DE19651280C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von reinem Argon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von reinem Argon gemäß den Patentansprüchen 1 beziehungsweise 8.

Ein Verfahren, bei dem ein Argon, Stickstoff und Sauerstoff enthaltendes Einsatzfluid in eine Reinargonsäule eingeleitet wird, an deren Kopf eine stickstoffhaltige Restfraktion abgezogen wird, wobei aus einer stickstoffabgereicherten Fraktion, die unterhalb der Stelle, an der das Einsatzfluid in die Reinargonsäule eingespeist wird, aus der Reinargonsäule entnommen wird, Sauerstoff durch chemische Adsorption entfernt und eine Hochreinargonfraktion erzeugt wird, und eine entsprechende Vorrichtung sind aus der EP-444422-A1 bekannt. Dort wird das Sumpfprodukt einer Reinargonsäule verdampft und einer chemischen Adsorptionsstufe zugeleitet, die aus zwei umschaltbaren Behältern besteht. Das an Sauerstoff abgereicherte Produkt der chemischen Adsorption wird gasförmig oder nach Verflüssigung im Kopfkondensator der Reinargonsäule als Produkt abgezogen. Bei diesem Verfahren ist es notwendig, die Reinargonsäule unter einem etwas erhöhten Druck zu betreiben, der ausreicht, um die stickstoffabgereicherter Fraktion durch die chemische Adsorptionsstufe und gegebenenfalls durch einen Kondensator zu drücken. Dieser erhöhte Druck verschlechtert die Rektifikation in der Reinargonsäule und in gegebenenfalls vorgeschalteten Trennstufen wie beispielsweise einer Rohargonsäule und einer Doppelrektifiziersäule zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die diesen Nachteil nicht aufweisen.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichenden Merkmalen der Patentansprüche 1 beziehungsweise 8 gelöst.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise bewirkt eine teilweise Entkopplung der Drücke der Reinargonsäule und der chemischen Adsorption. Dadurch daß die stickstoffabgereicherte Fraktion die Strecke zwischen Reinargonsäule und chemischer Adsorption mindestens teilweise in flüssigem Zustand durchläuft, kann ein hydrostatisches Potential zur Druckerhöhung ausgenutzt werden. Dieses kann beispielsweise durch eine entsprechende räumliche Anordnung der chemischen Adsorptionsstufe und/oder eines dieser vorgeschalteten Verdampfters erzeugt werden. Damit kann die chemische Adsorption bei überatmosphärischem Druck betrieben werden, ohne daß das Druckniveau der Reinargonsäule angehoben oder Maschinen zur Druckerhöhung eingesetzt werden müßten.

Vorzugsweise wird die stickstoffabgereicherte Fraktion stromaufwärts der chemischen Adsorption in indirektem Wärmeaustausch mit der Hochreinargonfraktion verdampft und/oder angewärmt. Im Falle des Verdampfens sollte dieser indirekte Wärmeaustausch auf geringerer geodätischer Höhe als der Abzug der stickstoffabgereicherten Fraktion durchgeführt werden.

Es ist ferner günstig, wenn die Hochreinargonfraktion stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs mit der stickstoffabgereicherten Fraktion verflüssigt wird, so daß die Hochreinargonfraktion beispielsweise in einem Flüssigtank gespeichert werden kann.

Die chemische Adsorption wird in der Regel diskontinuierlich oder im Umschaltbetrieb durchgeführt. Zwischen den Adsorptionsphasen wird das chemisch aktive Material durch die Zufuhr eines wasserstoffhaltigen Regeneriergases (beispielsweise eines Wasserstoff-Stickstoff-Gemischs) reduziert und damit regeneriert. Nach einer derartigen Regenerierphase muß die Adsorptionsstufe mit stickstoffabgereicherter Fraktion gespült werden. Dieses Spülgas, fast reines Argon, wird bisher verworfen (siehe EP-444422-A1). Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Hochreinargonfraktion jedoch mindestens zeitweise - beispielsweise während des Spültaktes - in die Reinargonsäule eingeleitet werden. Dadurch erhöht sich die Gesamtausbeute an Argon. Die Rest des Regeneriergases (beispielsweise Wasserstoff und Stickstoff) werden mit dem Restgas der Reinargonsäule entfernt.

Die Einleitung der Hochreinargonfraktion in die Reinargonsäule wird vorzugsweise mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden oberhalb der Stelle vorgenommen, an der die stickstoffabgereicherte Fraktion entnommen wird.

Außerhalb der Spülzeiten ist es günstig, wenn die Hochreinargonfraktion direkt als Produkt abgezogen wird, das heißt insbesondere ohne vorherige Einspeisung in die Reinargonsäule.

Das Argon, Stickstoff und Sauerstoff enthaltende Einsatzfluid wird vorzugsweise durch das Produkt einer mit einer Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung von Sauerstoff und/oder Stickstoff verbundenen Rohargonsäule gebildet. Derartige Verfahren zur Gewinnung von Rohargon aus Luft sind dem Fachmann aus einschlägigen Lehrbüchern bekannt. Alle Varianten von Prozessen mit Stickstoff- Sauerstoff-Trennung und Rohargonsäule sind für die Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet, beispielsweise dasjenige der EP-377177-B2 oder der EP-628777-A1. Auch verschiedene Arten der Sumpfheizung und Kopfkühlung der Reinargonsäule sind im Rahmen der Erfindung einsetzbar (siehe beispielsweise EP-669509-A1).

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die in der Zeichnung nicht ausdrücklich gezeigten Verfahrensschritte und Vorrichtungsteile können in jeder dem Fachmann geläufigen Form ausgeführt werden.

Ein Argon, Stickstoff und Sauerstoff enthaltendes Einsatzfluid 1 wird flüssig in eine Reinargonsäule 2 eingeleitet und in eine stickstoffhaltige Restfraktion und in ein Argonprodukt 4 gewöhnlicher Reinheit (Restverunreinigungen ca. 5 ppm) getrennt. Die Reinargonsäule weist einen Sumpfverdampfer 5 auf, der mit einem geeigneten Heizmedium beheizt wird, beispielsweise mit Stickstoff oder Sumpfflüssigkeit aus der Druckstufe einer Doppelsäule zur Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft oder durch Luft. In einem Kopfkondensator 7 wird Rücklauf für die Reinargonsäule erzeugt, indem ein geeignetes Kühlmedium verdampft wird, beispielsweise Stickstoff oder Sumpfflüssigkeit aus der Druckstufe einer Luftzerleger-Doppelsäule. Wie in der Zeichnung dargestellt, kann dazu auch im Sumpfverdampfer kondensiertes und/oder abgekühltes Heizmedium 9 eingesetzt werden.

Unmittelbar oberhalb des Sumpfes der Reinargonsäule 2 wird eine stickstoffabgereicherte Fraktion 10 mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 1 ppm entnommen, in einem Wärmetauscher 11 und gegebenenfalls in einem weiteren, mit Luft, Wasser, Dampf und/oder elektrischer Energie beheizten Wärmetauscher 12 verdampft und auf eine Temperatur von etwa 150°C angewärmt und in eine chemische Adsorptionsstufe 13 eingeleitet. Diese ist vorzugsweise mit einem nickel- und/oder kupferhaltigen Katalysatormaterial gefüllt. Dabei wird eine Hochreinargonfraktion 14 erzeugt, im Wärmetauscher 11 gegen die stickstoffabgereicherte Fraktion 10 angewärmt, durch indirekten Wärmetausch 16 rückverflüssigt und über Leitung 17 als flüssiges Produkt abgezogen. Alternativ oder ergänzend ist auch eine gasförmige Produktentnahme aus Leitung 15 möglich. Über Leitung 18 kann die Hochreinargonfraktion ganz oder teilweise in die Reinargonsäule zurückgeführt werden.

Die chemische Adsorptionsstufe wird beispielsweise diskontinuierlich betrieben, wobei in einem Zyklus Beladetakt, Regeneriertakt und Spültakt aufeinanderfolgen. Während des Beladetakts wird vorzugsweise die gesamte Hochreinargonfraktion 15 über Leitung 17 als Produkt entnommen. Gleichzeitig wird über Leitung 4 ein weniger reines Argonprodukt (noch etwa 1 ppm Sauerstoff) entnommen. Das Katalysatormaterial nimmt den in der stickstoffabgereicherten Fraktion enthaltenen Sauerstoff durch Oxidation auf. Während des Regenerierens wird die Leitung 10 verschlossen, so daß keine stickstoffabgereicherte Fraktion in die chemische Adsorption 13 einströmt. Stattdessen wird ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch 19 eingeleitet, wobei das Katalysatormaterial reduziert und damit regeneriert wird. Das Wasserstoff-Stickstoff-Wasser-Gemisch wird über Leitung 20 abgeführt. Nach Abschluß der Regenerierung müssen in der chemischen Adsorptionsstufe 13 verbliebener Wasserstoff und Stickstoff entfernt werden. Dazu wird Leitung 10 wieder geöffnet und mit der stickstoffabgereicherten Fraktion gespült. Das in Leitung 14/15 anstehende Gemisch ist während des Spültaktes mit Wasserstoff und Stickstoff verunreinigt und kann daher nicht als Hochreinprodukt über Leitung 17 abgeführt werden. Es wird vielmehr über Leitung 18 in die Reinargonsäule 2 eingeführt, und zwar etwa 15 theoretische Böden oberhalb des Anstichs 10. Wasserstoff und Stickstoff gehen ins Restgas 3, während der Argonanteil zusammen mit dem Argonprodukt 4 normaler Reinheit zurückgewonnen werden kann. Auf diese Weise entstehen durch die Spülung der chemischen Adsorptionsstufe keine Verluste an Argonprodukt.

Falls eine kontinuierliche Produktion von hochreinem Argon erforderlich ist, kann die chemische Adsorption auch in zwei umschaltbaren Behältern durchgeführt werden, die abwechselnd beladen und regeneriert werden.

Das Argon, Stickstoff und Sauerstoff enthaltende Einsatzfluid 1 wird vorzugsweise durch die Produktfraktion einer Rohargonsäule 21 gebildet, die als Seitenkolonne der Niederdruckstufe einer Luftzerleger-Doppelsäule geschaltet ist. Die Kopfkühlung 22 der Rohargonsäule 21 kann auf jede bekannte Weise durchgeführt werden, beispielsweise durch indirekten Wärmeaustausch mit einer sauerstoffangereicherten Flüssigkeit aus der Druckstufe der Doppelsäule.

Claims (8)

1. Verfahren zur Gewinnung von reinem Argon, bei dem ein Argon, Stickstoff und Sauerstoff enthaltendes Einsatzfluid (1) in eine Reinargonsäule (2) eingeleitet wird, an deren Kopf eine stickstoffhaltige Restfraktion (3) abgezogen wird, wobei aus einer stickstoffabgereicherten Fraktion (10), die unterhalb der Stelle, an der das Einsatzfluid (1) in die Reinargonsäule (2) eingespeist wird, aus der Reinargonsäule (2) entnommen wird, Sauerstoff durch chemische Adsorption (13) entfernt und eine Hochreinargonfraktion (14, 15, 17) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die stickstoffabgereicherte Fraktion (10) in flüssigem Zustand aus der Reinargonsäule (2) entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stickstoffabgereicherte Fraktion (10) stromaufwärts der chemischen Adsorption (13) in indirektem Wärmeaustausch (11) mit der Hochreinargonfraktion (14) verdampft und/oder angewärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochreinargonfraktion (15) stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs (11) mit der stickstoffabgereicherten Fraktion (10) verflüssigt (16) wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochreinargonfraktion (15) mindestens zeitweise in die Reinargonsäule (2) eingeleitet (18) wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung (18) der Hochreinargonfraktion (15) in die Reinargonsäule (2) mindestens einen theoretischen oder praktischen Boden oberhalb der Stelle erfolgt, an der die stickstoffabgereicherte Fraktion (10) entnommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochreinargonfraktion (15) mindestens zeitweise als Produkt (17) abgezogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Argon, Stickstoff und Sauerstoff enthaltende Einsatzfluid (1) durch das Produkt einer Rohargonsäule (21) gebildet wird, die mit einer Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung von Sauerstoff und/oder Stickstoff verbunden ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung zur Entnahme der stickstoffabgereicherten Fraktion (10) aus der Reinargonsäule (2) als Flüssigkeitsleitung ausgebildet ist.