischerweise 5 bis 15 Molprozent abgezogen und in die Rohargonkolonne überführt werden. Ein entsprechendes Gas enthält typischerweise ca. 0,05 bis 100 ppm Stickstoff und ansonsten im Wesentlichen Sauerstoff. Es sei ausdrücklich betont, dass die angebenden Werte für das aus der Niederdruckkolonne abgezogene Gas lediglich typische Beispielwerte darstellen.
Die Rohargonkolonne dient im Wesentlichen dazu, den Sauerstoff aus dem aus der Niederdruckkolonne abgezogenen Gas abzutrennen. Der in der Rohargonkolonne abgetrennte Sauerstoff bzw. ein entsprechendes sauerstoffreiches Fluid kann flüssig in die Niederdruckkolonne zurückgeführt werden. Der Sauerstoff bzw. das sauerstoffreiche Fluid wird dabei typischerweise mehrere theoretische oder praktische Böden unterhalb der Einspeisestelle für die aus der Hochdruckkolonne abgezogene, an Sauerstoff angereicherte und an Stickstoff abgereicherte und ggf. zumindest teilweise verdampfte Flüssigkeit in die Niederdruckkolonne eingespeist. Eine bei der Trennung in der Rohargonkolonne verbleibende gasförmige Fraktion, die im Wesentlichen Argon und Stickstoff enthält, wird in der Reinargonkolonne unter Erhalt von Reinargon weiter aufgetrennt. Die Roh- und die Reinargonkolonne weisen Kopfkondensatoren auf, die insbesondere mit einem Teil der aus der Hochdruckkolonne abgezogenen, an Sauerstoff angereicherten und an Stickstoff abgereicherten Flüssigkeit gekühlt werden können, welche bei dieser Kühlung teilweise verdampft. Auch andere Fluide können zur Kühlung eingesetzt werden.
Grundsätzlich kann in entsprechenden Anlagen auch auf eine Reinargonkolonne verzichtet werden, wobei hier typischerweise sichergestellt wird, dass der Stickstoffgehalt am Argonübergang unter 1 ppm liegt. Dies ist jedoch keine zwingende Voraussetzung. Argon gleicher Qualität wie aus einer herkömmlichen Reinargonkolonne wird in diesem Fall aus der Rohargonkolonne bzw. einer vergleichbaren Kolonne typischerweise etwas weiter unterhalb als das herkömmlicherweise in die Reinargonkolonne überführte Fluid abgezogen, wobei die Böden im Abschnitt zwischen dem Rohargonkondensator, also dem Kopfkondensator der Rohargonkolonne, und einem entsprechenden Abzug insbesondere als Sperrböden für Stickstoff dienen. Die vorliegende Erfindung kann mit einer derartigen Anordnung ohne Reinargonkolonne zum Einsatz kommen. Da die Rohargonkolonne bzw. eine vergleichbare Kolonne in einer derartigen Anordnung bereits zur Reinargongewinnung und nicht zur Rohargongewinnung dient, wird nachfolgend auch von einer "Argonkolonne" gesprochen. Bei einer Argonkolonne kann es sich damit um eine herkömmliche Rohargonkolonne (die mit oder ohne Reinargonkolonne eingesetzt wird) oder um eine entsprechende zur Reinargongewinnung modifizierte Rohargonkolonne handeln.
Um die Bauhöhe einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage und deren Vorfertigbarkeit zu verbessern, schlägt die EP 2 965 029 B1 die Zweiteilung der Niederdruckkolonne in einen Fußteil und einen Kopfteil vor, wobei der Fußteil der Niederdruckkolonne wie in einer klassischen Doppelkolonnenanordnung mit der Hochdruckkolonne verbaut bleibt, der Kopfteil der Niederdruckkolonne aber in eine separate Coldbox ausgelagert wird. Ferner wird hier vorgeschlagen, eine Zweiteilung der Rohargonkolonne in einen Kopfteil und einen Fußteil vorzunehmen und diese Abschnitte in separaten Coldboxen unterzubringen. Flüssigkeit aus einem unteren Bereich des Kopfteils der Niederdruckkolonne und einem unteren Bereich des Fußteils der Rohargonkolonne wird mittels einer gemeinsamen Pumpe auf den Fußteil der N iederdruckkolonne zurückgeführt.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, entsprechende Anordnungen weiter insbesondere hinsichtlich des baulichen Aufwands und der Kosten zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung eine Anlage und ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung näher erläutert und nachfolgend verwendete Begriffe definiert.
Die in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus", beschrieben. Sofern die nachfolgenden Definitionen nicht hiervon abweichen, wird daher zum Sprachgebrauch, der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, ausdrücklich auf die zitierte Fachliteratur verwiesen.
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 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und "arm" für einen Gehalt von höchstens 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 sei "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", "Stickstoff" oder "Argon" die Rede, sei hierunter auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, die bzw. das reich an Sauerstoff oder Stickstoff ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss. Mit Anlagen gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise Reinheiten im Bereich von 0,05 ppb Sauerstoff in Stickstoff, 0,2 ppb Sauerstoff in Argon und 0,2 ppb Argon in Sauerstoff erzielt werden.
Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckbereich" und "Temperaturbereich", 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 Druckbereiche und Temperaturbereiche können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckbereiche unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturbereiche. Bei den bezüglich der Druckbereiche in bar angegebenen Werten handelt es sich um Absolutdrücke.
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. Der sogenannte Hauptkondensator ist ein Kondensatorverdampfer, über den eine Hochdruckkolonne und eine Niederdruckkolonne einer Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft wärmetauschend miteinander gekoppelt sind. Der Begriff "Unterkühlungsgegenströmer" soll hier einen Wärmetauscher bezeichnen, in dem eine Unterkühlung eines oder mehrerer Stoffströme, die zwischen den Rektifikationskolonnen eines Rektifikationskolonnensystems der hier verwendeten Art transferiert werden, vorgenommen wird. Im Gegenstrom hierzu können insbesondere ein oder mehrere Stoffströme, die aus dem Rektifikationskolonnensystem und der gesamten Anlage ausgeführt werden, erwärmt werden. Der Unterkühlungsgegenströmer ist zusätzlich zum sogenannten Hauptwärmetauscher vorhanden, der sich dadurch auszeichnet, dass in diesem zumindest der überwiegende Anteil der dem Rektifikationskolonnensystem zugeführten Luft abgekühlt wird. Die Luftzerlegungsanlage der Erfindung kann grundsätzlich auch ohne Unterkühlungsgegenströmer ausgeführt werden.
Unter dem Begriff "Coldbox" wird hier eine temperaturisolierende Einhausung verstanden, in der bei tiefen, insbesondere kryogenen Temperaturen betriebene verfahrenstechnische Apparate installiert sind. Eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft kann eine oder mehrere entsprechende Coldboxen umfassen und insbesondere modular aus entsprechenden Coldboxen erstellt werden, wie auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Fall. In einer Coldbox können auch mehrere Anlagenteile, also beispielsweise Trennapparate wie Kolonnen und die zugehörigen Wärmetauscher, zusammen mit der Verrohrung an einem tragenden Stahlrahmen befestigt werden, welcher außen mit Blechplatten verkleidet wird. Das Innere der auf diese Weise gebildeten Einhausung ist mit Isoliermaterial wie beispielsweise Perlit gefüllt, um einen Wärmeeintrag aus der Umgebung zu verhindern. Auch eine teilweise oder vollständige Vorfertigung von Coldboxen mit den entsprechenden Apparaten im Werk ist möglich, so dass diese auf der Baustelle bei Bedarf endgefertigt bzw. nur noch miteinander verbunden werden müssen. Zur Verbindung können temperaturisolierte und ggf. in Coldboxen untergebrachte Leitungsmodule verwendet werden. In typischen Coldboxen werden die Anlagenteile meist mit einem Mindestabstand zur Wand verbaut, um eine ausreichende Isolierung sicherzustellen. Die Verrohrung in einer Coldbox wird vorzugsweise ohne Flanschverbindungen, d.h. vollständig verschweißt bzw. über geeignete Übergangsbauteile, ausgeführt, um die Entstehung von Undichtigkeiten zu vermeiden. Aufgrund der auftretenden Temperaturunterschiede können in der Verrohrung Dehnungsbögen vorhanden sein. Wartungsanfällige Bauteile werden typischerweise nicht in der Coldbox angeordnet, so dass das Innere der Coldbox vorteilhafterweise wartungsfrei ist. Ventile können beispielsweise als sogenannte Eckventile ausgeführt sein, um eine Reparatur von außerhalb zu ermöglichen. Dabei sitzt das Ventil in der Coldboxwand; die Rohrleitung wird zum Ventil und wieder zurückgeführt.
Rohrleitungen und Apparate werden in Aluminium oder Edelstahl ausgeführt, letzteres insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei sehr hohen Betriebsdrücken. Das erfindungsgemäße Übergangsbauteil macht eine Verbindung dieser Materialien möglich. Der Anstrich der Coldbox wird sehr häufig in Weiß, aber auch in anderen hellen Farben ausgeführt. Ein Eindringen von Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft, die an den kalten Anlagenteilen gefrieren würde, kann beispielsweise durch eine kontinuierliche Spülung der Coldbox mit z.B. Stickstoff verhindert werden.
Die relativen räumlichen Begriffe "oben", "unten", "über", "unter", "oberhalb", "unterhalb", "neben", "nebeneinander", "vertikal", "horizontal" etc. beziehen sich hier auf die räumliche Ausrichtung der Rektifikationskolonnen einer Luftzerlegungsanlage oder anderer Komponenten im Normalbetrieb. Unter einer Anordnung zweier Komponenten "übereinander" wird hier verstanden, dass das sich obere Ende der unteren der beiden Komponenten auf niedrigerer oder gleicher geodätischer Höhe befindet wie das untere Ende der oberen der beiden Komponenten und sich die Projektionen der beiden Apparateteile in einer horizontalen Ebene überschneiden. Insbesondere sind die beiden Komponenten genau übereinander angeordnet, das heißt die Achsen der beiden Komponenten verlaufen auf derselben vertikalen Geraden. Die Achsen der beiden Komponenten müssen jedoch nicht genau senkrecht übereinander liegen, sondern können auch gegeneinander versetzt sein, insbesondere wenn einer der beiden Komponenten, beispielsweise eine Rektifikationskolonne oder ein Kolonnenteil mit geringerem Durchmesser, denselben Abstand zum Blechmantel einer Coldbox aufweisen soll wie ein anderer mit größerem Durchmesser. Begriffe wie "funktional unterhalb" bzw. "funktional oberhalb" bezeichnen im Falle einer mehrteilig ausgebildeten Rektifikationskolonne die Anordnung von Teilkolonnen, die diese hätten, wenn die Rektifikationskolonne einteilig ausgebildet wäre.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, die ein Rektifikationskolonnensystem mit einer Hochdruckkolonne, einer Niederdruckkolonne und einer Argonkolonne aufweist, wobei die Niederdruckkolonne und optional auch die die Argonkolonne (jeweils) zumindest in einen Fußteil und einen Kopfteil aufgeteilt sind, wie beispielsweise bereits in der zitierten EP 2 965 029 B1 beschrieben. Ferner weist die Anlage optional eine Reinsauerstoffkolonne auf.
Die Reinsauerstoffkolonne dient, falls vorhanden, zur Gewinnung hochreinen oder ultrahochreinen Sauerstoffs mit einem Restgehalt von Fremdkomponenten von jeweils bis zu typischerweise 0,05 ppb oder 1 ppb Methan, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid etc., ggf. aber auch darüber oder darunter. Die Reinsauerstoffkolonne, wird, falls vorhanden, von einer Zwischenstelle der Argonkolonne mit Flüssigkeit gespeist, die am Kopf der Reinsauerstoffkolonne aufgegeben wird. Diese Zwischenstelle liegt bei der optional vorhandenen zweiteiligen Argonkolonne insbesondere in deren Fußteil und in jedem Fall insbesondere oberhalb eines untersten Trennabschnitts, der zur Abtrennung von Komponenten mit höherem Siedepunkt als Sauerstoff, insbesondere Kohlenwasserstoffen, Kohlendioxid, Krypton und Xenon dient.
Die Argonkolonne kann insbesondere eine Rohargonkolonne sein, die neben einer Reinargonkolonne eingesetzt wird. Anstelle einer Rohargonkolonne und einer Reinargonkolonne kann auch eine Einzelkolonne zur Gewinnung eines Argonprodukts, die die Funktionen von Roh- und Reinargonkolonne teilweise miteinander vereint, indem sie einen zur Abtrennung von Stickstoff vorgesehenen weiteren Abschnitt aufweist, bereitgestellt sein. Ist nachfolgend von einer Argonkolonne die Rede, kann es sich hierbei also insbesondere um eine Rohargonkolonne handeln, die neben einer Reinargonkolonne vorhanden ist, aber auch um eine entsprechend modifizierte Rohargonkolonne, neben der keine Reinargonkolonne vorhanden ist.
Lediglich zur Verdeutlichung sei die Überführung von Fluiden zwischen den Kolonnen und Teilkolonnen, die erfindungsgemäß eingesetzt werden, nachfolgend zusammengefasst. So wird Sumpfflüssigkeit der Druckkolonne, ggf. nach Verwendung als Kühlmedium in einem Kopfkondensator der Argonkolonne und ggf. einer Reinargonkolonne, falls vorhanden, in den Kopfabschnitt der Niederdruckkolonne eingespeist. Kopfgas der Druckkolonne wird in Teilen in einem die Druckkolonne und den Fußteil der Niederdruckkolonne wärmetauschend verbindenden Hauptkondensator kondensiert und auf die Druckkolonne zurückgeführt sowie als Produkt aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet. Sumpfflüssigkeit des Fußteils der Niederdruckkolonne wird zumindest zum Teil als Produkt aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet. Kopfgas des Fußteils der Niederdruckkolonne wird, insbesondere unterhalb des untersten Rektifikationsabschnitts, in den Kopfabschnitt der Niederdruckkolonne eingespeist. Weiteres Kopfgas des Fußteils der Niederdruckkolonne wird, insbesondere unterhalb des untersten Rektifikationsabschnitts, in die Argonkolonne eingespeist bzw. deren Fußteil, falls diese entsprechend unterteilt ausgebildet ist. Kopfgas des Fußteils der Argonkolonne wird, falls die Argonkolonne entsprechend unterteilt ausgebildet ist, insbesondere unterhalb des untersten Rektifikationsabschnitts, in den Kopfabschnitt der Argonkolonne eingespeist. Sumpfflüssigkeit des Kopfabschnitts der Argonkolonne wird, falls die Argonkolonne entsprechend unterteilt ausgebildet ist, insbesondere oberhalb des obersten Rektifikationsabschnitts, in den Fußteil der Argonkolonne eingespeist, wozu insbesondere eine Pumpe zum Einsatz kommt.
Mit den Begriffen "Fußteil" und "Kopfteil" werden jeweils die Abschnitte der entsprechen aufgeteilten und damit zweiteilig ausgebildeten Kolonnen bezeichnet, die in ihrer Funktion, insbesondere hinsichtlich der dort anfallenden Fraktionen bzw. Ströme, den unteren bzw. oberen Abschnitten herkömmlicher, einteilig ausgebildeter Kolonnen entsprechen. Ein Fußteil weist beispielsweise einen Sumpfbehälter auf, ein Kopfteil weist beispielsweise einen Kopfkondensator auf. Der Kopfteil ist damit der Teil der Kolonnen, der mit einem entsprechenden Kondensator verbunden ist, und in dem ein Rücklauf auf die entsprechenden Kolonnen aufgegeben wird. In einer einteilig ausgebildeten Niederdruckkolonne bekannter Luftzerlegungsanlagen wird im Sumpf eine sauerstoffreiche Flüssigfraktion gewonnen, die als Sauerstoffprodukt abgezogen werden kann. Dies erfolgt damit auch in einem Sumpf bzw. unteren Bereich eines Fußteils einer zweiteilig ausgebildeten Niederdruckkolonne. Am Kopf einer einteilig ausgebildeten Niederdruckkolonne bekannter Luftzerlegungsanlagen kann entsprechend ein gasförmiges Stickstoffprodukt abgezogen werden, sofern diese entsprechend ausgestattet ist, oder aber sogenannter Unreinstickstoff. Gleiches gilt für den oberen Bereich eines Kopfteils einer zweiteilig ausgebildeten Niederdruckkolonne. Am Kopf einer einteilig ausgebildeten Argonkolonne (zum Begriff "Argonkolonne" siehe die obigen Erläuterungen), und entsprechend am oberen Bereich eines Kopfteils einer zweiteilig ausgebildeten Argonkolonne, wird ein Rohargonstrom oder ein Argonprodukstrom abgezogen, vom Sumpf einer einteilig ausgebildeten Argonkolonne, und entsprechend aus einem unteren Bereich eines Fußteils einer zweiteilig ausgebildeten Argonkolonne, wird das anfallende Sumpfprodukt in die N iederdruckkolonne zurückgespeist.
Die Teilung der Niederdruckkolonne in den Kopf- und Fußteil ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere oberhalb des sogenannten Sauerstoffabschnitts vorgenommen. Wie bei Häring (s.o.) unter Bezugnahme auf Figur 2.4A ausgeführt, übt Argon, wenngleich es in atmosphärischer Luft mit einem Gehalt von weniger als 1 Molprozent enthalten ist, einen starken Einfluss auf das Konzentrationsprofil in der Niederdruckkolonne aus. So kann die Trennung im untersten Rektifikationsabschnitt der Niederdruckkolonne, der typischerweise 30 bis 80 theoretische oder praktische Böden umfasst, als im Wesentlichen binäre Trennung zwischen Sauerstoff und Argon angesehen werden. Dieser Rektifikationsabschnitt ist der erwähnte Sauerstoffabschnitt. Erst ab der Ausspeisestelle für das in die Rohargonkolonne überführte Gas bzw. bei der erfindungsgemäß oberhalb des Sauerstoffabschnitts vorgenommenen Unterteilung geht die Trennung innerhalb weniger theoretischer oder praktischer Böden in eine ternäre Trennung von Stickstoff, Sauerstoff und Argon über.
Der Begriff "Rektifikationsabschnitt" soll hier einen beliebigen Abschnitt innerhalb einer Rektifikationskolonne oder Teilkolonne einer mehrteiligen Rektifikationskolonne bezeichnen, der zur Durchführung einer Rektifikation eingerichtet ist und dazu insbesondere mit entsprechenden Stoffaustauschstrukturen wie Trennböden oder geordneten oder ungeordneten Packungen ausgebildet ist. Insbesondere können zwischen Rektifikationsabschnitten Fluidabzüge bzw. -einspeisestellen, beispielsweise Seitenabzüge, bereitgestellt sein. Unterhalb eines (funktional) untersten Rektifikationsbereichs befindet sich der "Sumpf" der Rektifikationskolonne, oberhalb des (funktional) oberen Rektifikationsbereichs deren "Kopf".
Die vorliegende Erfindung schlägt insgesamt eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft vor, die ein Rektifikationskolonnensystem mit einer Hochdruckkolonne, einer Niederdruckkolonne und einer Argonkolonne sowie ein Coldboxsystem mit einer ersten Coldbox und einer zweiten Coldbox aufweist, wobei die Niederdruckkolonne zumindest in einen Fußteil und einen Kopfteil aufgeteilt ist.
Der Fußteil und der Kopfteil der Niederdruckkolonne sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart nebeneinander angeordnet, dass sich eine Orthogonalprojektion des Fußteils der Niederdruckkolonne auf eine Horizontalebene mit einer
Orthogonalprojektion des Kopfteils der Niederdruckkolonne auf die Horizontalebene nicht überschneidet. Es insbesondere eine Querschnittsebene vorhanden, die den Fußteil und den Kopfteil der Niederdruckkolonne schneidet.
Optional kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Argonkolonne ebenfalls zumindest in einen Fußteil und einen Kopfteil aufgeteilt sein, wobei der Fußteil und der Kopfteil der Argonkolonne derart nebeneinander angeordnet sind, dass sich eine Orthogonalprojektion des Fußteils der Argonkolonne auf die erwähnte Horizontalebene mit einer Orthogonalprojektion des Kopfteils der Argonkolonne auf die Horizontalebene nicht überschneidet. Es ist insbesondere eine Querschnittsebene vorhanden, die den Fußteil und den Kopfteil der Argonkolonne schneidet.
Die Hochdruckkolonne ist im Gegensatz dazu im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart unterhalb des Fußteils der Niederdruckkolonne angeordnet, dass sich eine Orthogonalprojektion der Hochdruckkolonne auf die Horizontalebene mit der Orthogonalprojektion des Fußteils der Niederdruckkolonne auf die Horizontalebene überschneidet, wobei die Längsachsen der Hochdruckkolonne und des Fußteils der Niederdruckkolonne insbesondere entlang einer gemeinsamen Hauptachse liegen bzw. eine Vertikalachse vorhanden ist, die die Hochdruckkolonne und den Fußteils der Niederdruckkolonne schneidet.
Die Hochdruckkolonne ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem Fußteil der Niederdruckkolonne in der ersten Coldbox angeordnet und der Kopfteil der Niederdruckkolonne ist in der zweiten Coldbox angeordnet. Erfindungsgemäß ist bzw. sind die Argonkolonne oder ein oder mehrere Abschnitte der Argonkolonne in der ersten Coldbox und/oder der zweiten Coldbox angeordnet.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung ergibt sich insbesondere eine einfache Baubarkeit bei geringen Transportabmaßen, insbesondere können in kleineren Anlagen alle kalten Anlagenteile in nur zwei Coldboxen untergebracht werden. Zusätzlich gibt es bei etwas größeren Anlagen regelmäßige eine dritte Coldbox für den Hauptwärmetauscher (HWT-Box). Unter einem "kalten Anlagenteil" wird hier eine Apparat oder ein Apparateteil verstanden, der im regulären Betrieb der Anlage bei niedrigen Temperaturen, insbesondere unterhalb von -50°C betrieben wird. Bei der Erfindung, wird eine entsprechend unterteilte Argonkolonne bereitgestellt. Der Fußteil der Argonkolonne ist insbesondere in der ersten Coldbox und der Kopfteil der Argonkolonne insbesondere in der zweiten Coldbox angeordnet sein: Alternativ wird im Rahmen die umgekehrte Anordnung gewählt, d.h. der Fußteil der Argonkolonne ist in der in der zweiten Coldbox und der Kopfteil der Argonkolonne in der ersten Coldbox angeordnet.
Die Argonkolonne kann, wie erwähnt, als Rohargonkolonne ausgebildet sein, in welchem Fall insbesondere eine Reinargonkolonne bereitgestellt sein kann. Die Reinargonkolonne kann dabei in der ersten Coldbox oder der zweiten Coldbox angeordnet sein, insbesondere in der Coldbox, in der im Falle einer entsprechenden Ausgestaltung bzw. Unterteilung der Kopfteil der als Rohargonkolonne ausgebildeten Argonkolonne angeordnet ist.
Falls eine Reinsauerstoffkolonne vorhanden ist, wie in einer Ausgestaltung der Erfindung der Fall, kann diese in der ersten Coldbox, der zweiten Coldbox oder einer zusätzlich bereitgestellten dritten Coldbox angeordnet sein.
Im Falle einer entsprechenden Unterteilung können die Reinsauerstoffkolonne und der Fußteil der Argonkolonne sind in der erfindungsgemäß eingesetzten Anlage derart nebeneinander angeordnet sein, dass sich eine Orthogonal Projektion zumindest eines oberen Teils der Reinsauerstoffkolonne auf die Horizontalebene mit der Orthogonalprojektion des Fußteils der Argonkolonne auf die Horizontalebene nicht überschneidet. Der obere Teil kann dabei ein Teil der Reinsauerstoffkolonne sein, der nicht durch einen im Sumpf der Reinsauerstoffkolonne angeordneten Sumpfverdampfer eingenommen wird. Letzterer kann aufgrund seiner Dimensionierung auch einen Raum einnehmen, der im Querschnitt deutlich größer ist, als der obere Teil der Reinsauerstoffkolonne und ggf. exzentrisch (bezogen auf eine Mittelachse des oberen Teils) angeordnet sein. In diesem Fall kann der untere Teil der Reinsauerstoffkolonne mit dem Sumpfverdampfer sich in der Orthogonalprojektion auf die Horizontalebene auch teilweise mit der Orthogonalprojektion des Fußteils der Argonkolonne auf die Horizontalebene überschneiden. Wie bereits zuvor mit anderen Worten ausgedrückt, wird die Reinsauerstoffkolonne, falls in einer entsprechenden Ausgestaltung vorhanden, an einer Einspeisestelle mit einer erste Transferflüssigkeit gespeist, die der Argonkolonne bzw. deren Fußteil an einer Entnahmestelle entnommen wird. Die genannten Kolonnen bzw. Kolonnenteile sind daher mit entsprechenden Entnahme- und Einspeisestellen ausgestattet. Die Entnahmestelle aus der Argonkolonne bzw. deren Fußteil liegt, wie erwähnt, insbesondere oberhalb eines Rektifikationsabschnitts, der zur Ausschleusung von Kohlenwasserstoffen dient. Die Entnahmestelle für die erste Transferflüssigkeit liegt insbesondere 1 bis 30, vorzugsweise 1 bis 15 theoretische Böden oberhalb eines Sumpfs der Argonkolonne bzw. von deren Fußabschnitt.
Die in die Reinsauerstoffkolonne transferierte erste Transferflüssigkeit weist daher insbesondere einen Sauerstoffgehalt von 50 bis 90 Molprozent, einen Argongehalt von 10 bis 50 Prozent, einen Stickstoffgehalt von 0.1 ppm bis 100 ppm und einen Gehalt anderer Komponenten mit einem höheren Siedepunkt als Sauerstoff von 0.01 ppb bis 25 ppm auf.
Vorteilhafterweise sind die Reinsauerstoffkolonne und die Argonkolonne bzw. deren Fußteil derart angeordnet, dass die Entnahmestelle für die Transferflüssigkeit aus der Argonkolonne bzw. deren Fußteil geodätisch oberhalb der Einspeisestelle für die Transferflüssigkeit in die Reinsauerstoffkolonne liegt. Auf diese Weise kann die Transferflüssigkeit insbesondere ohne Verwendung einer Pumpe in die Reinsauerstoffkolonne ablaufen, was einerseits den Aufwand für eine entsprechende Pumpe erspart und andererseits mögliche Kontaminationen durch eine entsprechende Pumpe vermeidet. Die Einspeisestelle des Transferfluids in die Reinsauerstoffkolonne liegt insbesondere oberhalb eines obersten Rektifikationsabschnitts der Reinsauerstoffkolonne.
In einer Ausgestaltung der Erfindung mit einer entsprechend unterteilten Argonkolonne ist insbesondere vorgesehen, dass der Fußteil der Argonkolonne an einer insbesondere unterhalb eines untersten Rektifikationsabschnitts in dem Fußteil der Argonkolonne liegenden Einspeisestelle mit einer zweiten Transferflüssigkeit gespeist wird, die dem Kopfteil der Niederdruckkolonne an einer insbesondere unterhalb eines untersten Rektifikationsabschnitts in dem Kopfteil der Niederdruckkolonne liegenden Entnahmestelle entnommen wird. Die genannten Kolonnen bzw. Kolonnenteile sind daher mit entsprechenden Entnahme- und Einspeisestellen ausgestattet.
Der Kopfteil der Niederdruckkolonne und der Fußteil der Argonkolonne können dabei in dieser Ausgestaltung derart angeordnet sein, dass die Entnahmestelle für die zweite Transferflüssigkeit aus dem Kopfteil der Niederdruckkolonne geodätisch oberhalb der Einspeisestelle für die weitere Transferflüssigkeit in den Fußteil der Argonkolonne liegt. Auf diese Weise können in dem Fußteil der Argonkolonne deren Sumpfflüssigkeit und Sumpfflüssigkeit des Kopfabschnitts der Niederdruckkolonne vereinigt und mittels nur einer (d.h. mittels einer gemeinsamen) Pumpe, die idealerweise redundant ausgeführt ist, auf den Fußabschnitt der Niederdruckkolonne zurückgeführt werden.
Wenn eine entsprechende Anlage einen Unterkühlungsgegenströmer aufweist, kann entweder in der ersten oder in der zweiten Coldbox angeordnet sein. Eine Anordnung des Unterkühlungsgegenströmers in einer dritten Coldbox, die den Hauptwärmetauscher enthält (HWT-Box), wird bei der Erfindung somit vermieden. In der soeben erläuterten Ausgestaltung kann der Unterkühlungsgegenströmer insbesondere unterhalb des Kopfteils der Niederdruckkolonne angeordnet sein.
In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann also insbesondere vorgesehen sein, dass der Kopfteil der Niederdruckkolonne geodätisch oberhalb eines Unterkühlungsgegenströmers angeordnet wird. Wenn nun Sumpfflüssigkeit des Kopfteils der Niederdruckkolonne in den Sumpf aus dem Fußabschnitt der Argonkolonne von oberhalb eines entsprechenden Rektifikationsabschnitts in die Reinsauerstoffkolonne ablaufen können soll, muss diese ausreichend hoch positioniert werden. In diesem Fall kann der Sumpf des Fußabschnitts der Argonkolonne um einen sogenannten "Leerschuss", also einen Leerbereich nach unten, verlängert werden, damit zugleich sichergestellt werden kann, dass in einer entsprechenden
Ausgestaltung Flüssigkeit aus dem Kopfteils der Niederdruckkolonne in den Sumpf des Fußteils der Argonkolonne ablaufen kann. Dadurch kann man die Niederdruckkolonne möglichst niedrig anordnen und die Boxhöhe der Coldbox, in der sich die Niederdruckkolonne befindet, reduzieren.
Alternativ zu der soeben erwähnten Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass der Kopfteil der Niederdruckkolonne an einer insbesondere unterhalb eines untersten Rektifikationsabschnitts in dem Kopfteil der Niederdruckkolonne liegenden Einspeisestelle mit einer zweiten Transferflüssigkeit gespeist wird, die dem Fußteil der Argonkolonne an einer insbesondere unterhalb eines untersten Rektifikationsabschnitts in dem Fußteil der Argonkolonne liegenden Entnahmestelle entnommen wird. Die genannten Kolonnen bzw. Kolonnenteile sind daher mit entsprechenden Entnahme- und Einspeisestellen ausgestattet. Der Fußteil der Argonkolonne und der Kopfteil der Niederdruckkolonne sind in dieser Ausgestaltung derart angeordnet, dass die Entnahmestelle für die weitere Transferflüssigkeit aus dem Fußteil der Argonkolonne geodätisch oberhalb der Einspeisestelle für die weitere Transferflüssigkeit in den Kopfteil der Niederdruckkolonne liegt. Auf diese Weise können in dem Kopfteil der Niederdruckkolonne deren Sumpfflüssigkeit und Sumpfflüssigkeit des Fußabschnitts der Argonkolonne vereinigt und mittels nur einer Pumpe auf den Fußabschnitt der Niederdruckkolonne zurückgeführt werden.
In einer entsprechenden Anlage, die einen Unterkühlungsgegenströmer aufweist, kann dieser in der soeben erläuterten Ausgestaltung insbesondere unterhalb des Fußteils der Argonkolonne angeordnet sein.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Kopfteil der Niederdruckkolonne und der Kopfteil der Argonkolonne derart nebeneinander angeordnet sind, dass sich die Orthogonalprojektion des Kopfteils der Niederdruckkolonne auf die Horizontalebene mit der Orthogonalprojektion des Kopfteils der Argonkolonne auf die Horizontalebene nicht überschneidet. Entsprechend ist eine Querschnittsebene vorhanden, die den Kopfteil der Niederdruckkolonne und den Kopfteil der Argonkolonne schneidet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können insbesondere Coldboxhöhen von 35 bis 50 Metern, insbesondere ca. 43 Metern, eingehalten werden. Die Hochdruckkolonne kann insbesondere eine Höhe von 20 bis 30 Metern, insbesondere von 25,8 Metern, und der Fußteil der Niederdruckkolonne insbesondere eine Höhe von 7 bis 20 Metern, beispielsweise 14,8 Metern aufweisen. Die Höhe des Fußteils der Niederdruckkolonne definiert sich insbesondere aus der Höhe des in diesem untergebrachten Hauptkondensators und der Trenneinrichtungen, des sog. Sauerstoffabschnitts, die beide insbesondere bei 5 bis 10 Metern, beispielsweise bei 7,4 Metern, liegen können. Der Durchmesser kann insbesondere bei 1 ,5 bis 4 Metern, beispielsweise bei ca. 2,8 Metern, liegen. Der Fußteil der Argonkolonne weist beispielsweise eine Höhe von 30 bis 40 Metern, insbesondere ca. 39 Metern, auf.
Der Kopfteil der Niederdruckkolonne weist insbesondere eine Höhe von 18 bis 30 Metern, beispielsweise von 23 Metern (bei einem Durchmesser von 2,4 bis 3 Metern, beispielsweise von ca. 2,6 Metern) oder eine Höhe von 25 bis 30 Metern, beispielsweise von ca. 27 Metern (bei einem Durchmesser von 1 ,2 bis 3,5 Metern, beispielsweise von ca. 2,45 Metern) auf. Die Dimensionen richten sich insbesondere nach der verwendeten Packungsdichte. Der Kopfteil der Argonkolonne kann eine zweckmäßige Dimensionierung aufweisen.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnungen und Ausgestaltungen hiervon ermöglichen vor diesem Hintergrund insbesondere eine kompakte Bauweise.
Wie in bekannten Anlagen auch, ist der Fußteil der Niederdruckkolonne über einen Kondensatorverdampfer mit der Hochdruckkolonne für einen wechselseitigen Wärmeaustausch verbunden, und der Fußteil der Niederdruckkolonne und die Hochdruckkolonne sind insbesondere in einem gemeinsamen Säulenmantel oder in mehreren, mantelseitig verbundenen Säulenmänteln angeordnet, insbesondere in Form einer bekannten Linde-Doppelkolonne (jedoch ohne den Kopfteil der Niederdruckkolonne).
Der Unterkühlungsgegenströmer kann insbesondere eine Höhe von 5 bis 10 Metern, beispielsweise von ca. 8 Metern, aufweisen. Umfasst der Kopfteil der Argonkolonne einen entsprechenden Kopfkondensator (Rohargonkondensator) weist dieser eine Höhe von typischerweise 30 bis 40 m wie der Fußteil der Argonkolonne auf. Die zuvor erläuterten Anordnungsvarianten für den Unterkühlungsgegenströmer sind insbesondere deshalb vorteilhaft, weil damit eine platzsparende Anordnung verbunden ist. Auch andere Anordnungsvarianten des Unterkühlungsgegenströmers, beispielsweise in einer Wärmetauscherbox usw., können vorteilhaft sein.
Die Reinsauerstoffkolonne kann derart neben der Hochdruckkolonne, dem Fußteil der Niederdruckkolonne und dem Fußteil der Argonkolonne (bei einer entsprechenden Unterteilung) in der ersten Coldbox angeordnet sein, dass sich eine Orthogonalprojektion zumindest eines oberen Teils (zu Gründen und weiteren Erläuterungen siehe oben) der Reinsauerstoffkolonne auf die Horizontalebene mit der Orthogonalprojektion der Hochdruckkolonne auf die Horizontalebene und der Orthogonalprojektion des Fußteils der Niederdruckkolonne auf die Horizontalebene sowie der Orthogonalprojektion des Fußteils der Argonkolonne nicht überschneidet. Die verbindenden Rohrleitungen sind dabei minimiert.
Vorteilhafterweise ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Kopfteil der Niederdruckkolonne mit einer geringeren Packungsdichte ausgebildet ist als der Kopfteil der Argonkolonne (bei einer entsprechenden Unterteilung) bzw. ist die Packungsdichte im Kopfteil der Argonkolonne, die zusammen mit dem Kopfteil der Niederdruckkolonne in der gemeinsamen Coldbox angeordnet ist, niedriger. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Unterbringung in der zweiten Coldbox in vorteilhafter Weise bewerkstelligbar.
Der Fußteil der Argonkolonne kann (bei einer entsprechenden Unterteilung derselben) im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere zur Abtrennung von schwersiedenden Komponenten, aber auch sonstigen Verunreinigungen eingerichtet sein, insbesondere auch zur Vermeidung einer Anreichung abgetrennt, .
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können insbesondere ein unterer Bereich des Kopfteils der Niederdruckkolonne und ein unterer Bereich des Fußteils der Argonkolonne (bei einer entsprechenden Unterteilung) über eine Pumpe fluidisch mit einem oberen Bereich des Fußteils der Niederdruckkolonne gekoppelt sein.
Lediglich zur Klarstellung sei hier nochmals erwähnt, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anlage vorteilhafterweise Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind, die Hochdruckkolonne mit abgekühlter Druckluft zu speisen, Mittel, die dafür eingerichtet sind, die Niederdruckkolonne mit Fluid aus der Hochdruckkolonne zu speisen, und Mittel, die dafür eingerichtet sind, die Argonkolonne mit Fluid aus der Niederdruckkolonne zu speisen.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich schließlich auch auf ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, zu dessen Merkmalen ausdrücklich auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch verwiesen wird. Insbesondere wird in einem derartigen Verfahren eine Anlage verwendet, wie sie zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde. Zu Merkmalen und Vorteilen des vorgeschlagenen Verfahrens und möglicher Ausgestaltungen sei daher auf die Erläuterungen betreffend die erfindungsgemäße Anlage ausdrücklich verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung und nicht erfindungsgemäße Ausführungsformen veranschaulichen.
Figurenbeschreibung
Figur 1 veranschaulicht eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, die einer Ausgestaltung der Erfindung zugrunde liegen kann, in Form eines vereinfachten Prozessflussdiagramms.
Figur 2 veranschaulicht eine Anordnung von Komponenten einer gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ausgebildeten Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in Seitenansicht und in vereinfachter Darstellung.
Figur 3 veranschaulicht eine Anordnung von Komponenten einer gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ausgebildeten Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in Draufsicht und in vereinfachter Darstellung.
Werden nachfolgend Anlagenkomponenten einer Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft (nachfolgend auch kurz als "Luftzerlegungsanlage" bezeichnet) beschrieben, gelten die entsprechenden Erläuterungen auch für ein damit durchgeführtes Verfahren und umgekehrt.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage, die zur Gewinnung eines Argonprodukts und eines Reinsauerstoffprodukts eingerichtet ist schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
Die Luftzerlegungsanlage 100 weist ein Rektifikationskolonnensystem 10 auf, das eine
Hochdruckkolonne 11 , eine in einen Fußteil 12 und einen Kopfteil 13 unterteilte Niederdruckkolonne, eine ebenfalls in einen Fußteil 14 und einen Kopfteil 15 unterteilte (Roh-)Argonkolonne und eine Reinargonkolonne 20 umfasst. Eine Reinsauerstoffkolonne ist mit 18 bezeichnet. Ein mit 1 bezeichneter Block umfasst die üblichen, in einer Luftzerlegungsanlage der veranschaulichten Art vorhandenen Komponenten zur Verdichtung, Aufreinigung und Abkühlung der Einsatzluft, insbesondere auch einen Hauptwärmetauscher bekannter Art. Ein Unterkühlungsgegenströmer ist mit 17 bezeichnet.
Der Fußteil 12 und der Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne sowie der Fußteil 14 und der Kopfteil 15 der Argonkolonne sind baulich voneinander getrennt und im oben erläuterten Sinn nebeneinander angeordnet. Der Fußteil 12 und der Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne entsprechen zusammen funktional einer herkömmlichen Niederdruckkolonne einer Doppelkolonne. Die Hochdruckkolonne 11 und der Fuß- und Kopfteil 12, 13 der Niederdruckkolonne bilden damit ein Rektifikationskolonnensystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung an sich bekannter Art, an die ein aus dem Fußteil 14 und dem Kopfteil 15 der Argonkolonne und der Reinargonkolonne 20 bestehende Argonsystem angebunden ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird abgekühlte und verdichtete Einsatzluft in Form zweier Stoffströme a, b in die Hochdruckkolonne 11 bzw. den Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne eingespeist. Die Luftzerlegungsanlage 100 kann zur Innenverdichtung ausgebildet und im hier dargestellten Rahmen beliebig ausgestaltet sein. Weitere verdichtete Einsatzluft wird in Form eines Stoffstroms c durch einen nicht gesondert bezeichneten Sumpfverdampfer der Reinsauerstoffkolonne 18 geführt, dort zumindest zum Teil kondensiert, und danach ebenfalls, nun mit d bezeichnet, in den Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne eingespeist. Die spezifische Art der Lufteinspeisung in die Kolonnenanordnung ist nicht erfindungswesentlich und kann in beliebiger Weise ausgestaltet sein (mit/ohne Drosselstrom, mit/ohne Lufteinspeisung in die Niederdruckkolonne bzw. deren Kopfteil 13 etc.). Dies gilt auch für die Bereitstellung von Turbinen zur Kälteerzeugung, die bereitgestellt sein können oder nicht.
Die Hochdruckkolonne 11 und der Fußteil 12 der Niederdruckkolonne stehen über einen Kondensatorverdampfer 19, den sogenannten Hauptkondensator, in wärmetauschender Verbindung und sind als bauliche Einheit ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch grundsätzlich auch in Systemen einsetzbar, in denen die Hochdruckkolonne 11 und die Niederdruckkolonne (bzw. deren Fußteil 12) getrennt voneinander angeordnet sind und einen separaten, d.h. nicht in die Säulen integrierten, Kondensatorverdampfer 19 aufweisen.
Der Betrieb der Luftzerlegungsanlage 100 ergibt sich unmittelbar aus der Darstellung gemäß Figur 1. Auf die eingangs zitierte Fachliteratur wird daher verwiesen.
Insbesondere sind hier der Fußteil 12 und der Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne fluidisch dadurch miteinander gekoppelt, dass Kopfgas aus einem oberen Bereich des Fußteils 12 der Niederdruckkolonne in Form eines Stoffstroms e einen unteren Bereich des Kopfteils 13 der Niederdruckkolonne überführt wird. Wie auch unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert, ist die Anordnung des Kopfteils 13 der Niederdruckkolonne und des Fußteils 14 der Argonkolonne im dargestellten Beispiel derart, dass Sumpfflüssigkeit in Form eines Stoffstroms f aus einem unteren Bereich des Kopfteils 13 der Niederdruckkolonne in einen unteren Bereich des Fußteils 14 der Argonkolonne ablaufen kann, in welchen auch ein weiterer Teil des Kopfgases aus dem oberen Bereich des Fußteils 12 der Niederdruckkolonne in Form eines Stoffstroms g eingespeist wird. Auf diese Weise wird Sumpfflüssigkeit aus dem Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne und dem Fußteil 14 der Argonkolonne im Sumpf des Fußteils 14 der Argonkolonne gesammelt und kann mittels einer gemeinsamen Pumpe 110 in Form eines Stoffstroms h in einen oberen Bereich des Fußteils 12 der Niederdruckkolonne zurückgepumpt werden. Auch eine umgekehrte Anordnung ist möglich, wie erwähnt.
Kopfgas des Fußabschnitts 14 der Argonkolonne wird in einen unteren Bereich des Kopfabschnitts 15 der Argonkolonne überführt und Flüssigkeit wird entsprechend mit einer Pumpe 120 zurückgepumpt. Die Einbindung der Reinargonkolonne 20 kann im Wesentlichen dem Fachüblichen entsprechen. Die aus dem Fußteil 14 und dem Kopfteil 15 bestehende Argonkolonne ist also parallel zu der Niederdruckkolonne bzw. deren Fußteil 12 und Kopfteil 13 fluidisch angebunden, dass entsprechendes Kopfgas aus einem oberen Bereich des Fußteils 12 der Niederdruckkolonne auch in einen unteren Bereich des Fußteils 14 der Argonkolonne überführt und Sumpfflüssigkeit aus dem unteren Bereich des Fußteils 14 der Argonkolonne in den oberen Bereich des Fußteils 12 der Niederdruckkolonne zurückgeführt wird. Insbesondere kommt dabei dieselbe Pumpe zum Einsatz, die auch zum Rückführen der Sumpfflüssigkeit aus dem unteren Bereich des Kopfteils 13 der Niederdruckkolonne in einen oberen Bereich des Fußteils 12 der Niederdruckkolonne verwendet wird.
Weiter sind der Fußteil 14 und der Kopfteil 15 der Argonkolonne fluidisch dadurch miteinander gekoppelt, dass Kopfgas aus einem oberen Bereich des Fußteils 14 der Argonkolonne in einen unteren Bereich des Kopfteils 15 der Argonkolonne überführt wird und mittels einer (weiteren) Pumpe Sumpfflüssigkeit aus einem unteren Bereich des Kopfteils 15 der Argonkolonne in einen oberen Bereich des Fußteils 14 der Argonkolonne zurückgeführt wird.
Die Reinsauerstoffkolonne 18 wird hier an einer Einspeisestelle 18a mit einer Transferflüssigkeit in Form eines Stoffstroms t gespeist, die dem Fußteil 14 der Argonkolonne an einer Entnahmestelle 14a entnommen wird. Die Reinsauerstoffkolonne 18 und der Fußteil 14 der Argonkolonne sind dabei derart angeordnet, dass die Entnahmestelle 14a für die Transferflüssigkeit aus dem Fußteil 14 der Argonkolonne geodätisch oberhalb der Einspeisestelle 18a für die Transferflüssigkeit in die Reinsauerstoffkolonne 18 liegt, wodurch diese pumpenlos in die Reinsauerstoffkolonne 18 transferiert werden kann.
Der Fußteil 14 der Argonkolonne wird ferner an einer Einspeisestelle 14b mit einer weiteren Transferflüssigkeit in Form des bereits erwähnten Stoffstroms f gespeist, die dem Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne an einer Entnahmestelle 13b entnommen wird, wobei der Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne und der Fußteil 14 der Argonkolonne im hier veranschaulichten Beispiel derart angeordnet sind, dass die Entnahmestelle 13b für die weitere Transferflüssigkeit aus dem Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne oberhalb der Einspeisestelle 14b für die weitere Transferflüssigkeit in den Fußteil 14 der Argonkolonne liegt.
Eine Integration der Komponenten der Luftzerlegungsanlage 100 in Coldboxen ist in Figur 2 in Form einer vereinfachten Seitenansicht veranschaulicht, wobei die Komponenten der Luftzerlegungsanlage 100 mit identischen Bezugszeichen wie zuvor zu Figur 1 erläutert angegeben sind. Wie in Figur 1 sind diese in Seitenansicht gezeigt, jedoch noch stärker vereinfacht. Die Fluidverbindungen sind nicht gezeigt, ergeben sich jedoch entsprechend der Darstellung gemäß Figur 1. Es sind zwei Coldboxen 110 und 120 veranschaulicht, die wie nachfolgend erläutert Komponenten der Luftzerlegungsanlage 100 enthalten und diese thermisch isolieren.
Der Fußteil 12 und der Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne sind hier derart nebeneinander angeordnet, dass sich eine Orthogonal Projektion des Fußteils 12 der Niederdruckkolonne auf eine Horizontalebene H mit einer Orthogonal Projektion des Kopfteils 13 der Niederdruckkolonne auf die Horizontalebene H nicht überschneidet, und der Fußteil 14 und der Kopfteil 15 der Argonkolonne sind ebenfalls derart nebeneinander angeordnet, dass sich eine Orthogonal Projektion des Fußteils 14 der Argonkolonne auf die Horizontalebene H mit einer Orthogonal Projektion des Kopfteils 15 der Argonkolonne auf die Horizontalebene H nicht überschneidet.
Dagegen ist die Hochdruckkolonne 11 derart unterhalb des Fußteils 12 der Niederdruckkolonne angeordnet, dass sich eine Orthogonal Projektion der Hochdruckkolonne 11 auf die Horizontalebene H mit der Orthogonalprojektion des Fußteils 12 der Niederdruckkolonne auf die Horizontalebene H überschneidet.
Die Reinsauerstoffkolonne 18 und der Fußteil 14 der Argonkolonne sind derart nebeneinander angeordnet, dass sich eine Orthogonalprojektion zumindest eines oberen Teils (weitere Erläuterungen oben) der Reinsauerstoffkolonne 18 auf die Horizontalebene H mit der Orthogonalprojektion des Fußteils 14 der Argonkolonne auf die Horizontalebene H nicht überschneidet,
Ferner sind in der Luftzerlegungsanlage 100 der Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne und der Kopfteil 15 der Argonkolonne derart nebeneinander angeordnet, dass sich die Orthogonalprojektion des Kopfteils 13 der Niederdruckkolonne auf die Horizontalebene H mit der Orthogonalprojektion des Kopfteils 15 der Argonkolonne auf die Horizontalebene H überschneidet.
Die Hochdruckkolonne 11 , der Fußteil 12 der Niederdruckkolonne und der Fußteil 14 der Argonkolonne sowie die Reinsauerstoffkolonne 18 sind in der ersten Coldbox 110 und der Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne und der Kopfteil 15 der Argonkolonne sind in der zweiten Coldbox 120 angeordnet sind, ebenso wie die Reinargonkolonne 20. Hierdurch ergeben sich die Vorteile einer entsprechenden erfindungsgemäßen Ausführungsform. Wie hier gestrichelt veranschaulicht, kann der Unterkühlungsgegenströmer 17 insbesondere derart unterhalb des Kopfteils 13 der Niederdruckkolonne in der zweiten Coldbox 120 angeordnet sein, dass sich eine Orthogonalprojektion des Unterkühlungsgegenströmers 17 auf die Horizontalebene H mit der Orthogonalprojektion des Kopfteils 13 der Niederdruckkolonne auf ebendiese Horizontalebene H überschneidet.
Wie erläutert, kann der Kopfteil 13 der Niederdruckkolonne mit einer geringeren Packungsdichte ausgebildet sein als der Kopfteil 15 der Argonkolonne, und der Fußteil 14 der Argonkolonne kann zur Abtrennung von Methan eingerichtet sein. Wie zuvor erläutert und im Detail in Figur 1 dargestellt, kann auch hier ein unterer Bereich des Kopfteils 13 der Niederdruckkolonne und ein unterer Bereich des Fußteils 14 der Argonkolonne über eine (gemeinsame) Pumpe fluidisch mit einem oberen Bereich des Fußteils 12 der Niederdruckkolonne gekoppelt sein.
Figur 3 veranschaulicht die in Figur 2 dargestellten Komponenten in Draufsicht, wobei die Horizontalebene H parallel zur Papierebene liegt und zu weiteren Details auf die Erläuterungen zu Figur 2 ausdrücklich verwiesen wird.

Claims

24
Patentansprüche Anlage (100) zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, die ein Rektifikationskolonnensystem (10) mit einer Hochdruckkolonne (11), einer Niederdruckkolonne (12, 13) und einer Argonkolonne (14, 15) sowie ein Coldboxsystem (20) mit einer ersten Coldbox (110) und einer zweiten Coldbox (120) aufweist, wobei
- die Niederdruckkolonne (12, 13) zumindest in einen Fußteil (12) und einen Kopfteil (13) aufgeteilt ist,
- der Fußteil (12) und der Kopfteil (13) der Niederdruckkolonne (12, 13) derart nebeneinander angeordnet sind, dass sich eine Orthogonalprojektion des Fußteils (12) der Niederdruckkolonne (12, 13) auf eine Horizontalebene (H) mit einer Orthogonalprojektion des Kopfteils (13) der Niederdruckkolonne (12, 13) auf die Horizontalebene (H) nicht überschneidet,
- die Hochdruckkolonne (11) derart unterhalb des Fußteils (12) der Niederdruckkolonne (12, 13) angeordnet ist, dass sich eine
Orthogonal projektion der Hochdruckkolonne (11) auf die Horizontalebene (H) mit der Orthogonal projektion des Fußteils (12) der Niederdruckkolonne (12, 13) auf die Horizontalebene (H) überschneidet,
- die Hochdruckkolonne (11) zusammen mit dem Fußteil (12) der Niederdruckkolonne (12, 13) in der ersten Coldbox (110) und der Kopfteil (13) der Niederdruckkolonne (12, 13) in der zweiten Coldbox (120) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Argonkolonne (14, 15) zumindest in einen Fußteil (14) und einen Kopfteil (15) aufgeteilt ist, wobei der Fußteil (14) und der Kopfteil (15) der Argonkolonne (14, 15) derart nebeneinander angeordnet sind, dass sich eine Orthogonalprojektion des Fußteils (14) der Argonkolonne (14, 15) auf die Horizontalebene (H) mit einer Orthogonalprojektion des Kopfteils (15) der Argonkolonne (14, 15) auf die Horizontalebene (H) nicht überschneidet, wobei der Fußteil (14) der Argonkolonne (14, 15) in der ersten Coldbox (110) und der Kopfteil (15) der Argonkolonne (14, 15) in der zweiten Coldbox (120) angeordnet ist, oder der Fußteil (14) der Argonkolonne (14, 15) in der zweiten Coldbox (120) und der Kopfteil (15) der Argonkolonne (14, 15) in der ersten Coldbox (110) angeordnet ist.
2. Anlage (100) nach Anspruch 1 , bei dem die Argonkolonne (14, 15) als Rohargonkolonne ausgebildet ist und ferner eine Reinargonkolonne (20) bereitgestellt ist, wobei die Reinargonkolonne (20) in der ersten Coldbox (110) oder der zweiten Coldbox (120) angeordnet ist, insbesondere in der Coldbox, in der der Kopfteil (15) der als Rohargonkolonne ausgebildeten Argonkolonne (14, 15) angeordnet ist.
3. Anlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Rektifikationskolonnenanordnung (100) eine Reinsauerstoffkolonne (18) aufweist.
4. Anlage (100) nach Anspruch 3, bei dem die Reinsauerstoffkolonne (18) in der ersten Coldbox (110), der zweiten Coldbox (120) oder einer zusätzlich bereitgestellten dritten Coldbox (23) angeordnet ist.
5. Anlage (100) nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Reinsauerstoffkolonne (18) und der Fußteil (14) der Argonkolonne (14, 15) derart nebeneinander angeordnet sind, dass sich eine Orthogonalprojektion zumindest eines oberen Teils der Reinsauerstoffkolonne (18) auf die Horizontalebene (H) mit der Orthogonalprojektion des Fußteils (14) der Argonkolonne (14, 15) auf die Horizontalebene (H) nicht überschneidet.
6. Anlage (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Reinsauerstoffkolonne (18) eine Einspeisestelle (18a) für eine erste Transferflüssigkeit aufweist und der Fußteil (14) der Argonkolonne (14, 15) eine Entnahmestelle (14a) für die erste Transferflüssigkeit aufweist, wobei die Reinsauerstoffkolonne (18) und der Fußteil der Argonkolonne (14, 15) derart angeordnet sind, dass die Entnahmestelle (14a) für die erste Transferflüssigkeit geodätisch oberhalb der Einspeisestelle (18a) für die erste Transferflüssigkeit liegt.
7. Anlage (100) nach Anspruch 6, bei dem die Entnahmestelle (14a) für die erste Transferflüssigkeit 1 bis 30, vorzugsweise 1 bis 15 theoretische Böden oberhalb eines Sumpfs des Fußabschnitts der Argonkolonne (14, 15) liegt.
8. Anlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Fußteil (14) der Argonkolonne (14, 15) eine Einspeisestelle (14b) für eine zweite Transferflüssigkeit aufweist und der Kopfteil (13) der Niederdruckkolonne (12, 13) eine Entnahmestelle (13b) für die zweite Transferflüssigkeit aufweist, wobei der Kopfteil (13) der Niederdruckkolonne (12, 13) und der Fußteil (14) der Argonkolonne (14, 15) derart angeordnet sind, dass die Entnahmestelle (13b) für die zweite Transferflüssigkeit oberhalb der Einspeisestelle (14b) für die zweite Transferflüssigkeit liegt.
9. Anlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die einen Unterkühlungsgegenströmer (17) aufweist, der in der ersten oder zweiten Coldbox (110, 120), insbesondere in der zweiten Coldbox (120) unterhalb des Kopfteils (13) der Niederdruckkolonne (12, 13) angeordnet ist.
10. Anlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Kopfteil (13) der Niederdruckkolonne (12, 13) eine Einspeisestelle (13c) für eine zweite Transferflüssigkeit aufweist und der Fußteil (14) der Argonkolonne (14, 15) eine Entnahmestelle (14c) für die zweite Transferflüssigkeit aufweist, wobei der der Fußteil (14) der Argonkolonne (14, 15) und der Kopfteil (13) der Niederdruckkolonne (12, 13) derart angeordnet sind, dass die Entnahmestelle (14c) für die zweite Transferflüssigkeit oberhalb der Einspeisestelle (13c) für die zweite Transferflüssigkeit liegt.
11. Anlage (100) nach Anspruch 10, die einen Unterkühlungsgegenströmer (17) aufweist, der unterhalb des Fußteils (14) der Argonkolonne (14, 15) angeordnet ist.
12. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der alle kalten Apparateteile in der ersten oder der zweiten Coldbox (110, 120) angeordnet sind und keine dritte Coldbox eingesetzt wird. 27
13. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem eine Anlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet wird.
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