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EP3870915B1 - Method and installation for cryogenic decomposition of air - Google Patents

Method and installation for cryogenic decomposition of air

Info

Publication number
EP3870915B1
EP3870915B1 EP19795456.3A EP19795456A EP3870915B1 EP 3870915 B1 EP3870915 B1 EP 3870915B1 EP 19795456 A EP19795456 A EP 19795456A EP 3870915 B1 EP3870915 B1 EP 3870915B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rectification column
stream
column
air
oxygen
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.)
Active
Application number
EP19795456.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP3870915A1 (en
Inventor
Christian Kunz
Stefan Lochner
Wolfgang Haag
Lars Kirchner
Tobias Lautenschlager
Dimitri GOLUBEV
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 EP3870915A1 publication Critical patent/EP3870915A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3870915B1 publication Critical patent/EP3870915B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F25J3/04254Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using the cold stored in external cryogenic fluids
    • F25J3/0426The cryogenic component does not participate in the fractionation
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    • F25J3/04284Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
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    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04406Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system
    • F25J3/0443A main column system not otherwise provided, e.g. a modified double column flowsheet
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04436Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using at least a triple pressure main column system
    • F25J3/04442Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using at least a triple pressure main column system in a double column flowsheet with a high pressure pre-rectifier
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    • F25J3/04436Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using at least a triple pressure main column system
    • F25J3/04448Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using at least a triple pressure main column system in a double column flowsheet with an intermediate pressure column
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    • F25J3/04436Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using at least a triple pressure main column system
    • F25J3/04454Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using at least a triple pressure main column system a main column system not otherwise provided, e.g. serially coupling of columns or more than three pressure levels
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    • F25J3/04496Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using the cold from cryogenic liquids produced within the air fractionation unit and stored in internal or intermediate storages for compensating variable air feed or variable product demand by alternating between periods of liquid storage and liquid assist
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    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04642Recovering noble gases from air
    • F25J3/04648Recovering noble gases from air argon
    • F25J3/04654Producing crude argon in a crude argon column
    • F25J3/04709Producing crude argon in a crude argon column as an auxiliary column system in at least a dual pressure main column system
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    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04642Recovering noble gases from air
    • F25J3/04648Recovering noble gases from air argon
    • F25J3/04654Producing crude argon in a crude argon column
    • F25J3/04709Producing crude argon in a crude argon column as an auxiliary column system in at least a dual pressure main column system
    • F25J3/04715The auxiliary column system simultaneously produces oxygen
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    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04642Recovering noble gases from air
    • F25J3/04648Recovering noble gases from air argon
    • F25J3/04721Producing pure argon, e.g. recovered from a crude argon column
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    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04769Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
    • F25J3/04854Safety aspects of operation
    • F25J3/0486Safety aspects of operation of vaporisers for oxygen enriched liquids, e.g. purging of liquids
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04872Vertical layout of cold equipments within in the cold box, e.g. columns, heat exchangers etc.
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J3/00Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04872Vertical layout of cold equipments within in the cold box, e.g. columns, heat exchangers etc.
    • F25J3/04878Side by side arrangement of multiple vessels in a main column system, wherein the vessels are normally mounted one upon the other or forming different sections of the same column
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/0489Modularity 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"
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/04Processes or apparatus using separation by rectification in a dual pressure main column system
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2200/00Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/08Processes or apparatus using separation by rectification in a triple pressure main column system
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/50Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/50Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column
    • F25J2200/54Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column in the low pressure column of a double pressure main column system
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/72Refluxing the column with at least a part of the totally condensed overhead gas
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/90Details relating to column internals, e.g. structured packing, gas or liquid distribution
    • F25J2200/94Details relating to the withdrawal point
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2210/00Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/06Splitting of the feed stream, e.g. for treating or cooling in different ways
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2210/00Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/42Nitrogen
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2215/00Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/50Oxygen or special cases, e.g. isotope-mixtures or low purity O2
    • F25J2215/52Oxygen production with multiple purity O2
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    • F25J2215/00Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/50Oxygen or special cases, e.g. isotope-mixtures or low purity O2
    • F25J2215/56Ultra high purity oxygen, i.e. generally more than 99,9% O2
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2230/00Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/50Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams the fluid being oxygen
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2230/00Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/52Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams the fluid being oxygen enriched compared to air, e.g. "crude oxygen"
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2235/00Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/50Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being oxygen
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2235/00Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/52Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being oxygen enriched compared to air ("crude oxygen")
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2240/00Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/04Multiple expansion turbines in parallel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J2240/00Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/40Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
    • F25J2240/42Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being air
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/02Recycle of a stream in general, e.g. a by-pass stream
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/50Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/02Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/20Boiler-condenser with multiple exchanger cores in parallel or with multiple re-boiling or condensing streams
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00Refrigeration techniques used
    • F25J2270/02Internal refrigeration with liquid vaporising loop

Definitions

  • the invention relates to a process for the low-temperature separation of air and a corresponding plant according to the preambles of the independent patent claims.
  • Air separation plants have rectification column systems, which can traditionally be configured as two-column systems, particularly classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems.
  • rectification columns for the recovery of nitrogen and/or oxygen in the liquid and/or gaseous state, i.e., the rectification columns for nitrogen-oxygen separation
  • rectification columns can be provided for the recovery of other air components, particularly the noble gases krypton, xenon, and/or argon.
  • the terms "rectification” and “distillation,” as well as “column” and “column,” or combinations thereof, are often used synonymously.
  • 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 pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (also referred to as upper column).
  • the high-pressure column is typically operated at a pressure level of 4 to 7 bar, in particular approximately 5.3 bar.
  • the low-pressure column is typically operated at a pressure level of 1 to 2 bar, in particular approximately 1.4 bar.
  • higher pressure levels can also be used in both rectification columns.
  • the pressures given below are absolute pressures at the top of the respective columns.
  • So-called SPECTRA processes are known from the prior art for providing compressed nitrogen as the main product. These are explained in more detail below.
  • the present invention sets itself the task of improving such SPECTRA processes, primarily with regard to energy consumption and material yield.
  • a particular focus of the task posed by the present invention is to provide a process and an air separation plant by means of which, in addition to larger quantities of high-purity, gaseous nitrogen at a significantly superatmospheric pressure level, another nitrogen product and/or argon can also be advantageously provided.
  • the present invention proposes a method for the cryogenic separation of air and a corresponding plant having the features of the independent patent claims.
  • a method for the cryogenic separation of air and a corresponding plant according to the preambles of the respective independent claims are known from US 2009/120128 A1 known.
  • Liquids and gases may be rich or poor in one or more components, where “rich” means a content of at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99% and “poor” means a content of at most 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a molar, weight or Can be on a volume basis.
  • the term “predominantly” can correspond to the definition of "rich.”
  • Liquids and gases can also be enriched or depleted in one or more components, with these terms referring to a content in a parent liquid or gas from which the liquid or gas was derived.
  • the liquid or gas is "enriched” if it contains 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 it contains at most 0.9 times, 0.5 times, 0.1 times, 0.01 times, or 0.001 times the content of a corresponding component, based on the parent liquid or gas.
  • oxygen nitrogen
  • nitrogen argon
  • this also means a liquid or gas that is rich in oxygen or nitrogen, but does not necessarily have to consist exclusively of these.
  • pressure level and "temperature level” to characterize pressures and temperatures. This is intended to express that corresponding pressures and temperatures in a corresponding system do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values to implement the inventive concept. However, such pressures and temperatures typically fluctuate within certain ranges, for example, within ⁇ 1%, 5%, 10%, or 20% of a mean value. Corresponding pressure levels and temperature levels can lie in disjoint ranges or in ranges that overlap one another. In particular, pressure levels, for example, include unavoidable or expected pressure losses. The same applies to temperature levels. The pressure levels specified here in bar are absolute pressures.
  • turboexpanders When we talk about "expansion machines” here, we typically mean well-known turboexpanders. These expansion machines can also be coupled with compressors. These compressors can be turbocompressors. A corresponding combination of turboexpander and turbocompressor is typically also referred to as a "turbine booster.” In a turbine booster, the turboexpander and the turbocompressor are mechanically coupled, whereby the coupling can be the same speed (for example, via a common shaft) or different speeds (for example, via a suitable The term "compressor" is generally used here.
  • a “cold compressor” refers to a compressor to which a fluid flow is supplied at a temperature level significantly below 0 °C, in particular below -50, -75, or -100 °C and down to -150 or -200 °C. This fluid flow is cooled to a corresponding temperature level, in particular by means of a main heat exchanger (see below).
  • a “main air compressor” is characterized by the fact that it compresses all of the air supplied to the air separation plant and separated there. In contrast, in one or more optionally provided additional compressors, such as booster compressors, only a portion of this air previously compressed in the main air compressor is further compressed. Accordingly, the "main heat exchanger" of an air separation plant represents the heat exchanger in which at least the majority of the air supplied to the air separation plant and separated there is cooled. This occurs, at least in part, in countercurrent to material flows discharged from the air separation plant. Material flows or "products" "discharged" from an air separation plant, as used here, are fluids that no longer participate in the plant's internal circuits but are permanently removed from them.
  • a "heat exchanger” for use in the context of the present invention can be designed in a manner customary in the art. It serves for the indirect transfer of heat between at least two fluid flows, for example, flowing countercurrently to one another, for example, a warm compressed air flow and one or more cold fluid flows, or a cryogenic liquid air product and one or more warm or warmer, but possibly also cryogenic fluid flows.
  • a heat exchanger can be formed from a single or several parallel and/or serially connected heat exchanger sections, e.g., from one or more plate heat exchanger blocks. This is, for example, a plate fin heat exchanger.
  • Such a heat exchanger has "passages” designed as separate fluid channels with heat exchange surfaces and connected in parallel and separated by other passages to form “passage groups.”
  • the characteristic of a heat exchanger is that heat can be transferred between two mobile media are exchanged, namely at least one fluid stream to be cooled and at least one fluid stream to be heated.
  • a "condenser-evaporator” is 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 chamber and an evaporating chamber.
  • the condensing and evaporating chambers have condensation and evaporation passages, respectively.
  • the condensation (liquefaction) of the first fluid stream takes place in the condensing chamber, and the evaporation of the second fluid stream takes place in the evaporating chamber.
  • the evaporation and condensing chambers are formed by groups of passages that are in heat exchange relationship with each other.
  • top, bottom, “above,” “below,” “above,” “below,” “next to,” “side by side,” “vertical,” “horizontal,” etc. refer here to the spatial orientation of the rectification columns of an air separation plant during normal operation.
  • An arrangement of two rectification columns or other components “one above the other” is understood here to mean that the upper end of the lower of the two apparatus sections is at a lower or equal geodetic height than the lower end of the upper of the two apparatus sections, and the projections of the two apparatus sections intersect in a horizontal plane.
  • the two apparatus sections are arranged exactly one above the other, i.e., the axes of the two apparatus sections run on the same vertical line.
  • the axes of the two apparatus parts do not have to be exactly perpendicular to each other, but can also be offset from each other, especially if one of the two apparatus parts, for example a rectification column or a column part with a smaller diameter, is to have the same distance from the sheet metal jacket of a cold box as another with a larger diameter.
  • the present invention comprises the low-temperature separation of air according to the so-called SPECTRA process, as described, inter alia, in EP 2 789 958 A1 and the other patent literature cited therein.
  • this is a single-column process.
  • Such processes enable a high nitrogen yield.
  • a reflux to a single rectification column is achieved by condensing the top gas of this Rectification column, or more precisely, a portion of this overhead gas, is provided in a heat exchanger. Fluid taken from the same rectification column is used for cooling in the heat exchanger. Additional overhead gas can be provided as a nitrogen-rich product of the process or plant.
  • SPECTRA processes can achieve very favorable air ratios, i.e., a large amount of product per unit of air used. A corresponding process is explained in more detail below.
  • the term "SPECTRA process" refers to the single-column process for nitrogen recovery described above or to a modified single-column process in which, as also explained below, an additional rectification column is used for oxygen recovery.
  • the SPECTRA process involves cooling compressed and pre-purified air to a temperature suitable for rectification. This allows it to be partially liquefied.
  • the air is then fed into the rectification column mentioned above, where it is rectified under the typical pressure of a high-pressure column, as explained above, to obtain the aforementioned overhead gas, which is enriched in nitrogen compared to atmospheric air, and a liquid bottoms liquid, which is enriched in oxygen compared to atmospheric air.
  • the aforementioned rectification column is used in an air separation plant, in which a gaseous overhead product enriched in nitrogen compared to atmospheric air and a liquid bottom product enriched in oxygen compared to atmospheric air are formed.
  • a gaseous overhead product enriched in nitrogen compared to atmospheric air and a liquid bottom product enriched in oxygen compared to atmospheric air are formed.
  • overhead product and “overhead gas” on the one hand, and “bottom product” and “bottom liquid” on the other, are used synonymously here.
  • This rectification column the top gas of which is partly liquefied or partially liquefied in the manner explained using expanded fluid from the same rectification column and then at least partly transferred to the same
  • the column recycled to the rectification column is referred to here as the "first" rectification column.
  • this may also be the only rectification column in known SPECTRA processes. However, this is not the case within the scope of the present invention.
  • the fluid used to condense the thus-treated portion of the top gas from the first rectification column which may in particular be a cryogenic liquid enriched in oxygen relative to atmospheric air, is withdrawn from the first rectification column in the form of one or more streams. At least a portion of the fluid is heated in the heat exchanger used to condense the thus-treated portion of the top gas from the first rectification column.
  • first material stream(s) This or these material streams will be referred to below as the "first" material stream(s).
  • the fluid can be passed through the heat exchanger in the form of only one first material stream or in the form of two or more separate first material streams.
  • one material stream can first be withdrawn from the rectification column and then split, or two separate first material streams, particularly with different oxygen contents, can be withdrawn separately from each other from the rectification column.
  • the fluid which is taken from the first rectification column in the form of the one or more first material streams and heated in the heat exchanger is compressed to a first part in one or more compressors and, after this compression, fed back into the first rectification column.
  • the fluid which is withdrawn from the first rectification column in the form of the one or more first material streams and heated in the heat exchanger can be expanded in the SPECTRA process using one or more expansion machines and in particular discharged as a so-called residual gas mixture from the air separation plant.
  • the first and second portions of the fluid withdrawn from the rectification column in the form of one or more first streams can in turn be two first streams, as explained above, which have already been discharged separately from the first rectification column. However, they can also be portions of only one first stream withdrawn from the first rectification column. The first and second portions can also have been passed through the heat exchanger together and only then be divided into the first and second portions.
  • one or more compressors can be used, which are coupled to one or more expansion machines.
  • the expansion machine(s) the expansion of the aforementioned second portion of the fluid, which is taken from the first rectification column in the form of one or more first material streams and heated in the heat exchanger, can in particular take place.
  • An expansion machine not coupled to a corresponding compressor can, if present, be braked, in particular mechanically and/or regeneratively. Braking is also possible with an expansion machine coupled to a compressor.
  • a compressor can be used that is coupled to one of two expansion machines arranged in parallel. If only one expansion machine is used, the compressor can be coupled to it.
  • the wording used below merely for reasons of clarity, according to which "a" compressor is coupled to "an” expansion machine, does not exclude the use of multiple compressors and/or expansion machines in any mutual coupling.
  • the compressor(s) described need not be driven, in particular not exclusively, by means of the one or more expansion machines mentioned. Conversely, the compressor(s) do not have to absorb all of the work released during expansion.
  • a supporting or exclusive drive can also be provided using an electric motor, or a brake can be interposed between the expansion machine(s) and the compressor(s).
  • the compressor(s) are one or more cold compressors, since the first portion of the fluid taken from the rectification column in the form of the one or more first material streams and heated in the heat exchanger is fed to this or these compressors at a correspondingly low temperature level despite this heating and any subsequent further heating.
  • a corresponding expansion can also be dispensed with and/or this second part can be fed, with or without expansion, into one or more further rectification columns, as will be explained further below.
  • two first streams can be withdrawn from the first rectification column in the form of a liquid stream having a first oxygen content and a liquid stream having a second, higher oxygen content.
  • the first stream having the first (lower) oxygen content can be withdrawn from the first rectification column from an intermediate tray or from a liquid retention device.
  • the second stream having the second (higher) oxygen content can be formed, in particular, using at least a portion of the liquid bottom product of the first rectification column.
  • the first material stream with the first (lower) oxygen content can in particular form the previously explained first part of the fluid which is withdrawn from the first rectification column in the form of the one or more first material streams and is heated in the heat exchanger which is used to condense the part of the top gas of the first rectification column treated in this way is used.
  • the first stream with the first (lower) oxygen content can therefore form the first part which, after use, is compressed in the one or more compressors and which is then fed back into the first rectification column.
  • the first stream with the second (higher) oxygen content can in particular form the previously explained second portion of the fluid, which is withdrawn from the first rectification column in the form of the one or more first streams and heated in the heat exchanger used to condense the thus-treated portion of the top gas from the first rectification column.
  • the first stream with the second (higher) oxygen content can thus form that second portion which, after use, is compressed in the one or more compressors and which is then fed back into the first rectification column.
  • oxygen columns can also be used to produce pure or ultrapure oxygen. These columns operate at the pressure level of typical low-pressure columns described above. Such an oxygen column is also referred to below as a "second" rectification column.
  • This further fluid contains oxygen, argon, and nitrogen and is withdrawn in liquid form from the first rectification column in the form of (at least) one further stream (hereinafter referred to as the "second" stream).
  • the second stream is withdrawn in particular above the first stream with the first (lower) oxygen content.
  • the present invention is based on the finding that a process of the type described above can be particularly advantageously modified by constructing the oxygen column just described, i.e., a second rectification column used in a modified SPECTRA process, as part of a double column which, in addition to the second rectification column, comprises a third rectification column.
  • This third column as part of the double column, is arranged below the second rectification column and to which additional air is supplied.
  • the present invention thus provides for air feed in a SPECTRA process not only into the first column, but also into the third column.
  • the present invention proposes, in the language of the patent claims, a process for the low-temperature separation of air, using an air separation plant with a first rectification column and a second rectification column.
  • the first rectification column is operated at a first pressure level
  • the second rectification column is operated at a second pressure level below the first pressure level.
  • Such first and second pressure levels are typical pressure levels, such as those used in conventional air separation plants, in particular SPECTRA plants with oxygen recovery.
  • the first pressure level can be, in particular, 7 to 12 bar
  • the second pressure level in particular, 1.2 to 5 bar
  • the second pressure level can generally also be 1 to 4 bar.
  • These are absolute pressures at the top of the respective rectification columns.
  • the first rectification column and the second rectification column can, in particular, be arranged side by side and are typically not combined in the form of a double column.
  • a “double column” is generally understood here to mean a separation apparatus formed from two rectification columns, which is designed as a structural unit in which the column shells of the two rectification columns are connected to one another without any pipes, i.e., directly, in particular by welding. However, this direct connection alone does not necessarily establish a fluidic connection.
  • the first rectification column and the second rectification column used in the present invention have already been described in detail with reference to the SPECTRA process.
  • the second rectification column can, in particular, be an oxygen column.
  • Atmospheric air which has been compressed and then cooled, is fed to the first rectification column.
  • corresponding air can be fed to the first rectification column in the form of several material streams, which can be treated differently and, if necessary, passed through further apparatus beforehand.
  • the air fed into the first rectification column can, in particular, be fed in the form of a liquefied partial stream and a non-liquefied partial stream. Further embodiments of the air feed, which can be used in particular within the scope of the present invention, are explained in more detail below.
  • no air is typically fed to the second rectification column; more generally, no material streams are typically fed to the second rectification column that have not already been taken from another rectification column or formed from such material streams.
  • fluid enriched in oxygen relative to atmospheric air is withdrawn from the first rectification column in the form of one or more first streams.
  • these can in particular be two first streams with different oxygen contents. Therefore, express reference is made to the more detailed explanations above.
  • At least a portion of the fluid which was withdrawn from the first rectification column in the form of the one or more first material streams is heated in a heat exchanger within the scope of the present invention, and in turn a portion thereof, i.e. the fluid which was heated in the heat exchanger (and previously withdrawn from the first rectification column in the form of the one or more first material streams) (previously referred to as "first part"), is compressed within the scope of the present invention using a compressor and fed into the first The distillate is then returned to the rectification column.
  • multiple compressors can be used in this context, as mentioned above.
  • the distillate is returned to the first rectification column, particularly by feeding it back into a bottom section of the first rectification column.
  • the heat exchanger is used for cooling and condensing or partially condensing the overhead gas from the first rectification column, at least a portion of which is returned to the first rectification column as reflux.
  • a first portion of the overhead gas from the first rectification column is (partially) condensed in the heat exchanger (and at least a portion of this is returned to the first rectification column as reflux).
  • a second portion of the overhead gas is discharged from the process or plant as at least one nitrogen-rich air product.
  • This at least one air product such as the overhead gas from the first rectification column from which it was formed, has a certain residual oxygen content, which can in particular be between 0.001 and 10 ppm.
  • corresponding overhead gas can be provided undiluted as a gaseous nitrogen product at the aforementioned first pressure level.
  • This nitrogen product represents a main product of the proposed process. It can in particular be heated to ambient temperature in a main heat exchanger of the air separation plant and then provided at the first pressure level.
  • a portion of the overhead gas can also be provided as a liquid nitrogen product of the process or plant, in particular after subcooling against a further portion, which is then in particular discarded.
  • oxygen in addition to the unliquefied overhead gas as the main product, oxygen, in particular high-purity oxygen, is also provided as an air product.
  • argon can also be provided as a product of the process.
  • a further portion of the fluid which has been heated in the heat exchanger (and previously withdrawn in the form of the one or more first streams from the first rectification column) (previously referred to as "second part") can be expanded in the manner explained within the scope of the present invention and, for example, from the Air separation plant.
  • second part A further portion of the fluid which has been heated in the heat exchanger (and previously withdrawn in the form of the one or more first streams from the first rectification column) (previously referred to as "second part") can be expanded in the manner explained within the scope of the present invention and, for example, from the Air separation plant.
  • one or more expansion machines used in this context may be coupled to the compressor(s) mentioned above. Reference is also made to the above explanations in this regard.
  • the process proposed according to the invention is, as mentioned, a SPECTRA process with additional oxygen production.
  • additional fluid containing oxygen, nitrogen, and argon is withdrawn from the first rectification column.
  • This additional fluid is used as a second stream or to form a second stream, which is transferred to the second rectification column.
  • An oxygen-rich bottoms liquid is formed in the bottom of the second rectification column, and at least a portion of this is discharged in the form of a third stream from the second rectification column or the air separation plant as a whole.
  • This oxygen-rich liquid has, in particular, a residual nitrogen content, as explained in more detail below.
  • the argon content of the further fluid withdrawn from the first rectification column and used as the second stream or to form the second stream, which is transferred to the second rectification column, is in particular 2 to 4 mol percent, and its oxygen content is in particular 10 to 30 mol percent.
  • the argon content of this fluid depends in particular on the withdrawal height from the first rectification column, which is therefore in a suitable
  • the withdrawal height of this fluid, and thus of the second stream is typically, as mentioned, above the withdrawal height(s) of the fluid discharged in the form of the one or more first streams from the first rectification column.
  • the separating trays located between corresponding withdrawal points in the first rectification column also block hydrocarbons in particular. Therefore, these withdrawal heights are advantageously also selected with this aspect in mind, so that the oxygen product obtained has the required purity with regard to hydrocarbons.
  • a double-column system is used within the scope of the present invention, the upper part of which forms the second rectification column, and the lower part of which is referred to here as the "third" rectification column.
  • the additional fluid withdrawn from the first rectification column can, for example, also be initially fed into this third rectification column.
  • liquid is withdrawn from the third rectification column and fed into the second rectification column.
  • the second stream or corresponding fluid is thus fed into the second rectification column, so to speak, "via the detour" via the third rectification column.
  • the second material stream can also be a material stream transferred directly, i.e. without a detour via another rectification column, to the second rectification column, in which case the material from the first rectification column is used "as" the second material stream in the terminology used here.
  • a third rectification column is used, wherein the second rectification column and the third rectification column are designed as parts of a double column, with the third rectification column being arranged below the second rectification column in the sense explained, and the third rectification column being fed with air.
  • double column please refer to the explanations above.
  • the third rectification column is operated, in particular, at a pressure level between the first and second pressure levels, i.e., between the operating pressure levels of the first and second rectification columns.
  • This pressure level is, in particular, between 4 and 7 bar, in particular approximately 5.5 bar absolute pressure.
  • Air is fed to the third rectification column that has previously been compressed and cooled and can be expanded, in particular by means of an additional expansion machine, to the pressure level at which the third rectification column is operated.
  • the air fed to the third rectification column therefore comprises compressed and cooled air that is expanded using an expansion machine.
  • the second rectification column can be operated with a condenser-evaporator arranged in a bottom region of the second rectification column and heated using fluid withdrawn from and/or fed to the third rectification column. In this way, particularly energy-efficient processes can be realized.
  • the air which is optionally expanded by means of the expansion machine and with which the third rectification column is fed can be at least partially liquefied in the condenser evaporator which is arranged in the bottom region of the second rectification column and returned to the third rectification column as liquid reflux.
  • the top gas from the third rectification column can also be at least partially liquefied and returned to the second or third rectification column as reflux.
  • a gaseous top product from the third rectification column can be used to heat a condenser-evaporator of the second rectification column, with the liquid formed thereby being partially returned to the second rectification column and as reflux to the third rectification column.
  • bottoms liquid in particular, can be formed in the third rectification column, which can be fed into the second rectification column. It can also be provided that a portion of this bottoms liquid is used to cool a top condenser of an additional argon column (i.e., a "fourth" column as explained below) and only then fed into the second rectification column. A further portion, however, can be transferred directly to the second rectification column, bypassing such a top condenser.
  • the third rectification column receives, in particular, as mentioned, air previously expanded in an expansion machine as the gaseous feed stream.
  • the third rectification column can be fed, in particular, with the previously compressed and cooled air, which is expanded by means of an expansion machine. It is understood that this is additional air that is subjected to separation in the process or plant in addition to the air fed into the first rectification column.
  • a further liquid stream can optionally be withdrawn from the third rectification column, which can be fed back into the first rectification column, in particular by means of a pump.
  • oxygen-rich fluid is formed in the bottom of the second rectification column. This can be withdrawn from the second rectification column. The withdrawal can take place partly in gaseous and partly in liquid form. This fluid typically has an oxygen content of more than 97 mol percent, in particular more than 99.0 mol percent. From the top of the second rectification column, further fluid can be withdrawn, which in one embodiment of the invention can be discharged from the air separation plant and discarded. This is a nitrogen-oxygen mixture. In another embodiment of the present invention, the top gas of the second However, in the rectification column it is formed as another nitrogen-rich fluid and provided as another nitrogen-rich air product.
  • the top gas of the second rectification column can be obtained with higher purity by removing a gaseous substream slightly below the top of the second rectification column. By removing this substream, a nitrogen product with typically only approximately 1 ppm, but a maximum of 100 ppm, of oxygen is produced at the top of the second rectification column, similar to the procedure in a conventional air separation plant.
  • This product can either be heated directly in the main heat exchanger to a temperature level at or close to ambient temperature, or partially heated and compressed in a warm compressor to a pressure level of, for example, approximately 1.7 to 2.5 bar, in particular approximately 2.2 bar.
  • this product, or a partial stream thereof can be removed from the skin heat exchanger at an intermediate temperature level, passed through a cold compressor, and fed back to the main heat exchanger for further heating. Compression in the warm compressor can follow this.
  • the cold compressor can, in particular, be coupled to an expansion machine that expands compressed and partially cooled feed air, which is fed into the third rectification column.
  • a nitrogen-rich liquid reflux to the second rectification column can, in particular, be used.
  • the invention is characterized in particular by the fact that nitrogen-rich overhead gas is formed at the top of the second rectification column, and that at least a portion of the nitrogen-rich overhead gas is used as a further nitrogen-rich air product with a residual oxygen content that is above the residual oxygen content of the overhead gas of the first rectification column, but still significantly below the residual oxygen content of fluids that are withdrawn from the top of these oxygen columns in regular SPECTRA processes with oxygen columns.
  • This can also be made possible within the scope of this embodiment of the present invention, in particular, by installing additional trays or packing areas in the second rectification column compared to conventional oxygen columns, by withdrawing a further fluid below and that a liquid, nitrogen-rich reflux is fed to the top of the second rectification column.
  • the top gas of the first rectification column has a residual oxygen content of 0.1 ppb to 10 ppm, more particularly from 0.5 ppb to 1 ppm or up to 100 ppb.
  • the residual oxygen content of the at least one nitrogen-rich air product provided in the context of the present invention, which is formed using this top gas, is therefore within this range.
  • the top gas of the second rectification column has a higher residual oxygen content in the just-mentioned embodiment of the present invention.
  • This residual oxygen content is in particular 10 ppb to 100 ppm, more particularly 100 ppb or 500 ppb to 10 ppm.
  • the residual oxygen content of the further nitrogen-rich air product provided in the context of the present invention using this top gas is therefore within this range. All figures in ppb or ppm refer to the molar fraction.
  • the second rectification column preferably has 50 to 120, for example 70 to 95, in particular 72 to 90, theoretical trays.
  • the residual oxygen content of the further nitrogen-rich air product provided using the top gas of the second rectification column can in particular be achieved by using a nitrogen-rich liquid reflux to the second rectification column.
  • the provision of a nitrogen-rich liquid stream and its delivery as reflux in an upper region of the second rectification column is therefore provided within the scope of a particularly preferred embodiment of the present invention.
  • the reflux has a residual oxygen content that is in particular lower than the residual oxygen content of the top gas of the second rectification column.
  • the nitrogen-rich liquid stream which is used in this embodiment of the present invention to form the reflux to the second rectification column can in particular be taken from the first rectification column or a further rectification column.
  • liquid argon can either be delivered or vaporized on-site, or gaseous argon can be produced on-site.
  • the delivery of liquid argon not only entails economic disadvantages (transport costs, refueling losses, cooling losses during vaporization against ambient air), but also places high demands on the reliability of the logistics chain.
  • the produced nitrogen should typically contain only approximately 1 ppb, with a maximum of 1000 ppb, of oxygen, be essentially particle-free, and be able to be delivered at a pressure level significantly above atmospheric pressure.
  • Argon extraction is typically carried out using air separation plants with double-column systems and so-called crude and, in some cases, pure argon columns.
  • An example is illustrated by Häring (see above) in Figure 2.3A and described starting on page 26 in the section “Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column” and starting on page 29 in the section “Cryogenic Production of Pure Argon.”
  • argon accumulates in such plants at a certain height in the low-pressure column (the so-called argon maximum).
  • argon-enriched gas with an argon concentration of typically 5 to 15 mol percent can be withdrawn from the low-pressure column and transferred to the crude argon column.
  • Such gas typically contains approximately 0.05 to 100 ppm nitrogen and otherwise essentially oxygen. It should be expressly emphasized that the values given for the gas withdrawn from the low-pressure column are only typical example values.
  • the crude and pure argon columns have top condensers, which can be cooled, in particular, with a portion 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.
  • the present invention proposes a method and an air separation plant by means of which, in addition to larger quantities of high-purity, gaseous nitrogen at a significantly superatmospheric pressure level, comparatively smaller quantities of argon can also be advantageously provided.
  • liquid argon can also be withdrawn slightly below the top of the fourth rectification column as the fluid conventionally transferred to the pure argon column, so that argon of the same quality as from a conventional pure argon column can be obtained in this way.
  • the fourth rectification column is a rectification column that largely corresponds to the typical crude argon column of a conventional process for the cryogenic separation of air.
  • a pure argon column can be provided.
  • the nitrogen content is higher than the aforementioned 1 ppm, the oxygen and argon contents can be correspondingly lower.
  • the oxygen contents here are also between 45 and 60 mol percent and the argon content between 40 and 55 mol percent, but in this case, based on the non-nitrogen content of a corresponding fluid.
  • the fourth stream fed into the fourth rectification column may, in particular, also be a stream taken from another rectification column, which in turn is fed with fluid from the second rectification column. Reference is made to the explanations below. In this case, too, however, the fluid taken from the second rectification column is used to form the fourth stream, namely via the further rectification column.
  • impure oxygen with 90 to 98% mol percent oxygen content
  • technical oxygen with 98 to 99.8% mol percent oxygen content
  • high-purity oxygen with traces of argon or hydrocarbons in the ppb range
  • an oxygen product can always be withdrawn from the second rectification column, even if, for example, a third rectification column is provided for oxygen production.
  • an oxygen-rich gas can be withdrawn from the second rectification column and (in contrast to admixture with other streams, such as, for example, in Figure 31 illustrated), are passed separately through the main heat exchanger and discharged from the plant as a product. This produces oxygen with a purity of 99% or better, which corresponds to the purity of so-called technical oxygen.
  • a bottom liquid is formed in the bottom of the fourth rectification column, which can be recycled, in particular, to the second rectification column by means of a pump.
  • a feed point into the second rectification column is located, in particular, at the same height or near the withdrawal point of the fluid used as the third stream or to form the third stream, where "near" is understood here to mean a feed position that differs by no more than 10 theoretical or practical plates. Since the two streams to and from the fourth rectification column are in equilibrium, the feed can also be made at the same height, i.e., in particular, to the same plate.
  • a particularly great advantage of the embodiment of the present invention just explained is that by supplementing a SPECTRA process with additional argon recovery, up to 50% of the argon contained in the process air can be recovered as a product, without the need for complex conventional oxygen rectification.
  • the problems explained above are therefore eliminated within the scope of the embodiment of the present invention just explained.
  • liquid argon can also be recovered, which can be subjected to a known internal compression. Also formed in the plant Pure oxygen can be subjected to internal compression, as known from the specialist literature cited at the beginning.
  • the second rectification column is operated with a condenser-evaporator arranged in its bottom region.
  • Other material streams than those mentioned can also be used to heat the condenser-evaporator.
  • a portion of the atmospheric air that has been previously compressed and cooled can be used for this purpose.
  • Such air can, for example, be present at the pressure level of the first rectification column or previously expanded by means of an expansion machine.
  • the air is typically cooled by means of a main condenser of the air separation plant to a temperature level close to its condensing temperature, i.e., a temperature level that is no more than 50 K, 25 K, or 10 K above the condensing temperature.
  • the air is only cooled before expansion to a temperature level that, although in particular below -50°C, is at least 50 K above the condensing temperature.
  • the expansion typically occurs to a pressure level below the first pressure level at which the first rectification column operates, typically to approximately 4 to 6 bar absolute pressure.
  • the air used to heat the condenser evaporator liquefies at least partially and can therefore be fed in the appropriate form into the first and/or third rectification column. Any pressure differences that may occur can be compensated by interposing a pump or by a purely hydrostatic-geodetic pressure increase.
  • one or more further streams can also be used to heat the condenser-evaporator in the second rectification column.
  • this can be the fluid containing oxygen, nitrogen and argon, which is withdrawn from the first rectification column as the second stream or is used to form the second stream and which is transferred to the second rectification column, or a part thereof.
  • a corresponding second liquid stream is withdrawn, for example, from the first rectification column, passed through the condenser-evaporator, subcooled in the process and then, in particular below a head region, ie in particular below the nitrogen-rich reflux, is fed to the second rectification column.
  • This second stream can thus be used as reflux to the second rectification column.
  • the condenser-evaporator can also be operated with overhead gas from the third rectification column, as mentioned above.
  • a nitrogen-rich reflux to the second rectification column can be formed using nitrogen-rich liquid from the first rectification column.
  • a corresponding stream can be cooled, in particular, in the condenser-evaporator of the second rectification column; however, it is also possible to feed a corresponding stream uncooled into the second rectification column.
  • this stream is advantageously withdrawn significantly above the second stream from the first rectification column. The withdrawal typically takes place in the range of 20 theoretical or practical plates below the top region of the first rectification column.
  • overhead gas is withdrawn from the second rectification column and, in particular, discharged from the air separation plant, as already explained above in various embodiments.
  • this overhead gas is expanded by means of a further expansion machine, heated, and discharged from the air separation plant.
  • the second rectification column can be operated, as mentioned, at the second pressure level, in particular at a pressure level of 1.1 to 1.6 bar absolute pressure, wherein previously compressed and cooled air is fed to the first rectification column, a partial stream of which is expanded by means of an expansion machine to the second pressure level at which the second rectification column is operated.
  • This partial stream can, after its expansion in the condenser-evaporator, which is arranged in the bottom region of the second rectification column, be at least partially liquefied and fed into the first rectification column.
  • Such an embodiment has the advantage that both the argon yield and the overall energy range are significantly improved.
  • the expansion machine used for this expansion can be coupled to a compressor, which in the previously explained embodiment of the invention Further air product, which is formed using overhead gas from the second rectification column, is warm-compressed.
  • braking for example, by generator and/or by means of an oil brake, can also be provided.
  • further fluid can also be expanded using a comparable further expansion machine.
  • the fourth rectification column in the embodiments in which it is present, can be operated with a top condenser whose evaporation space is operated at a pressure level of less than 1.2 bar absolute pressure or 150 mbar gauge pressure and is cooled with fluid which is subsequently fed into the second rectification column or discharged from the air separation plant.
  • This fluid can in particular be bottoms liquid from the first or, if present, the third rectification column, or a corresponding fluid can comprise a portion of this bottoms liquid(s).
  • other fluids can also be used.
  • Such an operating pressure level of the evaporation space of the top condenser can increase the argon yield within the scope of the invention. This can be made possible in particular by not using corresponding fluid as regeneration gas in the air separation plant.
  • fluid obtained in the bottom of a rectification column in particular the first or third rectification column, can be used in the top condenser in part as the fluid or as a part of the fluid by means of which the top condenser of the fourth rectification column is cooled.
  • corresponding fluid can subsequently be discharged, in particular, from the air separation plant or advantageously used in another way.
  • Such an air separation plant may, in particular, comprise one or more further rectification columns, as previously explained with reference to the fourth and fifth rectification columns.
  • the one further rectification column or at least one of the several further rectification columns may be arranged in the third prefabricated coldbox or in one or more further prefabricated coldboxes.
  • the air separation plant 600 is supplied with a feed air stream a, which is formed from atmospheric air L, from a warm part, which is also summarized here as 110.
  • the warm part 110 includes, among other things, a filter 111 through which feed air L is sucked in, a main air compressor 112 with aftercoolers (not separately designated), a direct contact cooler operated with water W, and an absorber set 115.
  • the feed air stream a is also cooled in a main heat exchanger 1 of the air separation plant 600 and removed from the main heat exchanger 1 near its cold end.
  • the feed air stream a is divided as before into two partial streams b and c, with partial stream b being fed directly into the first rectification column, also designated here by 11.
  • the second partial stream c is in turn fed through a condenser evaporator 121 to a second rectification column, also designated here by 12. Rectification column 12, but here subsequently discharged from the air separation plant 600 as explained below.
  • condenser evaporator 121 is in the condenser evaporator 121 according to Figure 6 the current flow is not shown crosswise,
  • first rectification column 11 which is also operated at the previously explained "first" pressure level, a nitrogen-enriched or essentially nitrogen-containing overhead gas and an oxygen-enriched bottom liquid are formed.
  • two streams d and e are withdrawn from the first rectification column 11, each of which comprises a fluid that is enriched in oxygen compared to atmospheric air.
  • Stream d is first further cooled in main heat exchanger 1 and then passed through a heat exchanger 2, which, as explained below, is used to cool overhead gas from the first rectification column 11.
  • Stream e is initially treated in a similar manner to stream d, whereby stream e is first combined with stream c and then a further stream q3 is branched off from it. Only then is this stream, referred to as e for the sake of simplicity, further cooled in main heat exchanger 1 and fed to heat exchanger 2.
  • Stream q3 will be referred to as q in the following for comparability with the previous figures and due to its corresponding use.
  • liquid nitrogen X can be added to stream e if required.
  • stream e is taken from the bottom of the first rectification column 11, while stream d is taken from a position several theoretical or practical plates above the bottom of the first rectification column 11.
  • Streams d and e are passed separately through heat exchanger 2.
  • the material stream e is then partially heated in the main heat exchanger 1 and expanded into two partial streams by means of an expansion machine 3 and, if necessary, an expansion valve or via a bypass. These partial streams are then combined with each other and with other material streams, heated in the main heat exchanger 1, and discharged from the air separation plant in the form of a Collecting stream f or used in the warm part 110 of the air separation plant 600, for example for regenerating the absorbers of the adsorber set 114.
  • Overhead gas from the top of the first rectification column 11 is passed through the heat exchanger 2 in the form of a material stream g and is at least partially liquefied there.
  • This partially liquefied overhead gas can be partially returned to the first rectification column in the form of a reflux stream and a further portion can be made available as liquid nitrogen product B.
  • a portion can be subcooled in a subcooler 6 and discharged as correspondingly subcooled liquid nitrogen product B.
  • a portion expanded in the subcooler 6 for cooling can be combined with the aforementioned material stream e.
  • a portion can also be discharged as so-called purge P.
  • Further overhead gas can be heated in the form of a material stream h in the main heat exchanger 1 and discharged as gaseous nitrogen product C or used as sealing gas D.
  • a material stream i is discharged in liquid form from the first rectification column 11, which stream is subcooled in the condenser evaporator 121 of the second rectification column 120 and can be fed as reflux to the second rectification column 12.
  • a material stream m is withdrawn and fed into a lower region of a fourth rectification column, also designated 14 here.
  • a further material stream n is withdrawn as above by means of a pump 8 and returned to the second rectification column 12.
  • overhead gas rises into a condensation space of a top condenser 141, is at least partially liquefied there and returned as reflux to the fourth rectification column 14.
  • a non-evaporated portion can be released into the atmosphere A.
  • a material stream p is withdrawn in liquid form below the top of the fourth rectification column 14. The material flow p is pressurized by means of a pump 7b and then heated in the main heat exchanger 1, so that in this way an internally compressed argon product I can be provided.
  • the top condenser 141 of the fourth rectification column 14 is also cooled here with liquid, which can be fed to the top condenser 141 in the form of the aforementioned stream q3, which is denoted by q hereinafter.
  • a stream r can be withdrawn from an evaporation space of the top condenser 141 of the fourth rectification column 14.
  • This stream r can be heated, preferably without backpressure or essentially without backpressure, in the main heat exchanger 1 after combining with stream I and the stream s explained below, as explained with respect to this stream I, and can be discharged from the air separation plant. In this way, a low pressure can be established in the evaporation space of the top condenser 141.
  • Liquid from the evaporation space of the top condenser 141 of the fourth rectification column 14 is withdrawn here in the form of stream s.
  • a partial flow of the feed air flow a which, as first described in Figure 2 designated a1, is taken from the main heat exchanger 1 at an intermediate temperature level and expanded by means of an expansion machine designated 201 as above.
  • the remainder of the feed air stream a is at least partially fed into the first rectification column, wherein a cross connection a2 is provided between the partial stream a1 and the material stream a.
  • the air separation plant 700 illustrated is further characterized in that the second rectification column 12 is formed as part of a double column, which additionally has a third rectification column 13.
  • the expanded portion of the feed air stream a, designated a1 is fed into a lower region of this third rectification column 13.
  • a material stream which is otherwise reused in a manner comparable to the material stream q of the preceding figures and is therefore also designated q here, is formed in the air separation plant 700 using bottom liquid from the third rectification column 13.
  • Top gas from the third rectification column 13 is at least partially liquefied in the form of a material stream u in the condenser evaporator 121 and subsequently used in the form of a partial stream u1 as reflux to the third rectification column 13 and in the form of a partial stream u2 as reflux to the second rectification column 12.
  • Nitrogen-rich liquid is withdrawn in the form of a stream v via a side draw from the third rectification column 13 and conveyed by means of a pump, designated 501 as above, into the first rectification column 11.
  • a further stream k4 is withdrawn in gaseous form from the second rectification column 12 and combined with the material streams I and r to form a material stream, designated here as f1.
  • the material stream f1 is heated in the main heat exchanger 1 and used accordingly.
  • the material streams q, i, and u2 are subcooled against the material stream I in a common subcooler 9.
  • FIG 8 an air separation plant according to a further embodiment of the present invention is illustrated in the form of a schematic plant diagram and is designated overall by 800.
  • a stream m1 is withdrawn from the second rectification column 12 and fed into an upper section 15a of the fifth rectification column 15, which is separated from a lower section 15b by a barrier plate 15c. Liquid separating from the barrier plate 15c is recycled to the second rectification column 12 in the form of a stream n1.
  • the previously explained streams r and s are fed back into the second rectification column 12.
  • the upper part 15a of the fifth rectification column 15 serves in particular to discharge argon, which is predominantly transferred via a stream m2 into the fourth rectification column 14.
  • the stream m2 also includes overhead gas from the lower part 15b of the fifth rectification column 15. Bottom liquid from the fourth rectification column 14 is fed in the form of a stream m2 to the top of the upper and lower parts 15a, 15b of the fifth rectification column 15.
  • FIGS 9 to 28 illustrate a number of further variants of air separation plants according to embodiments of the invention and according to non-inventive configurations. Although different designations are used here for certain material streams and apparatus than in the preceding figures, these may also correspond to one another.
  • FIG 9 merely as a basis for the explanations of the following figures, an air separation plant not according to the invention with an oxygen column next to the first rectification column 11, i.e. a second rectification column 12, but without further rectification columns, is illustrated and designated overall by 900.
  • the majority of the Figure 9 The components illustrated have already been explained several times.
  • a further storage tank 104 can be used and the material flow I can be passed separately through the main heat exchanger 1.
  • an air separation plant is illustrated and designated 1000, which is a variant of the air separation plant 900 according to Figure 9 and in which a material stream k6 is withdrawn from the second rectification column 12 via an intermediate draw-off and, if necessary, after intermediate storage in a buffer tank 105 and internal compression in an internal compression pump 7d and heating in the main heat exchanger 1, is discharged as the corresponding oxygen product U2.
  • a stream k7 is withdrawn from the second rectification column 12, combined with stream I, and discharged in the form of this stream, referred to as I for simplicity, or fed to the warm section 110.
  • stream p or product I the overall yield of gaseous, internally compressed argon
  • Stream r is fed to stream I, whereas stream s is used to form stream f.
  • FIG 12 a further air separation plant not according to the invention is illustrated and designated 1200, which in particular is a variant of the air separation plant 1100 according to Figure 11
  • the air separation plant 1200 has the further expansion machine 201.
  • the partial stream a1 is expanded in this further expansion machine 201 and used as explained several times.
  • the remainder of stream a not expanded in the expansion machine 201 is treated in a manner comparable to the previously explained stream b and is therefore designated accordingly. Furthermore, a subcooler 9, already explained several times, is shown here.
  • the second rectification column 12 is arranged, with its lowest point, more than 6 m above the lowest point of the first rectification column 11.
  • FIG 13 an air separation plant is illustrated and designated 1300, which in particular is a variant of the air separation plant 1200 according to Figure 12 , but in contrast to this, represents an embodiment of the present invention.
  • the air separation plant 1200 has the third rectification column 13 and the fifth rectification column 15, which have already been explained Figure 8
  • the explanations for air separation unit 800 according to Figure 8 is therefore also expressly referred to in Annex 900.
  • Deviating from the air separation plant 800 according to Figure 8 external liquid nitrogen X is fed into the second rectification column 12, and a partial stream of stream r is combined with stream I and stream k3. This is particularly the case because there is no need for complete reflux in the second rectification column 12, or rather, an optimum exists in this regard. As illustrated, stream i is subcooled here in the condenser evaporator 121 before being fed into the second rectification column 12.
  • FIG 14 an air separation plant is illustrated and designated 1400, which in particular comprises a variant according to the invention of the air separation plant 1300 according to Figure 13
  • the air separation unit 1400 is designed to provide an additional pressurized nitrogen product D1.
  • the top stream of the second rectification column 12 is obtained with a higher purity than the previous stream I. This is therefore designated I1 here. This is achieved by withdrawing an additional stream I2 from the second rectification column 12 below the top. Furthermore, the second rectification column is provided with an additional separation section 12a.
  • the illustrated design also has a positive effect on argon yield and purity.
  • the air separation plant 1300 according to Figure 13
  • the material streams combined with material stream I are now combined with material stream I2 to form a material stream, which for the sake of simplicity is again designated I.
  • material stream I1 After being heated in the main heat exchanger 1, material stream I1 is partially compressed in an external compressor 1401. A further part enters the warm part 110. Further details can be found in the Figures 27 and 28 illustrated in more detail.
  • FIG 15 an air separation plant is illustrated and designated overall by 1500, which in particular comprises a variant of the air separation plant 1400 according to the invention according to Figure 14 represents.
  • the air separation plant 1400 according to Figure 14 The bottoms liquid of the third rectification column 13, which is only used to form the material stream q, is partly used here to form a material stream q4 (see also air separation plant 800 according to Figure 8 ) is used, which refers to the second rectification column 12.
  • the second rectification column 12 and the feed point of stream i are adjusted accordingly.
  • FIG 16 an air separation plant is illustrated and designated 1600, which is a particularly inventive variant of the air separation plant 1500 according to Figure 15 represents.
  • the material stream x formed in the previously explained plants 800 and 1300 to 1500 is not used here. Instead, a material stream x1 is branched off as a substream of the overhead gas withdrawn from the third rectification column 13 and, like the material stream x previously, is partially liquefied in the condenser evaporator 151 and returned as reflux to the third rectification column 13. A further portion is heated in the form of a material stream x2 and at least partially discharged as another nitrogen product D2 from the air separation plant 1600.
  • FIG. 17 An air separation plant is illustrated and designated 1700, which in particular represents a variant according to the invention of the plants according to the previous figures, in which a fifth rectification column 15 is used. However, this is present here in a modified form and, as before, is designated 15a.
  • the rectification column 15a corresponds to the upper part 15a of the fifth rectification column 15 of the previous figures. From its top, a stream m3 is transferred to the fourth rectification column 14 and fed into a region above the bottom, which functionally corresponds to the lower part 15b of the fifth rectification column 15 of the previous figures and is therefore designated here by 15b'. The liquid obtained here is pumped back to the rectification column 15a in the form of a stream n3 by means of a pump (not specifically designated).
  • FIGs 18 and 19 Variants of systems are illustrated and designated 1800 and 1900, in which essentially the warm part 110 and the flow of material through the main heat exchanger 1 are modified. Only this warm part 110 and a section of the main heat exchanger 1 as well as material flows required for understanding this variant are shown in Figures 18 and 19 shown.
  • the air compressed, cooled and cleaned in the main air compressor 112 is Figure 18 divided into partial streams a2 and a3, of which partial stream a2 is passed from the warm to the cold end through the main heat exchanger 1.
  • the material stream a3, however, is further compressed by means of a compressor or a compressor stage 112a, which is coupled to the main air compressor 112, and then treated like the material stream a of the previous figures.
  • a partial stream, designated here as before with a1 is expanded in the expansion machine 201 and then combined with the material stream a2.
  • an expansion machine 201 and the formation of the material flow a1 can also be dispensed with.
  • FIG 20 a variant of an air separation plant according to the invention is illustrated and designated 2000, which has similarities with the air separation plant 800 according to Figure 8 and other previously described plants, particularly with regard to the treatment of streams i and w.
  • This allows the third rectification column 13 to be used to separate stream i, and a higher proportion of nitrogen product can be obtained.
  • the design according to Figure 20 (and according to Figure 8 ) has the particular advantage that the condenser-evaporator 121 is simplified and a similarly simplified control system can be used.
  • the material flow w can be controlled like a conventional Joule-Thomson flow.
  • a material stream q5 is formed using bottom liquid from the fourth rectification column 14, by means of a pump 7e through the modified heat exchanger 2, designated here as 2a, and cooled and then returned to the third rectification column 13.
  • This can, in particular, improve the recovery of nitrogen in the third rectification column 13, thereby enabling higher expansions of all products.
  • a material stream k5 formed by bottom liquid of the fifth rectification column 15 is treated accordingly and returned to the fifth rectification column 15.
  • FIG. 23 An air separation plant according to a further embodiment of the invention is illustrated and designated 2300.
  • This differs from the previously shown embodiments in particular by a condenser-evaporator 131 arranged in the bottom of the third rectification column 13. Functionally, this can be considered a division of the condenser-evaporator in the second rectification column 12, which is designated here by 121a. In this way, the recovery of nitrogen in the second rectification column 12 or the third rectification column 13 can be improved.
  • fluid in the form of a stream i2 can be withdrawn from the second rectification column 2 via a side draw, passed through the condenser evaporator 141, at least partially liquefied, and fed into the third rectification column 13.
  • liquid can be withdrawn from the third rectification column 13 and returned to the second rectification column 12 by means of a pump 7r.
  • a variant not according to the invention shows Figure 24 based on the plant designated 2400, which lacks the third rectification column 13 or in which its function is integrated into the first rectification column 11.
  • the material stream i2 is partially heated in the main heat exchanger 1, expanded in an expansion machine 201a, cooled again in the main heat exchanger 1 and fed in part through the condenser evaporator 121 of the second rectification column, thereby at least partially liquefied, and again in part to the first and second Rectification column 11, 12.
  • the expansion machine 201a is coupled, for example, to a generator.
  • FIG. 25 An air separation plant according to the invention is illustrated in accordance with a further embodiment of the present invention and is designated overall by 2500. This differs from the previous plants, in which a material stream a1 is formed and expanded, by the further treatment of this material stream a1.
  • the partial stream a1 is divided into partial streams a4 and a5, the proportions of which can each be adjusted via valves not specifically designated.
  • the partial stream a4 is expanded in the expansion machine 3 and, if applicable, the parallel expansion valve and is thus partially used to drive the compressor 5.
  • the partial stream a5, like the entire partial stream a1 previously, is fed, for example, into the third rectification column 13.
  • the material stream e is nevertheless formed and partially treated as before, but is not expanded by means of the expansion machine 3 and the expansion valve 4. It is fed into the third rectification column 13 below the material stream a5.
  • the third rectification column 13 can be provided with an additional separation section 13a.
  • the rectification columns 11 to 15 can be thermally coupled. Residual gas from the first rectification column 11 can be used to recover argon, oxygen, and nitrogen. Stream e can be fed in whole or in part to the second rectification column 12. The remainder can be discharged via the expansion machine 3 as residual gas for use in the warm section 110.
  • FIG. 26 An air separation plant according to a further embodiment of the present invention is illustrated and designated overall mi5 2600. This represents in particular a variant of the air separation plant 2500.
  • the partial stream a1 is also divided into partial streams a4 and a5, whereby the material stream a4 is fed to the material stream I before it is heated and discharged or fed to the warm part 110.
  • the partial stream a5 is fed into the second
  • the heat is fed into rectification column 12.
  • the function of expansion turbine 201 therefore corresponds to that of a Lachmann turbine.
  • the measures illustrated allow the rectification columns 11 to 15 to be thermally coupled.
  • the partial flow d is formed and compressed as before, whereby a compressor used for this purpose, which is therefore denoted as 5a, is driven purely by a motor.
  • the partial flow e is, as before, Figure 25 explained, fed into the fourth rectification column 14.
  • the material flow I1 can first be partially heated in the main heat exchanger 1, compressed in a compressor 201b coupled to the expansion machine 201, then fed back to the main heat exchanger 1 at an intermediate temperature level, further heated, and then fed to the compressor 1401.
  • the nitrogen of the material stream h can also be separated as before with respect to Figures 28 and 29 illustrated, be compressed accordingly.
  • the use of the compressor designated 1401' here is optional.
  • FIG. 30 an air separation plant 3000 according to a non-inventive embodiment is illustrated in the form of a schematic plant diagram.
  • the air separation unit 3000 according to Figure 30 has great similarities with the Figure 1 illustrated, also not according to the invention. Only differences are explained below.
  • the partial stream c after being passed through the condenser evaporator 121 of the second rectification column 12, is not combined with other streams before being fed into the first rectification column 11. Furthermore, no part of the stream e is combined here as in Figure 1 or the air separation plant 100 of the Material flow e1 is branched off, so that the entire material flow e is fed to heat exchanger 2.
  • the expansion of material flow e takes place here in the form of two partial flows in two expansion machines 3 and 4.
  • the expansion machine 4 is coupled to a generator.
  • stream j designated differently here, is discharged from the second rectification column above stream i and, in particular, is fed to the top of the second rectification column 2.
  • Stream I is withdrawn from the top of the second rectification column 12, which can be heated without combining with another stream and, in particular after compression in a compressor 3001, discharged as a further gaseous nitrogen product H from the air separation plant 100.
  • the gaseous nitrogen product H represents the "further nitrogen-rich air product" previously explained in relation to various embodiments of the invention.
  • the main heat exchanger 1 can be arranged in a first prefabricated cold box 3010.
  • the first rectification column 11 with the heat exchanger 2 used to cool its head gas can be arranged in a second prefabricated cold box 3020.
  • the second rectification column can be arranged in a third prefabricated cold box 3030.
  • Figure 31 is a variant of the air separation plant 3000 according to Figure 31 which, however, represents an embodiment of the present invention and is designated overall by 3100.
  • a partial stream a1 of the feed air stream is provided; the repeatedly mentioned third rectification column 13 is also provided, and argon recovery is also provided in a fourth rectification column 14.
  • a fifth rectification column 15 is provided in the air separation plant 3100.
  • the designations "first,”"second,”"third,””fourth,” and "fifth" rectification column are used consistently with the above statements, so that reference can be made to them.
  • the formation and treatment of material flows d, e, f, g, h, i, k and l is essentially carried out as already described for Annex 100 and 3000 in accordance with Figure 1 30, respectively, wherein in the system 3100 only one expansion machine 4 is illustrated instead of the expansion machines 3 and 4, and the material stream i is not fed directly into the second rectification column 12, but is first passed through the condenser evaporator 121 and a subcooling counterflow 202. Furthermore, the material stream k can be temporarily stored in a tank system 203 in the example illustrated here. The material stream I is also passed through the subcooling counterflow 202.
  • a material stream corresponding to the material stream j according to plant 100 is not formed here. Instead, a liquid reflux n to the second rectification column 12 is formed by withdrawing overhead gas from the fourth rectification column in the form of a material stream m and liquefying it in the condenser evaporator 121. A portion of the liquefied overhead gas is passed through the subcooling countercurrent 202 and used in the form of material stream n; a further, undesignated portion is returned as reflux to the first rectification column 11. Further liquid can be provided in the form of liquid nitrogen X. From the third rectification column 13, a material stream o is returned to the first rectification column 1 in plant 200 by means of a pump 204.
  • the fifth rectification column 15 also represents a double column, the function of which is explained above.
  • the lower part 15b is operated with a condenser-evaporator 151, which is heated using a stream p taken from the third rectification column 13 and then, i.e., downstream of the condenser-evaporator 151, returned to the third rectification column 13.
  • ultra-high-purity oxygen is taken from the lower part 15b in the form of a stream q. This is transferred to a tank system 205, temporarily stored there, evaporated in the main heat exchanger 1, and provided as ultra-high-purity oxygen product U.
  • a stream r is withdrawn from the second rectification column 12 in the region of the argon transition or below and fed into the upper part 15a of the fifth rectification column 15, which is separated from the lower part 15a by a barrier plate 15c. Liquid separating on the barrier plate 15c is recycled below stream r into the second rectification column 12. Top gas from the upper part 15a and the lower part 15b of the fifth rectification column 15 is transferred via a stream s into the fourth rectification column 14. Bottom liquid from the fourth rectification column 14 is fed in the form of a stream t to the top of the lower part 15a and the upper part 15b of the fifth rectification column 15.
  • a top condenser 141 of the third rectification column 13 is cooled using bottoms liquid from the second rectification column 12 in the form of a stream u, which has previously been passed through the countercurrent subcooling 202. Liquid from an evaporation space of the top condenser 141 is recycled to the second rectification column 12 in the form of a stream v. Gas from an evaporation space of the top condenser 141 is withdrawn in the form of a stream w and partially expanded into the second rectification column 12 and partially used to form a residual gas stream x, which also comprises fluid withdrawn from the second and third rectification columns 12, 13.
  • argon-rich liquid is withdrawn from the fourth rectification column 14 in the form of a stream x.
  • This liquid can be stored in a tank system 206 before being subjected to internal compression by a pump 207, heated, and provided as argon product V. Uncondensed top gas from the fourth rectification column 14 can be released to the atmosphere A in the form of a stream y.
  • the main heat exchanger 1 can be arranged in a first prefabricated cold box 3110.
  • the first rectification column 11 with the heat exchanger 2 used to cool its head gas can be arranged in a second prefabricated cold box 3120.
  • the second rectification column 12 can be arranged together with the third rectification column 13 in a third prefabricated cold box 3130.
  • the fifth rectification column 15 is also arranged in the third cold box 3130.
  • the fourth rectification column 14 is arranged in a further prefabricated cold box 3140, in which, for example, the fifth rectification column 15 can also be arranged.
  • the fourth rectification column 14 can also be arranged in the third cold box 3130. Any distribution is possible.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine entsprechende Anlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a process for the low-temperature separation of air and a corresponding plant according to the preambles of the independent patent claims.

Stand der TechnikState of the art

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.The production of air products in liquid or gaseous state by low-temperature separation of air in air separation plants is well known and is used, for example, in H.-W. Häring (ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, especially section 2.2.5, "Cryogenic Rectification ", described.

Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die herkömmlicherweise beispielsweise 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 der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Häufig werden dabei die Begriffe "Rektifikation" und "Destillation" sowie "Säule" und "Kolonne" bzw. hieraus zusammengesetzte Begriffe synonym verwendet.Air separation plants have rectification column systems, which can traditionally be configured as two-column systems, particularly classic Linde double-column systems, but also as three- or multi-column systems. In addition to the rectification columns for the recovery of nitrogen and/or oxygen in the liquid and/or gaseous state, i.e., the rectification columns for nitrogen-oxygen separation, rectification columns can be provided for the recovery of other air components, particularly the noble gases krypton, xenon, and/or argon. The terms "rectification" and "distillation," as well as "column" and "column," or combinations thereof, are often used synonymously.

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 Druckniveau von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die Niederdruckkolonne wird auf einem Druckniveau von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier und nachfolgend angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen.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 pressure column, medium-pressure column or lower column) and a so-called low-pressure column (also referred to as upper column). The high-pressure column is typically operated at a pressure level of 4 to 7 bar, in particular approximately 5.3 bar. The low-pressure column is typically operated at a pressure level of 1 to 2 bar, in particular approximately 1.4 bar. In certain cases, higher pressure levels can also be used in both rectification columns. In the cases described here and The pressures given below are absolute pressures at the top of the respective columns.

Zur Bereitstellung von Druckstickstoff als Hauptprodukt sind aus dem Stand der Technik sogenannte SPECTRA-Verfahren bekannt. Diese werden weiter unten noch ausführlich erläutert. Die vorliegende Erfindung stellt sich in Ausgestaltungen die Aufgabe, solche SPECTRA-Verfahren zu verbessern, vornehmlich hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Stoffausbeute. Eine Schwerpunkt der an die vorliegende Erfindung gestellten Aufgabe besteht insbesondere auch darin, ein Verfahren und eine Luftzerlegungsanlage anzugeben, mittels welchem bzw. welcher neben größeren Mengen an hochreinem, gasförmigem Stickstoff auf einem deutlich überatmosphärischen Druckniveau auch ein weiteres Stickstoffprodukt und/oder Argon in vorteilhafter Weise bereitgestellt werden können.So-called SPECTRA processes are known from the prior art for providing compressed nitrogen as the main product. These are explained in more detail below. The present invention, in its embodiments, sets itself the task of improving such SPECTRA processes, primarily with regard to energy consumption and material yield. A particular focus of the task posed by the present invention is to provide a process and an air separation plant by means of which, in addition to larger quantities of high-purity, gaseous nitrogen at a significantly superatmospheric pressure level, another nitrogen product and/or argon can also be advantageously provided.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine entsprechende Anlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und eine entsprechende Anlage entsprechend den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche sind aus der US 2009/120128 A1 bekannt.Against this background, the present invention proposes a method for the cryogenic separation of air and a corresponding plant having the features of the independent patent claims. A method for the cryogenic separation of air and a corresponding plant according to the preambles of the respective independent claims are known from US 2009/120128 A1 known.

Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.Preferred embodiments are the subject of the subclaims and the following description.

Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung näher erläutert und nachfolgend verwendete Begriffe definiert.Before explaining the features and advantages of the present invention, some principles of the present invention are explained in more detail and terms used below are defined.

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.The devices used in an air separation plant are described in the cited technical literature, for example, in Häring (see above) in Section 2.2.5.6, "Apparatus." Therefore, unless the following definitions deviate from this definition, explicit reference is made to the cited technical literature for the terminology used in this application.

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.Liquids and gases, as used herein, may be rich or poor in one or more components, where "rich" means a content of at least 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99% and "poor" means a content of at most 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a molar, weight or Can be on a volume basis. The term "predominantly" can correspond to the definition of "rich." Liquids and gases can also be enriched or depleted in one or more components, with these terms referring to a content in a parent liquid or gas from which the liquid or gas was derived. The liquid or gas is "enriched" if it contains 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 it contains at most 0.9 times, 0.5 times, 0.1 times, 0.01 times, or 0.001 times the content of a corresponding component, based on the parent liquid or gas. For example, if we talk about "oxygen", "nitrogen" or "argon", this also means a liquid or gas that is rich in oxygen or nitrogen, but does not necessarily have to consist exclusively of these.

Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1%, 5%, 10% oder 20% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei den hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.This application uses the terms "pressure level" and "temperature level" to characterize pressures and temperatures. This is intended to express that corresponding pressures and temperatures in a corresponding system do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values to implement the inventive concept. However, such pressures and temperatures typically fluctuate within certain ranges, for example, within ± 1%, 5%, 10%, or 20% of a mean value. Corresponding pressure levels and temperature levels can lie in disjoint ranges or in ranges that overlap one another. In particular, pressure levels, for example, include unavoidable or expected pressure losses. The same applies to temperature levels. The pressure levels specified here in bar are absolute pressures.

Ist hier von "Entspannungsmaschinen" die Rede, seien darunter typischerweise bekannte Turboexpander verstanden. Diese Entspannungsmaschinen können insbesondere auch mit Verdichtern gekoppelt sein. Bei diesen Verdichtern kann es sich insbesondere um Turboverdichter handeln. Eine entsprechende Kombination aus Turboexpander und Turboverdichter wird typischerweise auch als "Turbinenbooster" bezeichnet. In einem Turbinenbooster sind der Turboexpander und der Turboverdichter mechanisch gekoppelt, wobei die Kopplung drehzahlgleich (beispielsweise über eine gemeinsame Welle) oder drehzahlunterschiedlich (beispielsweise über ein geeignetes übersetzendes Getriebe) erfolgen kann. Allgemein wird hier der Begriff "Verdichter" verwendet. Ein "Kaltverdichter" bezeichnet dabei hier einen Verdichter, dem ein Fluidstrom auf einem Temperaturniveau deutlich unterhalb von 0 °C, insbesondere unterhalb von -50, -75 oder -100 °C und bis zu -150 oder -200 °C zugeführt wird. Ein entsprechender Fluidstrom wird insbesondere mittels eines Hauptwärmetauschers (siehe sogleich) auf ein entsprechendes Temperaturniveau abgekühlt.When we talk about "expansion machines" here, we typically mean well-known turboexpanders. These expansion machines can also be coupled with compressors. These compressors can be turbocompressors. A corresponding combination of turboexpander and turbocompressor is typically also referred to as a "turbine booster." In a turbine booster, the turboexpander and the turbocompressor are mechanically coupled, whereby the coupling can be the same speed (for example, via a common shaft) or different speeds (for example, via a suitable The term "compressor" is generally used here. A "cold compressor" refers to a compressor to which a fluid flow is supplied at a temperature level significantly below 0 °C, in particular below -50, -75, or -100 °C and down to -150 or -200 °C. This fluid flow is cooled to a corresponding temperature level, in particular by means of a main heat exchanger (see below).

Ein "Hauptluftverdichter" zeichnet sich dadurch aus, dass durch ihn die gesamte, der Luftzerlegungsanlage zugeführte und dort zerlegte Luft verdichtet wird. Hingegen wird in einem oder mehreren optional vorgesehenen weiteren Verdichtern, beispielsweise Nachverdichtern, nur jeweils ein Anteil dieser bereits zuvor im Hauptluftverdichter verdichteten Luft weiter verdichtet. Entsprechend stellt der "Hauptwärmetauscher" einer Luftzerlegungsanlage den Wärmetauscher dar, in dem zumindest der überwiegende Anteil der der Luftzerlegungsanlage zugeführten und dort zerlegten Luft abgekühlt wird. Dies erfolgt zumindest zum Teil im Gegenstrom zu Stoffströme, die aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Aus einer Luftzerlegungsanlage "ausgeleitete" Stoffströme oder "Produkte" sind im hier verwendeten Sprachgebrauch Fluide, die nicht mehr an anlageninternen Kreisläufen teilnehmen sondern diesen dauerhaft entzogen werden.A "main air compressor" is characterized by the fact that it compresses all of the air supplied to the air separation plant and separated there. In contrast, in one or more optionally provided additional compressors, such as booster compressors, only a portion of this air previously compressed in the main air compressor is further compressed. Accordingly, the "main heat exchanger" of an air separation plant represents the heat exchanger in which at least the majority of the air supplied to the air separation plant and separated there is cooled. This occurs, at least in part, in countercurrent to material flows discharged from the air separation plant. Material flows or "products" "discharged" from an air separation plant, as used here, are fluids that no longer participate in the plant's internal circuits but are permanently removed from them.

Ein "Wärmetauscher" zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in fachüblicher Art ausgebildet sein. Er dient zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei z.B. im Gegenstrom zueinander geführten Fluidströmen, beispielsweise einem warmen Druckluftstrom und einem oder mehreren kalten Fluidströmen oder einem tiefkalten flüssigen Luftprodukt und einem oder mehreren warmen bzw. wärmeren, ggf. aber auch noch tiefkalten Fluidströmen. Ein Wärmetauscher kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Es handelt sich beispielsweise um einen Plattenwärmetauscher (engl. Plate Fin Heat Exchanger). Ein derartiger Wärmetauscher weist "Passagen" auf, die als voneinander getrennte Fluidkanäle mit Wärmeaustauschflächen ausgebildet und parallel und durch andere Passagen getrennt zu "Passagengruppen" zusammengeschlossen sind. Kennzeichen eines Wärmetauschers ist, dass in ihm zu einem Zeitpunkt Wärme zwischen zwei mobilen Medien ausgetauscht wird, nämlich wenigstens einem abzukühlenden und wenigstens einem zu erwärmenden Fluidstrom.A "heat exchanger" for use in the context of the present invention can be designed in a manner customary in the art. It serves for the indirect transfer of heat between at least two fluid flows, for example, flowing countercurrently to one another, for example, a warm compressed air flow and one or more cold fluid flows, or a cryogenic liquid air product and one or more warm or warmer, but possibly also cryogenic fluid flows. A heat exchanger can be formed from a single or several parallel and/or serially connected heat exchanger sections, e.g., from one or more plate heat exchanger blocks. This is, for example, a plate fin heat exchanger. Such a heat exchanger has "passages" designed as separate fluid channels with heat exchange surfaces and connected in parallel and separated by other passages to form "passage groups." The characteristic of a heat exchanger is that heat can be transferred between two mobile media are exchanged, namely at least one fluid stream to be cooled and at least one fluid stream to be heated.

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.A "condenser-evaporator" is 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 chamber and an evaporating chamber. The condensing and evaporating chambers have condensation and evaporation passages, respectively. The condensation (liquefaction) of the first fluid stream takes place in the condensing chamber, and the evaporation of the second fluid stream takes place in the evaporating chamber. The evaporation and condensing chambers are formed by groups of passages that are in heat exchange relationship with each other.

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 im Normalbetrieb. Unter einer Anordnung zweier Rektifikationskolonnen oder anderer Komponenten "übereinander" wird hier verstanden, dass das sich obere Ende des unteren der beiden Apparateteile auf niedrigerer oder gleicher geodätischer Höhe befindet wie das untere Ende der oberen der beiden Apparateteile und sich die Projektionen der beiden Apparateteile in einer horizontalen Ebene überschneiden. Insbesondere sind die beiden Apparateteile genau übereinander angeordnet, das heißt die Achsen der beiden Apparateteile verlaufen auf derselben vertikalen Geraden. Die Achsen der beiden Apparateteile müssen jedoch nicht genau senkrecht übereinander liegen, sondern können auch gegeneinander versetzt sein, insbesondere wenn einer der beiden Apparateteile, beispielsweise eine Rektifikationskolonne oder ein Kolonnenteil mit geringerem Durchmesser, denselben Abstand zum Blechmantel einer Coldbox aufweisen soll wie ein anderer mit größerem Durchmesser.The relative spatial terms "top," "bottom," "above," "below," "above," "below," "next to," "side by side," "vertical," "horizontal," etc., refer here to the spatial orientation of the rectification columns of an air separation plant during normal operation. An arrangement of two rectification columns or other components "one above the other" is understood here to mean that the upper end of the lower of the two apparatus sections is at a lower or equal geodetic height than the lower end of the upper of the two apparatus sections, and the projections of the two apparatus sections intersect in a horizontal plane. In particular, the two apparatus sections are arranged exactly one above the other, i.e., the axes of the two apparatus sections run on the same vertical line. However, the axes of the two apparatus parts do not have to be exactly perpendicular to each other, but can also be offset from each other, especially if one of the two apparatus parts, for example a rectification column or a column part with a smaller diameter, is to have the same distance from the sheet metal jacket of a cold box as another with a larger diameter.

Die vorliegende Erfindung umfasst die Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem sogenannten SPECTRA-Verfahren, wie es unter anderem in der EP 2 789 958 A1 und der weiteren dort zitierten Patentliteratur beschrieben ist. Es handelt sich hierbei in der einfachsten Ausgestaltung um ein Einkolonnenverfahren. Derartige Verfahren ermöglichen eine hohe Sickstoffausbeute. Ein Rücklauf auf eine im einfachsten Fall einzige Rektifikationskolonne wird hier durch Kondensieren von Kopfgas dieser Rektifikationskolonne, genauer eines Teils dieses Kopfgases, in einem Wärmetauscher bereitgestellt. In dem Wärmetauscher wird Fluid, das derselben Rektifikationskolonne entnommen wird, zur Kühlung eingesetzt. Weiteres Kopfgas kann als stickstoffreiches Produkt des Verfahrens bzw. der Anlage bereitgestellt werden.The present invention comprises the low-temperature separation of air according to the so-called SPECTRA process, as described, inter alia, in EP 2 789 958 A1 and the other patent literature cited therein. In its simplest form, this is a single-column process. Such processes enable a high nitrogen yield. A reflux to a single rectification column, in the simplest case, is achieved by condensing the top gas of this Rectification column, or more precisely, a portion of this overhead gas, is provided in a heat exchanger. Fluid taken from the same rectification column is used for cooling in the heat exchanger. Additional overhead gas can be provided as a nitrogen-rich product of the process or plant.

Mittels eines Kaltverdichters wird ein Teil des Fluids, das zur Kondensation des auf diese Weise behandelten Teils des Kopfgases verwendet wurde, verdichtet und in dieselbe Rektifikationskolonne zurückgeführt. Durch SPECTRA-Verfahren können sehr günstige Luftfaktoren erreicht werden, also eine große Menge an Produkt pro eingesetzter Menge Luft. Nachfolgend wird zunächst ein entsprechendes Verfahren näher erläutert. Der Begriff "SPECTRA-Verfahren" soll dabei das erläuterte Einkolonnenverfahren zur Stickstoffgewinnung oder ein modifiziertes Einkolonnenverfahren handeln, in dem, wie auch nachfolgend erläutert, eine weitere Rektifikationskolonne zur Sauerstoffgewinnung eingesetzt wird.Using a cold compressor, a portion of the fluid used to condense the thus-treated portion of the overhead gas is compressed and returned to the same rectification column. SPECTRA processes can achieve very favorable air ratios, i.e., a large amount of product per unit of air used. A corresponding process is explained in more detail below. The term "SPECTRA process" refers to the single-column process for nitrogen recovery described above or to a modified single-column process in which, as also explained below, an additional rectification column is used for oxygen recovery.

Wie bei anderen Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft auch wird beim SPECTRA-Verfahren verdichtete und vorgereinigte Luft auf eine für die Rektifikation geeignete Temperatur abgekühlt. Sie kann hierdurch teilweise verflüssigt werden. Die Luft wird anschließend in die soeben angesprochene Rektifikationskolonne eingespeist und dort unter dem typischen Druck einer Hochdruckkolonne wie eingangs erläutert unter Erhalt des gegenüber atmosphärischer Luft an Stickstoff angereicherten, bereits angesprochenen Kopfgases und einer flüssigen, gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereicherten Sumpfflüssigkeit rektifiziert.As with other cryogenic air separation processes, the SPECTRA process involves cooling compressed and pre-purified air to a temperature suitable for rectification. This allows it to be partially liquefied. The air is then fed into the rectification column mentioned above, where it is rectified under the typical pressure of a high-pressure column, as explained above, to obtain the aforementioned overhead gas, which is enriched in nitrogen compared to atmospheric air, and a liquid bottoms liquid, which is enriched in oxygen compared to atmospheric air.

Bei einem SPECTRA-Verfahren wird in einer Luftzerlegungsanlage also die angesprochene Rektifikationskolonne verwendet, in der ein gasförmiges, gegenüber atmosphärischer Luft an Stickstoff angereichertes Kopfprodukt einerseits und ein flüssiges, gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereichertes Sumpfprodukt andererseits gebildet werden. Die Begriffe "Kopfprodukt" und "Kopfgas" einerseits sowie "Sumpfprodukt" und "Sumpfflüssigkeit" andererseits werden hier jeweils synonym verwendet.In a SPECTRA process, the aforementioned rectification column is used in an air separation plant, in which a gaseous overhead product enriched in nitrogen compared to atmospheric air and a liquid bottom product enriched in oxygen compared to atmospheric air are formed. The terms "overhead product" and "overhead gas" on the one hand, and "bottom product" and "bottom liquid" on the other, are used synonymously here.

Diese Rektifikationskolonne, deren Kopfgas zu einem Teil in der erläuterten Weise unter Verwendung von entspanntem Fluid aus derselben Rektifikationskolonne verflüssigt oder teilverflüssigt und danach zumindest zu einem Teil auf dieselbe Rektifikationskolonne zurückgeführt wird, wird hier als "erste" Rektifikationskolonne bezeichnet. Wie erwähnt, kann es sich hierbei in bekannten SPECTRA-Verfahren auch um die einzige Rektifikationskolonne handeln. Dies ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch nicht der Fall.This rectification column, the top gas of which is partly liquefied or partially liquefied in the manner explained using expanded fluid from the same rectification column and then at least partly transferred to the same The column recycled to the rectification column is referred to here as the "first" rectification column. As mentioned, this may also be the only rectification column in known SPECTRA processes. However, this is not the case within the scope of the present invention.

Aus der ersten Rektifikationskolonne wird das Fluid, das zur Kondensation des auf diese Weise behandelten Teils des Kopfgases der ersten Rektifikationskolonne verwendet wird, und bei dem es sich insbesondere um tiefkalte, gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit handeln kann, in Form eines oder mehrerer Stoffströme entnommen. Es wird zumindest zu einem Teil in dem Wärmetauscher erwärmt, der zur Kondensation des auf diese Weise behandelten Teils des Kopfgases der ersten Rektifikationskolonne verwendet wird.The fluid used to condense the thus-treated portion of the top gas from the first rectification column, which may in particular be a cryogenic liquid enriched in oxygen relative to atmospheric air, is withdrawn from the first rectification column in the form of one or more streams. At least a portion of the fluid is heated in the heat exchanger used to condense the thus-treated portion of the top gas from the first rectification column.

Dieser oder diese Stoffströme wird bzw. werden nachfolgend als "erster" Stoffstrom bzw. "erste" Stoffströme bezeichnet. Das Fluid kann in Form nur eines ersten Stoffstroms oder in Form zweier oder mehrerer getrennter erster Stoffströme durch den Wärmetauscher geführt werden. Beispielsweise kann der Rektifikationskolonne zunächst ein Stoffstrom entnommen und anschließend aufgeteilt werden, oder der Rektifikationskolonne können bereits zwei getrennte erste Stoffströme, insbesondere mit unterschiedlichen Sauerstoffgehalten, separat voneinander entnommen werden.This or these material streams will be referred to below as the "first" material stream(s). The fluid can be passed through the heat exchanger in the form of only one first material stream or in the form of two or more separate first material streams. For example, one material stream can first be withdrawn from the rectification column and then split, or two separate first material streams, particularly with different oxygen contents, can be withdrawn separately from each other from the rectification column.

In dem SPECTRA-Verfahren wird, wie ebenfalls bereits angesprochen und hier nochmals mit anderen Worten ausgedrückt, das Fluid, das der ersten Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, zu einem ersten Teil in einem oder in mehreren Verdichtern verdichtet und nach dieser Verdichtung wieder in die erste Rektifikationskolonne zurückgespeist.In the SPECTRA process, as already mentioned and expressed here again in other words, the fluid which is taken from the first rectification column in the form of the one or more first material streams and heated in the heat exchanger is compressed to a first part in one or more compressors and, after this compression, fed back into the first rectification column.

Zu einem zweiten Teil kann das Fluid, das der ersten Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, in dem SPECTRA-Verfahren unter Verwendung einer oder der mehrerer Entspannungsmaschinen entspannt und insbesondere als ein sogenanntes Restgasgemisch aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt werden.In a second part, the fluid which is withdrawn from the first rectification column in the form of the one or more first material streams and heated in the heat exchanger can be expanded in the SPECTRA process using one or more expansion machines and in particular discharged as a so-called residual gas mixture from the air separation plant.

Der erste und zweite Teil des Fluids, das der Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen wird, also der verdichtete und der entspannte Teil, können wiederum zwei erste Stoffströme sein, wie sie oben erläutert wurden, die bereits separat aus der ersten Rektifikationskolonne ausgeleitet wurden. es kann sich jedoch auch um Anteile nur eines, der ersten Rektifikationskolonne entnommenen ersten Stoffstroms handeln. Der erste und zweite Teil können auch noch gemeinsam durch den Wärmetauscher geführt worden sein und danach erst in den ersten und zweiten Teil aufgeteilt werden.The first and second portions of the fluid withdrawn from the rectification column in the form of one or more first streams, i.e., the compressed and expanded portions, can in turn be two first streams, as explained above, which have already been discharged separately from the first rectification column. However, they can also be portions of only one first stream withdrawn from the first rectification column. The first and second portions can also have been passed through the heat exchanger together and only then be divided into the first and second portions.

Für die Verdichtung des erwähnten ersten Teils des Fluids, das der ersten Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, kann bzw. können insbesondere ein oder mehrere Verdichter eingesetzt werden, der oder die mit einer oder mit mehreren Entspannungsmaschinen gekoppelt ist oder sind. In der oder den Entspannungsmaschinen kann insbesondere die Entspannung des erwähnten zweiten Teils des Fluids, das der ersten Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, vorgenommen werden. Es versteht sich jedoch, dass jeweils auch nur Teile des ersten bzw. zweiten Anteils in den entsprechend gekoppelten Einheiten verdichtet bzw. entspannt werden können. Eine nicht mit einem entsprechenden Verdichter gekoppelte Entspannungsmaschine kann, falls vorhanden, insbesondere mechanisch und/oder generatorisch gebremst werden. Eine Bremsung ist zusätzlich auch bei einer Entspannungsmaschine möglich, die mit einem Verdichter gekoppelt ist.For the compression of the aforementioned first portion of the fluid, which is taken from the first rectification column in the form of one or more first material streams and heated in the heat exchanger, one or more compressors can be used, which are coupled to one or more expansion machines. In the expansion machine(s), the expansion of the aforementioned second portion of the fluid, which is taken from the first rectification column in the form of one or more first material streams and heated in the heat exchanger, can in particular take place. However, it is understood that only parts of the first or second portion can be compressed or expanded in the correspondingly coupled units. An expansion machine not coupled to a corresponding compressor can, if present, be braked, in particular mechanically and/or regeneratively. Braking is also possible with an expansion machine coupled to a compressor.

Beispielsweise kann hierbei ein Verdichter verwendet werden, der mit einer von zwei parallel angeordneten Entspannungsmaschinen gekoppelt ist. Wird nur eine Entspannungsmaschine verwendet, kann der Verdichter mit dieser gekoppelt sein. Die nachfolgend lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit verwendete Formulierung, wonach "ein" Verdichter mit "einer" Entspannungsmaschine gekoppelt ist, schließt die Verwendung von mehreren Verdichtern und/oder Entspannungsmaschinen in beliebiger wechselseitiger Kopplung nicht aus. Der oder die beschriebenen Verdichter muss bzw. müssen jedoch nicht, insbesondere nicht ausschließlich, mittels der einen oder den mehreren erwähnten Entspannungsmaschinen angetrieben werden. Umgekehrt müssen der oder die Verdichter auch nicht die gesamte bei der Entspannung freiwerdende Arbeit aufnehmen. Wie auch nachfolgend noch an einem Beispiel veranschaulicht, kann beispielsweise auch ein unterstützender oder ausschließlicher Antrieb unter Verwendung eines Elektromotors erfolgen, oder zwischen der oder den Entspannungsmaschinen und dem oder den Verdichtern kann eine Bremse zwischengeschaltet sein.For example, a compressor can be used that is coupled to one of two expansion machines arranged in parallel. If only one expansion machine is used, the compressor can be coupled to it. The wording used below merely for reasons of clarity, according to which "a" compressor is coupled to "an" expansion machine, does not exclude the use of multiple compressors and/or expansion machines in any mutual coupling. However, the compressor(s) described need not be driven, in particular not exclusively, by means of the one or more expansion machines mentioned. Conversely, the compressor(s) do not have to absorb all of the work released during expansion. As will be shown below with reference to a As illustrated in the example, a supporting or exclusive drive can also be provided using an electric motor, or a brake can be interposed between the expansion machine(s) and the compressor(s).

Es handelt sich bei dem oder den Verdichtern um einen oder mehrere Kaltverdichter, da diesem bzw. diesen der erste Anteil des Fluids, das der Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, trotz dieser Erwärmung und einer sich ggf. anschließenden weiteren Erwärmung auf einem entsprechend niedrigen Temperaturniveau zugeführt wird.The compressor(s) are one or more cold compressors, since the first portion of the fluid taken from the rectification column in the form of the one or more first material streams and heated in the heat exchanger is fed to this or these compressors at a correspondingly low temperature level despite this heating and any subsequent further heating.

Anstelle der erläuterten Entspannung des zweiten Teils des Fluids, das der Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, und dessen beschriebener Ausleitung aus der Luftzerlegungsanlage, kann auch auf eine entsprechende Entspannung verzichtet werden und/oder dieser zweite Teil kann, mit oder ohne Entspannung, in eine oder mehrere weitere Rektifikationskolonnen eingespeist werden, wie sie weiter unten noch erläutert werden.Instead of the described expansion of the second part of the fluid, which is taken from the rectification column in the form of the one or more first material streams and heated in the heat exchanger, and its described discharge from the air separation plant, a corresponding expansion can also be dispensed with and/or this second part can be fed, with or without expansion, into one or more further rectification columns, as will be explained further below.

In einem spezifischeren Ausführungsbeispiel eines SPECTRA-Verfahrens können aus der ersten Rektifikationskolonne zwei erste Stoffströme in Form eines flüssigen Stoffstroms mit einem ersten Sauerstoffgehalt und eines flüssigen Stoffstroms mit einem zweiten, höheren Sauerstoffgehalt abgezogen werden. Der erste Stoffstrom mit dem ersten (geringeren) Sauerstoffgehalt kann aus der ersten Rektifikationskolonne von einem Zwischenboden oder aus einer Flüssigkeitsrückhalteeinrichtung abgezogen werden. Der zweite Stoffstrom mit dem zweiten (höheren) Sauerstoffgehalt kann insbesondere unter Verwendung zumindest eines Teils des flüssigen Sumpfprodukts der ersten Rektifikationskolonne gebildet werden.In a more specific embodiment of a SPECTRA process, two first streams can be withdrawn from the first rectification column in the form of a liquid stream having a first oxygen content and a liquid stream having a second, higher oxygen content. The first stream having the first (lower) oxygen content can be withdrawn from the first rectification column from an intermediate tray or from a liquid retention device. The second stream having the second (higher) oxygen content can be formed, in particular, using at least a portion of the liquid bottom product of the first rectification column.

Der erste Stoffstrom mit dem ersten (geringeren) Sauerstoffgehalt kann insbesondere den zuvor erläuterten ersten Teil des Fluids bilden, das der ersten Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, welcher zur Kondensation des auf diese Weise behandelten Teils des Kopfgases der ersten Rektifikationskolonne verwendet wird. Der erste Stoffstrom mit dem ersten (geringeren) Sauerstoffgehalt kann also jenen ersten Teil bilden, der nach der Verwendung in dem einen oder in den mehreren Verdichtern verdichtet wird, und welcher danach in die erste Rektifikationskolonne zurückgespeist wird.The first material stream with the first (lower) oxygen content can in particular form the previously explained first part of the fluid which is withdrawn from the first rectification column in the form of the one or more first material streams and is heated in the heat exchanger which is used to condense the part of the top gas of the first rectification column treated in this way is used. The first stream with the first (lower) oxygen content can therefore form the first part which, after use, is compressed in the one or more compressors and which is then fed back into the first rectification column.

Der erste Stoffstrom mit dem zweiten (höheren) Sauerstoffgehalt kann dagegen insbesondere den zuvor erläuterten zweiten Teil des Fluids bilden, das der ersten Rektifikationskolonne in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme entnommen und in dem Wärmetauscher erwärmt wird, welcher zur Kondensation des auf diese Weise behandelten Teils des Kopfgases der ersten Rektifikationskolonne verwendet wird. Der erste Stoffstrom mit dem zweiten (höheren) Sauerstoffgehalt kann also jenen zweiten Teil bilden, der nach der Verwendung in dem einen oder in den mehreren Verdichtern verdichtet wird, und welcher danach in die erste Rektifikationskolonne zurückgespeist wird.The first stream with the second (higher) oxygen content, on the other hand, can in particular form the previously explained second portion of the fluid, which is withdrawn from the first rectification column in the form of the one or more first streams and heated in the heat exchanger used to condense the thus-treated portion of the top gas from the first rectification column. The first stream with the second (higher) oxygen content can thus form that second portion which, after use, is compressed in the one or more compressors and which is then fed back into the first rectification column.

In den erwähnten SPECTRA-Verfahren können zur Gewinnung von reinem oder hochreinem Sauerstoff ferner sogenannte Sauerstoffkolonnen verwendet werden, die auf dem eingangs erläuterten Druckniveau typischer Niederdruckkolonnen betrieben werden. Eine entsprechende Sauerstoffkolonne wird nachfolgend auch als "zweite" Rektifikationskolonne bezeichnet.In the aforementioned SPECTRA processes, so-called oxygen columns can also be used to produce pure or ultrapure oxygen. These columns operate at the pressure level of typical low-pressure columns described above. Such an oxygen column is also referred to below as a "second" rectification column.

In eine derartige zweite Rektifikationskolonne wird weiteres Fluid aus der ersten Rektifikationskolonne eingespeist. Dieses weitere Fluid enthält Sauerstoff, Argon und Stickstoff und wird aus der ersten Rektifikationskolonne in Form (zumindest) eines weiteren Stoffstroms (nachfolgend als "zweiter" Stoffstrom bezeichnet) flüssig entnommen. In dem soeben erläuterten Ausführungsbeispiel mit zwei "ersten" Stoffströmen mit unterschiedlichen Sauerstoffgehalten wird der zweite Stoffstrom insbesondere oberhalb des ersten Stoffstroms mit dem ersten (geringeren) Sauerstoffgehalt entnommen.Further fluid from the first rectification column is fed into such a second rectification column. This further fluid contains oxygen, argon, and nitrogen and is withdrawn in liquid form from the first rectification column in the form of (at least) one further stream (hereinafter referred to as the "second" stream). In the embodiment just explained with two "first" streams with different oxygen contents, the second stream is withdrawn in particular above the first stream with the first (lower) oxygen content.

Während das SPECTRA-Verfahren ursprünglich zur Bereitstellung von gasförmigem Stickstoff auf dem Druckniveau der ersten Rektifikationskolonne vorgesehen war, ermöglicht die Verwendung einer Sauerstoffkolonne der erläuterten Art in einem entsprechenden Verfahren die zusätzliche Gewinnung von Reinsauerstoff.While the SPECTRA process was originally intended to provide gaseous nitrogen at the pressure level of the first rectification column, the use of an oxygen column of the type described in a corresponding process enables the additional production of pure oxygen.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Verfahren der zuvor erläuterten Art besonders vorteilhaft dadurch modifiziert werden kann, dass die soeben erläuterte Sauerstoffkolonne, also eine in einem modifizierten SPECTRA-Verfahren verwendete zweite Rektifikationskolonne, als Teil einer Doppelkolonne ausgebildet wird, die zusätzlich zu der zweiten Rektifikationskolonne eine dritte Rektifikationskolonne umfasst, welche als Teil der Doppelkolonne unterhalb der zweiten Rektifikationskolonne angeordnet ist, und welcher weitere Luft zugeführt wird. Die vorliegende Erfindung sieht also eine Lufteinspeisung in einem SPECTRA-Verfahren nicht nur in die erste Kolonne, sondern auch in die dritte Kolonne, vor.The present invention is based on the finding that a process of the type described above can be particularly advantageously modified by constructing the oxygen column just described, i.e., a second rectification column used in a modified SPECTRA process, as part of a double column which, in addition to the second rectification column, comprises a third rectification column. This third column, as part of the double column, is arranged below the second rectification column and to which additional air is supplied. The present invention thus provides for air feed in a SPECTRA process not only into the first column, but also into the third column.

Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung dabei, im Sprachgebrauch der Patentansprüche, ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft vor, bei dem eine Luftzerlegungsanlage mit einer ersten Rektifikationskolonne und einer zweiten Rektifikationskolonne verwendet wird. Die erste Rektifikationskolonne wird dabei auf einem ersten Druckniveau und die zweite Rektifikationskolonne auf einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus betrieben.Overall, the present invention proposes, in the language of the patent claims, a process for the low-temperature separation of air, using an air separation plant with a first rectification column and a second rectification column. The first rectification column is operated at a first pressure level, and the second rectification column is operated at a second pressure level below the first pressure level.

Bei derartigen ersten und zweiten Druckniveaus handelt es sich um typische Druckniveaus, wie sie auch in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen, insbesondere SPECTRA-Anlagen mit Sauerstoffgewinnung, verwendet werden. Das erste Druckniveau kann insbesondere bei 7 bis 12 bar liegen, das zweite Druckniveau insbesondere bei 1,2 bis 5 bar. Das zweite Druckniveau kann generell auch bei 1 bis 4 bar liegen. Es handelt sich jeweils um Absolutdrücke am Kopf der jeweiligen Rektifikationskolonnen. Die erste Rektifikationskolonne und die zweite Rektifikationskolonne können insbesondere nebeneinander angeordnet sein und sind typischerweise miteinander nicht in Form einer Doppelkolonne zusammengefasst, wobei hier allgemein unter einer "Doppelkolonne" ein aus zwei Rektifikationskolonnen gebildeter Trennapparat verstanden wird, welcher als bauliche Einheit ausgebildet ist, bei der Kolonnenmäntel der beiden Rektifikationskolonnen leitungslos, d.h. direkt, miteinander verbunden, insbesondere verschweißt sind. Es muss dabei jedoch durch diese direkte Verbindung alleine noch keine fluidische Verbindung hergestellt sein.Such first and second pressure levels are typical pressure levels, such as those used in conventional air separation plants, in particular SPECTRA plants with oxygen recovery. The first pressure level can be, in particular, 7 to 12 bar, the second pressure level, in particular, 1.2 to 5 bar. The second pressure level can generally also be 1 to 4 bar. These are absolute pressures at the top of the respective rectification columns. The first rectification column and the second rectification column can, in particular, be arranged side by side and are typically not combined in the form of a double column. A "double column" is generally understood here to mean a separation apparatus formed from two rectification columns, which is designed as a structural unit in which the column shells of the two rectification columns are connected to one another without any pipes, i.e., directly, in particular by welding. However, this direct connection alone does not necessarily establish a fluidic connection.

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte erste Rektifikationskolonne und die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte zweite Rektifikationskolonne wurden bereits zuvor unter Bezugnahme auf das SPECTRA-Verfahren ausführlich beschrieben. Bei der zweiten Rektifikationskolonne kann es sich insbesondere um eine Sauerstoffkolonne handeln.The first rectification column and the second rectification column used in the present invention have already been described in detail with reference to the SPECTRA process. The second rectification column can, in particular, be an oxygen column.

Der ersten Rektifikationskolonne wird dabei atmosphärische Luft, welche verdichtet und sodann abgekühlt wurde, zugeführt. Insbesondere kann entsprechende Luft der ersten Rektifikationskolonne in Form mehrerer Stoffströme zugeführt werden, welche unterschiedlich behandelt und ggf. zuvor durch weitere Apparate geführt werden können. Die in die erste Rektifikationskolonne eingespeiste Luft kann insbesondere in Form eines verflüssigten Teilstroms und eines nicht verflüssigten Teilstroms eingespeist werden. Weitere Ausgestaltungen der Lufteinspeisung, die insbesondere im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, werden weiter unten näher erläutert. Der zweiten Rektifikationskolonne wird hingegen typischerweise keine Luft zugeführt; allgemeiner gesprochen werden der zweiten Rektifikationskolonne typischerweise keine Stoffströme zugeführt, die zuvor nicht bereits einer anderen Rektifikationskolonne entnommen oder aus solchen Stoffströmen gebildet wurden.Atmospheric air, which has been compressed and then cooled, is fed to the first rectification column. In particular, corresponding air can be fed to the first rectification column in the form of several material streams, which can be treated differently and, if necessary, passed through further apparatus beforehand. The air fed into the first rectification column can, in particular, be fed in the form of a liquefied partial stream and a non-liquefied partial stream. Further embodiments of the air feed, which can be used in particular within the scope of the present invention, are explained in more detail below. In contrast, no air is typically fed to the second rectification column; more generally, no material streams are typically fed to the second rectification column that have not already been taken from another rectification column or formed from such material streams.

Wie zuvor bereits ausführlicher erläutert, wird aus der ersten Rektifikationskolonne Fluid, das gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereichert ist, in Form eines oder mehrerer erster Stoffströme entnommen. Wie zuvor bezüglich des spezifischeren Ausführungsbeispiels eines SPECTRA-Verfahrens erläutert, kann es sich hier insbesondere um zwei erste Stoffströme mit unterschiedlichen Sauerstoffgehalten handeln. Auf die detaillierteren Erläuterungen oben wird daher ausdrücklich verwiesen.As already explained in more detail above, fluid enriched in oxygen relative to atmospheric air is withdrawn from the first rectification column in the form of one or more first streams. As previously explained with regard to the more specific embodiment of a SPECTRA process, these can in particular be two first streams with different oxygen contents. Therefore, express reference is made to the more detailed explanations above.

Zumindest ein Anteil des Fluids, das der ersten Rektifikationskolonne in Form des einen oder den mehreren ersten Stoffströmen entnommen wurde, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem Wärmetauscher erwärmt, und wiederum ein Anteil hiervon, also des Fluids, das in dem Wärmetauscher erwärmt (und zuvor in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme der ersten Rektifikationskolonne entnommen) wurde (zuvor als "erster Teil" bezeichnet), wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Verdichters verdichtet und in die erste Rektifikationskolonne zurückgeleitet. Insbesondere können in diesem Zusammenhang auch mehrere Verdichter zum Einsatz kommen, wie erwähnt. Die Zurückleitung des in die erste Rektifikationskolonne erfolgt insbesondere in Form einer Zurückspeisung in einen Sumpfbereich der ersten Rektifikationskolonne.At least a portion of the fluid which was withdrawn from the first rectification column in the form of the one or more first material streams is heated in a heat exchanger within the scope of the present invention, and in turn a portion thereof, i.e. the fluid which was heated in the heat exchanger (and previously withdrawn from the first rectification column in the form of the one or more first material streams) (previously referred to as "first part"), is compressed within the scope of the present invention using a compressor and fed into the first The distillate is then returned to the rectification column. In particular, multiple compressors can be used in this context, as mentioned above. The distillate is returned to the first rectification column, particularly by feeding it back into a bottom section of the first rectification column.

Der Wärmetauscher wird zur Abkühlung und Kondensation oder Teilkondensation von Kopfgas der ersten Rektifikationskolonne verwendet, welches zumindest zu einem Teil als Rücklauf auf die erste Rektifikationskolonne zurückgeführt wird. Es wird in diesem Zusammenhang das Kopfgas der ersten Rektifikationskolonne zu einem ersten Anteil in dem Wärmetauscher (teil-)kondensiert (und hiervon wiederum zumindest ein Teil als Rücklauf auf die erste Rektifikationskolonne zurückgeleitet). Zu einem zweiten Anteil wird das Kopfgas als wenigstens ein stickstoffreiches Luftprodukt aus dem Verfahren bzw. der Anlage ausgeleitet.The heat exchanger is used for cooling and condensing or partially condensing the overhead gas from the first rectification column, at least a portion of which is returned to the first rectification column as reflux. In this context, a first portion of the overhead gas from the first rectification column is (partially) condensed in the heat exchanger (and at least a portion of this is returned to the first rectification column as reflux). A second portion of the overhead gas is discharged from the process or plant as at least one nitrogen-rich air product.

Dieses wenigstens eine Luftprodukt, wie das Kopfgas der ersten Rektifikationskolonne, aus dem es gebildet wurde, weist einen bestimmten Restsauerstoffgehalt auf, der insbesondere bei 0,001 bis 10 ppm liegen kann. Beispielsweise kann entsprechendes Kopfgas unverflüssigt als gasförmiges Stickstoffprodukt auf dem genannten ersten Druckniveau bereitgestellt werden. Dieses Stickstoffprodukt stellt ein Hauptprodukt des vorgeschlagenen Verfahrens dar. Es kann insbesondere in einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage bis auf Umgebungstemperatur erwärmt und anschließend auf dem ersten Druckniveau bereitgestellt werden. Ein Anteil des Kopfgases kann aber auch, insbesondere nach einer Unterkühlung gegen einen weiteren Anteil, welcher danach insbesondere verworfen wird, als flüssiges Stickstoffprodukt des Verfahrens bzw. der Anlage bereitgestellt werden.This at least one air product, such as the overhead gas from the first rectification column from which it was formed, has a certain residual oxygen content, which can in particular be between 0.001 and 10 ppm. For example, corresponding overhead gas can be provided undiluted as a gaseous nitrogen product at the aforementioned first pressure level. This nitrogen product represents a main product of the proposed process. It can in particular be heated to ambient temperature in a main heat exchanger of the air separation plant and then provided at the first pressure level. However, a portion of the overhead gas can also be provided as a liquid nitrogen product of the process or plant, in particular after subcooling against a further portion, which is then in particular discarded.

Wie bereits erläutert, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung neben dem unverflüssigten Kopfgas als Hauptprodukt auch Sauerstoff, insbesondere hochreiner Sauerstoff, als Luftprodukt bereitgestellt. In Ausgestaltungen kann auch Argon als Produkt des Verfahrens bereitgestellt werden.As already explained, in the context of the present invention, in addition to the unliquefied overhead gas as the main product, oxygen, in particular high-purity oxygen, is also provided as an air product. In some embodiments, argon can also be provided as a product of the process.

Ein weiterer Anteil des Fluids, das in dem Wärmetauscher erwärmt (und zuvor in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme der ersten Rektifikationskolonne entnommen) wurde (zuvor als "zweiter Teil" bezeichnet), kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in der erläuterten Weise entspannt und beispielsweise aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Zu weiteren Details sei auf die obigen Erläuterungen in diesem Zusammenhang ausdrücklich verwiesen. Insbesondere kann bzw. können eine oder mehrere hierbei verwendete Entspannungsmaschinen dabei mit dem oder den oben erwähnten Verdichtern gekoppelt sein. Auch diesbezüglich wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.A further portion of the fluid which has been heated in the heat exchanger (and previously withdrawn in the form of the one or more first streams from the first rectification column) (previously referred to as "second part") can be expanded in the manner explained within the scope of the present invention and, for example, from the Air separation plant. For further details, please refer to the above explanations in this context. In particular, one or more expansion machines used in this context may be coupled to the compressor(s) mentioned above. Reference is also made to the above explanations in this regard.

Es sei zu verstehen gegeben, dass, wenn hier von einem Wärmetauscher die Rede ist, welcher zur Kühlung bzw. (Teil-)Kondensation des ersten Anteils des Kopfgases der ersten Rektifikationskolonne verwendet wird, sich dieser Wärmetauscher vom Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage unterscheidet und insbesondere als separate bauliche Einheit ausgeführt ist. Der Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage zeichnet sich, wie erwähnt, insbesondere dadurch aus, dass durch ihn sämtliche oder zumindest der größte Teil der der Luftzerlegungsanlage insgesamt zugeführten Luft abgekühlt wird. Dies ist in dem Wärmetauscher, in dem der erste Anteil des Kopfgases der ersten Rektifikationskolonne abgekühlt bzw. (teil-) kondensiert wird, und durch den der oder die ersten Stoffströme jeweils zumindest zum Teil geführt werden, hingegen nicht der Fall.It should be understood that when reference is made here to a heat exchanger used for cooling or (partially) condensing the first portion of the overhead gas from the first rectification column, this heat exchanger differs from the main heat exchanger of the air separation plant and, in particular, is designed as a separate structural unit. The main heat exchanger of the air separation plant is characterized, as mentioned, in particular by the fact that it cools all or at least the majority of the air supplied to the air separation plant. This, however, is not the case in the heat exchanger in which the first portion of the overhead gas from the first rectification column is cooled or (partially) condensed, and through which the first material stream(s) are each at least partially conducted.

Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren handelt es sich, wie erwähnt, um ein SPECTRA-Verfahren mit zusätzlicher Sauerstoffproduktion. Bei diesem wird daher aus der ersten Rektifikationskolonne weiteres Fluid, welches Sauerstoff, Stickstoff und Argon enthält, entnommen. Dieses weitere Fluid wird als ein zweiter Stoffstrom oder zur Bildung eines zweiten Stoffstroms verwendet, welcher in die zweite Rektifikationskolonne überführt wird. Im Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne wird eine sauerstoffreiche Sumpfflüssigkeit gebildet und zumindest zu einem Anteil in Form eines dritten Stoffstroms aus der zweiten Rektifikationskolonne bzw. der Luftzerlegungsanlage insgesamt ausgeleitet. Diese sauerstoffreiche Flüssigkeit weist insbesondere einen Reststickstoffgehalt auf, wie er unten noch näher erläutert wird.The process proposed according to the invention is, as mentioned, a SPECTRA process with additional oxygen production. In this process, additional fluid containing oxygen, nitrogen, and argon is withdrawn from the first rectification column. This additional fluid is used as a second stream or to form a second stream, which is transferred to the second rectification column. An oxygen-rich bottoms liquid is formed in the bottom of the second rectification column, and at least a portion of this is discharged in the form of a third stream from the second rectification column or the air separation plant as a whole. This oxygen-rich liquid has, in particular, a residual nitrogen content, as explained in more detail below.

Der Argongehalt des weiteren Fluids, das aus der ersten Rektifikationskolonne entnommen und als der zweite Stoffstrom oder zur Bildung des zweiten Stoffstroms verwendet wird, welcher in die zweite Rektifikationskolonne überführt wird, beträgt dabei insbesondere 2 bis 4 Molprozent, sein Sauerstoffgehalt liegt insbesondere bei 10 bis 30 Molprozent. Der Argongehalt dieses Fluids richtet sich dabei insbesondere nach der Entnahmehöhe aus der ersten Rektifikationskolonne, welche daher in geeigneter Weise gewählt wird. Die Entnahmehöhe dieses Fluids und damit des zweiten Stoffstroms liegt typischerweise, wie erwähnt, oberhalb den Entnahmehöhe(n) des Fluids, das in Form des einen oder der mehreren ersten Stoffströme aus der ersten Rektifikationskolonne ausgeführt wird. Die zwischen entsprechenden Entnahmestellen liegenden Trennböden in der ersten Rektifikationskolonne sperren insbesondere auch Kohlenwasserstoffe. Daher werden diese Entnahmehöhen vorteilhafterweise auch im Hinblick auf diesen Aspekt ausgewählt, damit das gewonnene Sauerstoffprodukt die geforderte Reinheit bezüglich Kohlenwasserstoffen aufweist.The argon content of the further fluid withdrawn from the first rectification column and used as the second stream or to form the second stream, which is transferred to the second rectification column, is in particular 2 to 4 mol percent, and its oxygen content is in particular 10 to 30 mol percent. The argon content of this fluid depends in particular on the withdrawal height from the first rectification column, which is therefore in a suitable The withdrawal height of this fluid, and thus of the second stream, is typically, as mentioned, above the withdrawal height(s) of the fluid discharged in the form of the one or more first streams from the first rectification column. The separating trays located between corresponding withdrawal points in the first rectification column also block hydrocarbons in particular. Therefore, these withdrawal heights are advantageously also selected with this aspect in mind, so that the oxygen product obtained has the required purity with regard to hydrocarbons.

Wie auch nachfolgend noch im Detail erläutert und bevor bereits zuvor kurz angesprochen, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Doppelkolonnensystem eingesetzt werden, dessen oberen Teil die zweite Rektifikationskolonne bildet, und dessen unterer Teil hier als "dritte" Rektifikationskolonne bezeichnet wird. In diesem Fall kann das weitere Fluid, das aus der ersten Rektifikationskolonne entnommen wird, beispielsweise auch zunächst in diese dritte Rektifikationskolonne eingespeist werden. In diesem Fall wird jedoch unmittelbar unterhalb der Einspeisestelle in die dritte Rektifikationskolonne wieder Flüssigkeit aus der dritten Rektifikationskolonne abgezogen und in die zweite Rektifikationskolonne eingespeist. Der zweite Stoffstrom bzw. entsprechendes Fluid wird also hier gewissermaßen "über den Umweg" über die dritte Rektifikationskolonne in die zweite Rektifikationskolonne eingespeist. Auch ein solcher Fall ist aber von der Angabe umfasst, dass Fluid, welches Sauerstoff, Stickstoff und Argon enthält, aus der ersten Rektifikationskolonne entnommen und "zur Bildung" des zweiten Stoffstroms verwendet wird. Bei dem zweiten Stoffstrom kann es sich aber auch um einen direkt, d.h. ohne Umweg über eine weitere Rektifikationskolonne, in die zweite Rektifikationskolonne überführten Stoffstrom handeln, in welchem Fall das aus der ersten Rektifikationskolonne im hier verwendeten Sprachgebrauch "als" der zweite Stoffstrom verwendet wird.As explained in more detail below and already briefly mentioned above, a double-column system is used within the scope of the present invention, the upper part of which forms the second rectification column, and the lower part of which is referred to here as the "third" rectification column. In this case, the additional fluid withdrawn from the first rectification column can, for example, also be initially fed into this third rectification column. In this case, however, immediately below the feed point into the third rectification column, liquid is withdrawn from the third rectification column and fed into the second rectification column. The second stream or corresponding fluid is thus fed into the second rectification column, so to speak, "via the detour" via the third rectification column. However, such a case is also encompassed by the statement that fluid containing oxygen, nitrogen, and argon is withdrawn from the first rectification column and used "to form" the second stream. However, the second material stream can also be a material stream transferred directly, i.e. without a detour via another rectification column, to the second rectification column, in which case the material from the first rectification column is used "as" the second material stream in the terminology used here.

Ein beliebiger weiterer Fluidaustausch zwischen der ersten und zweiten Rektifikationskolonne ist möglich, insbesondere um die Flüssigbilanz auszugleichen. Die Erfindung wird durch diese Maßnahmen nicht beschränkt.Any further fluid exchange between the first and second rectification columns is possible, in particular to balance the liquid balance. The invention is not limited by these measures.

Erfindungsgemäß wird, wie bereits angesprochen, eine dritte Rektifikationskolonne verwendet, wobei die zweite Rektifikationskolonne und die dritte Rektifikationskolonne als Teile einer Doppelkolonne ausgebildet sind, wobei die dritte Rektifikationskolonne im erläuterten Sinn unterhalb der zweiten Rektifikationskolonne angeordnet ist und die dritte Rektifikationskolonne mit Luft gespeist wird. Zum Begriff der "Doppelkolonne" sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen.According to the invention, as already mentioned, a third rectification column is used, wherein the second rectification column and the third rectification column are designed as parts of a double column, with the third rectification column being arranged below the second rectification column in the sense explained, and the third rectification column being fed with air. Regarding the term "double column," please refer to the explanations above.

Die dritte Rektifikationskolonne wird dabei insbesondere auf einem Druckniveau zwischen dem ersten und dem zweiten Druckniveau, also zwischen den Betriebsdruckniveaus der ersten und der zweiten Rektifikationskolonne betrieben. Dieses Druckniveau liegt insbesondere bei 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,5 bar Absolutdruck. Der dritten Rektifikationskolonne wird Luft zugeführt, welche zuvor verdichtet und abgekühlt wurde und insbesondere mittels einer weiteren Entspannungsmaschine auf das Druckniveau entspannt werden kann, auf dem die dritte Rektifikationskolonne betrieben wird. Die Luft, mit der die dritte Rektifikationskolonne gespeist wird, umfasst also verdichtete und abgekühlte Luft, die unter Verwendung einer Entspannungsmaschine entspannt wird.The third rectification column is operated, in particular, at a pressure level between the first and second pressure levels, i.e., between the operating pressure levels of the first and second rectification columns. This pressure level is, in particular, between 4 and 7 bar, in particular approximately 5.5 bar absolute pressure. Air is fed to the third rectification column that has previously been compressed and cooled and can be expanded, in particular by means of an additional expansion machine, to the pressure level at which the third rectification column is operated. The air fed to the third rectification column therefore comprises compressed and cooled air that is expanded using an expansion machine.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die zweite Rektifikationskolonne mit einem Kondensatorverdampfer betrieben werden, der in einem Sumpfbereich der zweiten Rektifikationskolonne angeordnet ist, und der unter Verwendung von Fluid, das der dritten Rektifikationskolonne entnommen und/oder zugeführt wird, beheizt wird. Auf diese Weise können energetisch besonders effiziente Verfahren realisiert werden.In the process according to the invention, the second rectification column can be operated with a condenser-evaporator arranged in a bottom region of the second rectification column and heated using fluid withdrawn from and/or fed to the third rectification column. In this way, particularly energy-efficient processes can be realized.

Insbesondere kann dabei die Luft, die ggf. mittels der Entspannungsmaschine entspannt wird, und mit der die dritte Rektifikationskolonne gespeist wird, in dem Kondensatorverdampfer, der im Sumpfbereich der zweiten Rektifikationskolonne angeordnet ist, zumindest teilweise verflüssigt und der dritten Rektifikationskolonne als flüssiger Rücklauf zurückgeführt werden.In particular, the air which is optionally expanded by means of the expansion machine and with which the third rectification column is fed can be at least partially liquefied in the condenser evaporator which is arranged in the bottom region of the second rectification column and returned to the third rectification column as liquid reflux.

In dem Kondensatorverdampfer, der im Sumpfbereich der zweiten Rektifikationskolonne angeordnet sein kann, kann auch Kopfgas der dritten Rektifikationskolonne zumindest teilweise verflüssigt und auf die zweite oder dritte Rektifikationskolonne als Rücklauf zurückgeführt werden. Mit anderen Worten kann also ein gasförmiges Kopfprodukt der dritten Rektifikationskolonne zur Beheizung eines Kondensatorverdampfers der zweiten Rektifikationskolonne verwendet werden, wobei dabei gebildete Flüssigkeit teilweise als Rücklauf auf die zweite Rektifikationskolonne und als Rücklauf auf die dritte Rektifikationskolonne verwendet werden kann. Eine entsprechende Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine weitere Steigerung von Argonausbeute und Gesamtenergiebereich erzielt werden kann.In the condenser-evaporator, which can be arranged in the bottom region of the second rectification column, the top gas from the third rectification column can also be at least partially liquefied and returned to the second or third rectification column as reflux. In other words, a gaseous top product from the third rectification column can be used to heat a condenser-evaporator of the second rectification column, with the liquid formed thereby being partially returned to the second rectification column and as reflux to the third rectification column. Such a design has the advantage of allowing a further increase in argon yield and overall energy range.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in der dritten Rektifikationskolonne insbesondere Sumpfflüssigkeit gebildet werden, welche in die zweite Rektifikationskolonne eingespeist werden kann. Hierbei kann auch vorgesehen sein, einen Teil dieser Sumpfflüssigkeit zum Kühlen eines Kopfkondensators einer zusätzlich vorhandenen Argonkolonne (also einer "vierten" Kolonne wie unten erläutert) zu verwenden und sie erst danach in die zweite Rektifikationskolonne einzuspeisen. Ein weiterer Teil kann hingegen unter Umgehung eines derartigen Kopfkondensators direkt in die zweite Rektifikationskolonne überführt werden.Within the scope of the present invention, bottoms liquid, in particular, can be formed in the third rectification column, which can be fed into the second rectification column. It can also be provided that a portion of this bottoms liquid is used to cool a top condenser of an additional argon column (i.e., a "fourth" column as explained below) and only then fed into the second rectification column. A further portion, however, can be transferred directly to the second rectification column, bypassing such a top condenser.

Die dritte Rektifikationskolonne erhält insbesondere, wie erwähnt, zuvor in einer Entspannungsmaschine entspannte Luft als gasförmigen Einsatzstrom. Mit anderen Worten kann der dritten Rektifikationskolonne insbesondere die zuvor verdichtete und abgekühlte Luft zugeführt werden, welche mittels einer Entspannungsmaschine entspannt wird. Es versteht sich, dass es sich dabei um weitere Luft handelt, die in dem Verfahren bzw. der Anlage zusätzlich zu der in die erste Rektifikationskolonne eingespeisten Luft einer Zerlegung unterworfen wird.The third rectification column receives, in particular, as mentioned, air previously expanded in an expansion machine as the gaseous feed stream. In other words, the third rectification column can be fed, in particular, with the previously compressed and cooled air, which is expanded by means of an expansion machine. It is understood that this is additional air that is subjected to separation in the process or plant in addition to the air fed into the first rectification column.

Etwa in der Mitte der dritten Rektifikationskolonne, allgemeiner in einem Bereich zwischen Sumpf und Kopf, kann optional auch ein weiterer flüssiger Stoffstrom aus der dritten Rektifikationskolonne entnommen werden, der insbesondere mittels einer Pumpe zurück in die erste Rektifikationskolonne geführt werden kann.Approximately in the middle of the third rectification column, more generally in a region between the bottom and the top, a further liquid stream can optionally be withdrawn from the third rectification column, which can be fed back into the first rectification column, in particular by means of a pump.

Im Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne wird, wie erwähnt, sauerstoffreiches Fluid gebildet. Dies kann der zweiten Rektifikationskolonne entnommen werden. Die Entnahme kann dabei teilweise in gasförmiger und teilweise in flüssiger Form erfolgen. Dieses Fluid weist typischerweise einen Sauerstoffgehalt von mehr als 97 Molprozent, insbesondere mehr als 99,0 Molprozent, auf. Vom Kopf der zweiten Rektifikationskolonne kann weiteres Fluid entnommen werden, das in einer Ausgestaltung der Erfindung aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet und verworfen werden kann. Es handelt sich hierbei um ein Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch. In einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Kopfgas der zweiten Rektifikationskolonne jedoch als ein weiteres stickstoffreiches Fluid gebildet und als weiteres stickstoffreiches Luftprodukt bereitgestellt.As mentioned, oxygen-rich fluid is formed in the bottom of the second rectification column. This can be withdrawn from the second rectification column. The withdrawal can take place partly in gaseous and partly in liquid form. This fluid typically has an oxygen content of more than 97 mol percent, in particular more than 99.0 mol percent. From the top of the second rectification column, further fluid can be withdrawn, which in one embodiment of the invention can be discharged from the air separation plant and discarded. This is a nitrogen-oxygen mixture. In another embodiment of the present invention, the top gas of the second However, in the rectification column it is formed as another nitrogen-rich fluid and provided as another nitrogen-rich air product.

Das Kopfgas der zweiten Rektifikationskolonne kann dabei mit höherer Reinheit erhalten werden, indem etwas unterhalb des Kopfes der zweiten Rektifikationskolonne ein gasförmiger Teilstrom entnommen wird. Durch die Entnahme dieses Teilstromes wird analog zum Vorgehen in einer konventionellen Luftzerlegungsanlage am Kopf der zweiten Rektifikationskolonne ein Stickstoffprodukt mit typischerweise nur ca. 1 ppm, maximal 100 ppm, Sauerstoff erzeugt.The top gas of the second rectification column can be obtained with higher purity by removing a gaseous substream slightly below the top of the second rectification column. By removing this substream, a nitrogen product with typically only approximately 1 ppm, but a maximum of 100 ppm, of oxygen is produced at the top of the second rectification column, similar to the procedure in a conventional air separation plant.

Dieses Produkt kann entweder direkt im Hauptwärmetauscher auf ein Temperaturniveau bei oder nahe der Umgebungstemperatur angewärmt oder partiell angewärmt und in einem Warmverdichter auf ein Druckniveau von beispielsweise ca. 1,7 bis 2,5 bar, insbesondere ca. 2,2 bar, verdichtet werden. Im Zuge der Erwärmung kann dieses Produkt, oder ein Teilstrom hiervon, dem Hautwärmetauscher auch auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, durch einen Kaltverdichter geführt und erneut dem Hauptwärmetauscher zugeführt werden und weiter erwärmt werden. Die Verdichtung in dem Warmverdichter kann sich hieran anschließen. Der Kaltverdichter kann insbesondere mit einer Entspannungsmaschine gekoppelt sein, die verdichtete und teilabgekühlte Einsatzluft entspannt, welche in die dritte Rektifikationskolonne eingespeist wird. In diesem Zusammenhang kann insbesondere ein stickstoffreicher flüssiger Rücklauf auf die zweite Rektifikationskolonne verwendet werden.This product can either be heated directly in the main heat exchanger to a temperature level at or close to ambient temperature, or partially heated and compressed in a warm compressor to a pressure level of, for example, approximately 1.7 to 2.5 bar, in particular approximately 2.2 bar. During the heating process, this product, or a partial stream thereof, can be removed from the skin heat exchanger at an intermediate temperature level, passed through a cold compressor, and fed back to the main heat exchanger for further heating. Compression in the warm compressor can follow this. The cold compressor can, in particular, be coupled to an expansion machine that expands compressed and partially cooled feed air, which is fed into the third rectification column. In this context, a nitrogen-rich liquid reflux to the second rectification column can, in particular, be used.

Die Erfindung zeichnet sich in einer entsprechenden Ausgestaltung insbesondere dadurch aus, dass am Kopf der zweiten Rektifikationskolonne stickstoffreiches Kopfgas gebildet wird, und dass zumindest ein Anteil des stickstoffreichen Kopfgases als ein weiteres stickstoffreiches Luftprodukt mit einem Restsauerstoffgehalt, der oberhalb des Restsauerstoffgehalts des Kopfgases der ersten Rektifikationskolonne, jedoch noch deutlich unter dem Restsauerstoffgehalt von Fluiden, die in regulären SPECTRA-Verfahren mit Sauerstoffkolonnen aus diesen Sauerstoffkolonnen am Kopf entnommen werden, liegt. Dies kann im Rahmen dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung auch insbesondere dadurch ermöglicht werden, dass gegenüber üblichen Sauerstoffkolonnen zusätzliche Böden bzw. Packungsbereiche in der zweiten Rektifikationskolonne installiert werden, dass unterhalb ein weiteres Fluid entnommen wird, und dass am Kopf der zweiten Rektifikationskolonne ein flüssiger, stickstoffreicher Rücklauf aufgegeben wird.In a corresponding embodiment, the invention is characterized in particular by the fact that nitrogen-rich overhead gas is formed at the top of the second rectification column, and that at least a portion of the nitrogen-rich overhead gas is used as a further nitrogen-rich air product with a residual oxygen content that is above the residual oxygen content of the overhead gas of the first rectification column, but still significantly below the residual oxygen content of fluids that are withdrawn from the top of these oxygen columns in regular SPECTRA processes with oxygen columns. This can also be made possible within the scope of this embodiment of the present invention, in particular, by installing additional trays or packing areas in the second rectification column compared to conventional oxygen columns, by withdrawing a further fluid below and that a liquid, nitrogen-rich reflux is fed to the top of the second rectification column.

Das Kopfgas der ersten Rektifikationskolonne weist im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen Restsauerstoffgehalt von 0,1 ppb bis 10 ppm, weiter insbesondere von 0,5 ppb bis 1 ppm oder bis 100 ppb, auf. Der Restsauerstoffgehalt des im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitgestellten wenigstens einen stickstoffreichen Luftprodukts, das unter Verwendung dieses Kopfgases gebildet wird, liegt daher in diesem Bereich. Das Kopfgas der zweiten Rektifikationskolonne liegt in seinem Restsauerstoffgehalt in der soeben angesprochenen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darüber. Dieser Restsauerstoffgehalt beträgt dabei insbesondere 10 ppb bis 100 ppm, insbesondere 100 ppb oder 500 ppb bis 10 ppm. Der Restsauerstoffgehalt des im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung dieses Kopfgases bereitgestellten weiteren stickstoffreichen Luftprodukts liegt daher in diesem Bereich. Sämtliche Angaben in ppb bzw. ppm bezeichnen den molaren Anteil.In the context of the present invention, the top gas of the first rectification column has a residual oxygen content of 0.1 ppb to 10 ppm, more particularly from 0.5 ppb to 1 ppm or up to 100 ppb. The residual oxygen content of the at least one nitrogen-rich air product provided in the context of the present invention, which is formed using this top gas, is therefore within this range. The top gas of the second rectification column has a higher residual oxygen content in the just-mentioned embodiment of the present invention. This residual oxygen content is in particular 10 ppb to 100 ppm, more particularly 100 ppb or 500 ppb to 10 ppm. The residual oxygen content of the further nitrogen-rich air product provided in the context of the present invention using this top gas is therefore within this range. All figures in ppb or ppm refer to the molar fraction.

Der in der erwähnten Ausgestaltung der Erfindung erzielte Restsauerstoffgehalt des weiteren stickstoffreichen Luftprodukts, das unter Verwendung des Kopfgases der zweiten Rektifikationskolonne bereitgestellt wird, lässt sich, wie erwähnt, insbesondere durch die Ausstattung der zweiten Rektifikationskolonne mit zusätzlichen Böden bzw. Packungsbereichen erzielen. Die zweite Rektifikationskolonne weist daher in dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise 50 bis 120, beispielsweise 70 bis 95, insbesondere 72 bis 90 theoretische Böden auf.The residual oxygen content of the further nitrogen-rich air product obtained in the aforementioned embodiment of the invention, which is provided using the overhead gas of the second rectification column, can, as mentioned, be achieved in particular by equipping the second rectification column with additional trays or packing areas. Therefore, in this embodiment of the present invention, the second rectification column preferably has 50 to 120, for example 70 to 95, in particular 72 to 90, theoretical trays.

Wie ebenfalls erwähnt, kann der in der erwähnten Ausgestaltung der Erfindung erzielte Restsauerstoffgehalt des weiteren stickstoffreichen Luftprodukts das unter Verwendung des Kopfgases der zweiten Rektifikationskolonne bereitgestellt wird, insbesondere doch die Verwendung eines stickstoffreichen flüssigen Rücklaufs auf die zweite Rektifikationskolonne erzielen. Die Bereitstellung eines stickstoffreichen flüssigen Stoffstroms und dessen Aufgabe als Rücklauf in einem oberen Bereich der zweiten Rektifikationskolonne ist daher im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Der Rücklauf weist einen Restsauerstoffgehalt auf, der insbesondere geringer als der Restsauerstoffgehalt des Kopfgases der zweiten Rektifikationskolonne ist.As also mentioned, the residual oxygen content of the further nitrogen-rich air product provided using the top gas of the second rectification column, achieved in the aforementioned embodiment of the invention, can in particular be achieved by using a nitrogen-rich liquid reflux to the second rectification column. The provision of a nitrogen-rich liquid stream and its delivery as reflux in an upper region of the second rectification column is therefore provided within the scope of a particularly preferred embodiment of the present invention. The reflux has a residual oxygen content that is in particular lower than the residual oxygen content of the top gas of the second rectification column.

Der stickstoffreiche flüssige Stoffstrom, der in dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zur Bildung des Rücklaufs auf die zweite Rektifikationskolonne verwendet wird, kann insbesondere aus der ersten Rektifikationskolonne oder einer weiteren Rektifikationskolonne entnommen werden.The nitrogen-rich liquid stream which is used in this embodiment of the present invention to form the reflux to the second rectification column can in particular be taken from the first rectification column or a further rectification column.

Insbesondere zur Versorgung von Halbleiterwerken (sogenannten Fabs) wird neben gasförmigem, hochreinem und möglichst partikelfreiem Stickstoff und ggf. Sauerstoff zunehmend auch die Versorgung mit vergleichsweise geringen Mengen an gasförmigem Argon gewünscht. Hierzu kann entweder Flüssigargon angeliefert oder und vor Ort verdampft werden, oder es kann eine Herstellung von gasförmigem Argon vor Ort erfolgen. Die Anlieferung von Flüssigargon bringt nicht nur ökonomische Nachteile (Transportkosten, Umtankverluste, Kälteverluste bei Verdampfung gegen Umgebungsluft) mit sich, sondern stellt auch hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Logistikkette. Daher werden für die genannten Anwendungsgebiete zunehmend Anlagen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft nachgefragt, die neben größeren Mengen an gasförmigem, hochreinem Stickstoff auch kleinere Mengen an gasförmigem Argon liefern können. Der produzierte Stickstoff sollte typischerweise nur ca. 1 ppb, maximal 1000 ppb, Sauerstoff aufweisen, im Wesentlichen partikelfrei sein, und auf einem deutlich überatmosphärischen Druckniveau geliefert werden können.Particularly for supplying semiconductor plants (so-called fabs), in addition to gaseous, ultra-pure, and preferably particle-free nitrogen and, if necessary, oxygen, the supply of comparatively small quantities of gaseous argon is increasingly required. For this purpose, liquid argon can either be delivered or vaporized on-site, or gaseous argon can be produced on-site. The delivery of liquid argon not only entails economic disadvantages (transport costs, refueling losses, cooling losses during vaporization against ambient air), but also places high demands on the reliability of the logistics chain. Therefore, for these applications, there is increasing demand for plants for the low-temperature separation of air that can deliver smaller quantities of gaseous argon in addition to larger quantities of gaseous, ultra-pure nitrogen. The produced nitrogen should typically contain only approximately 1 ppb, with a maximum of 1000 ppb, of oxygen, be essentially particle-free, and be able to be delivered at a pressure level significantly above atmospheric pressure.

Zur Argongewinnung werden typischerweise Luftzerlegungsanlagen mit Doppelkolonnensystemen und sogenannten Roh- und ggf. sogenannten Reinargonkolonnen eingesetzt. Ein Beispiel ist bei Häring (s.o.) in Figur 2.3A veranschaulicht und ab Seite 26 im Abschnitt "Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column" sowie ab Seite 29 im Abschnitt "Cryogenic Production of Pure Argon" beschrieben. Wie dort erläutert, reichert sich Argon in entsprechenden Anlagen in einer bestimmten Höhe in der Niederdruckkolonne an (sogenanntes Argonmaximum). An dieser oder an einer anderen günstigen Stelle, ggf. auch unterhalb des Argonmaximums (am sogenannten Argonübergang), 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 angegebenen Werte für das aus der Niederdruckkolonne abgezogene Gas lediglich typische Beispielwerte darstellen.Argon extraction is typically carried out using air separation plants with double-column systems and so-called crude and, in some cases, pure argon columns. An example is illustrated by Häring (see above) in Figure 2.3A and described starting on page 26 in the section "Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column" and starting on page 29 in the section "Cryogenic Production of Pure Argon." As explained there, argon accumulates in such plants at a certain height in the low-pressure column (the so-called argon maximum). At this or another favorable point, possibly even below the argon maximum (at the so-called argon transition), argon-enriched gas with an argon concentration of typically 5 to 15 mol percent can be withdrawn from the low-pressure column and transferred to the crude argon column. Such gas typically contains approximately 0.05 to 100 ppm nitrogen and otherwise essentially oxygen. It should be expressly emphasized that the values given for the gas withdrawn from the low-pressure column are only typical example values.

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 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.The crude argon column essentially serves to separate the oxygen from the gas withdrawn from the low-pressure column. The oxygen or a corresponding oxygen-rich fluid separated in the crude argon column can be returned to the low-pressure column in liquid form. The oxygen or the oxygen-rich fluid is typically fed into the low-pressure column several theoretical or practical plates below the feed point for the oxygen-enriched and nitrogen-depleted, and optionally at least partially evaporated, liquid withdrawn from the high-pressure column. A gaseous fraction remaining in the crude argon column during the separation, which 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 a portion 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.

Grundsätzlich kann in entsprechenden Anlagen auch auf eine Reinargonkolonne verzichtet werden. In diesem Fall wird die Anlage typischerweise derart ausgestaltet bzw. betrieben, dass der Stickstoffgehalt am Argonübergang unter 1 ppm liegt bzw. unterhalb der geforderten Produktreinheit 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 für ein Argonprodukt insbesondere als Sperrböden für Stickstoff dienen.In principle, a pure argon column can be dispensed with in such plants. In this case, the plant is typically designed and operated in such a way that the nitrogen content at the argon transition is below 1 ppm or below the required product purity. However, this is not a mandatory requirement. In this case, argon of the same quality as from a conventional pure argon column is withdrawn from the crude argon column or a comparable column, typically somewhat further below the fluid conventionally transferred to the pure argon column. The trays in the section between the crude argon condenser, i.e., the top condenser of the crude argon column, and a corresponding outlet for an argon product serve in particular as barrier trays for nitrogen.

Auch wenn nur vergleichsweise geringe Argonmengen nachgefragt werden, muss herkömmlicherweise dennoch für die Produktion des gasförmigen Argons eine komplette (d.h. mit klassischer Niederdruckkolonne zur Sauerstoffgewinnung ausgestattete) Luftzerlegungsanlage mit Argonrektifikation installiert werden, wie sie zuvor erläutert wurde. Die in einer derartigen Luftzerlegungsanlage zu bearbeitende Luftmenge ist durch gasförmiges Argon oder gasförmigen Stickstoff bestimmt, d.h. eine große Menge des gasförmigen Sauerstoffs fällt als nicht oder nur schlecht verwertbares Restgas an. Ferner ist in herkömmlichen Anlagen eine Erzeugung von Stickstoff auf einem deutlich überatmosphärischen Druckniveau bei gleichzeitig großen Produktionsmengen nicht möglich. Der Stickstoff fällt hier als Niederdruckprodukt an. Bekannte Anlagen, bei der die Hochdruckkolonne zur Stickstoffproduktion verwendet wird, sind typischerweise nicht gut für die Argonproduktion geeignet.Even if only comparatively small quantities of argon are required, a complete air separation plant with argon rectification (i.e. equipped with a classic low-pressure column for oxygen recovery) must be installed for the production of gaseous argon, as previously explained. The amount of air to be processed in such an air separation plant is determined by gaseous argon or gaseous nitrogen, i.e. A large amount of gaseous oxygen is produced as residual gas that is either unusable or difficult to utilize. Furthermore, conventional plants do not allow the production of nitrogen at a significantly higher than atmospheric pressure while simultaneously producing large quantities. The nitrogen is produced as a low-pressure product. Conventional plants that use high-pressure columns for nitrogen production are typically not well suited for argon production.

Die vorliegende Erfindung schlägt nun in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ein Verfahren und eine Luftzerlegungsanlage vor, mittels welchem bzw. welcher neben größeren Mengen an hochreinem, gasförmigem Stickstoff auf einem deutlich überatmosphärischen Druckniveau auch vergleichsweise geringere Mengen an Argon in vorteilhafter Weise bereitgestellt werden können.In a particularly preferred embodiment, the present invention proposes a method and an air separation plant by means of which, in addition to larger quantities of high-purity, gaseous nitrogen at a significantly superatmospheric pressure level, comparatively smaller quantities of argon can also be advantageously provided.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird gemäß dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung zur Gewinnung von Argon aus der zweiten Rektifikationskolonne Fluid entnommen und als ein vierter Stoffstrom oder zur Bildung eines vierten Stoffstroms verwendet, wobei dieses Fluid einen höheren Argongehalt als das die sauerstoffreiche Sumpfflüssigket aufweist, die im Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne gebildet wird. Dieses Fluid weist außerdem einen geringeren Sauerstoffgehalt als die sauerstoffreiche Sumpfflüssigkeit auf, die im Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne gebildet wird. Es kann insbesondere 45 bis 60 Molprozent Sauerstoff, 40 bis 55 Molprozent Argon und weniger als 1 Molprozent Stickstoff aufweisen. Das Fluid, das in aus der zweiten Rektifikationskolonne entnommen und als der vierte Stoffstrom oder zur Bildung des vierten Stoffstroms verwendet wird, kann dabei in Höhe des sogenannten Argonmaximums, wie es bei bekannten Niederdruckkolonnen von Luftzerlegungsanlagen auftritt, entnommen werden.Within the scope of the present invention, according to this particularly preferred embodiment, fluid is withdrawn from the second rectification column to obtain argon and used as a fourth stream or to form a fourth stream, this fluid having a higher argon content than the oxygen-rich bottoms liquid formed in the bottom of the second rectification column. This fluid also has a lower oxygen content than the oxygen-rich bottoms liquid formed in the bottom of the second rectification column. In particular, it can have 45 to 60 mol percent oxygen, 40 to 55 mol percent argon, and less than 1 mol percent nitrogen. The fluid withdrawn from the second rectification column and used as the fourth stream or to form the fourth stream can be withdrawn at the level of the so-called argon maximum, as occurs in known low-pressure columns of air separation plants.

In dieser Ausgestaltung wird eine vierte Rektifikationskolonne verwendet, in die der vierte Stoffstrom eingespeist wird, wobei in der vierten Rektifikationskolonne ein argonreiches Fluid gebildet wird, das einen Gehalt von mehr als 95 Molprozent Argon aufweist und das insbesondere direkt oder nach weiterer Aufreinigung als ein Argonprodukt verwendet werden kann.In this embodiment, a fourth rectification column is used into which the fourth stream is fed, wherein an argon-rich fluid is formed in the fourth rectification column which has a content of more than 95 mol percent argon and which can be used in particular directly or after further purification as an argon product.

Ein Gehalt von weniger als 1 ppm Stickstoff in dem vierten Stoffstrom kann dabei insbesondere dadurch erzielt werden, dass oberhalb des Argonübergangs in der zweiten Kolonne eine entsprechende Stickstoffabtrennung mittels geeigneter zusätzlicher Böden erfolgt. Weist das Fluid, das der zweiten Rektifikationskolonne entnommen und zur Bildung des vierten Stoffstroms verwendet wird, einen entsprechend geringen Stickstoffgehalt auf, kann dieses insbesondere ohne Verwendung einer klassischen Reinargonkolonne als Produkt der vierten Rektifikationskolonne bereitgestellt werden. Liegt der Stickstoffgehalt deutlich darüber, wird typischerweise neben einer entsprechenden vierten Rektifikationskolonne, die dann einer klassischen Rohargonkolonne entspricht, zusätzlich eine Reinargonkolonne verwendet. Alternativ zur Verwendung einer Reinargonkolonne kann flüssiges Argon auch etwas unterhalb des Kopfes der vierten Rektifikationskolonne als das herkömmlicherweise in die Reinargonkolonne überführte Fluid abgezogen werden, so dass auf diese Weise Argon gleicher Qualität wie aus einer herkömmlichen Reinargonkolonne gewonnen werden kann.A content of less than 1 ppm nitrogen in the fourth material stream can be achieved in particular by adding nitrogen above the argon transition in the second column, a corresponding nitrogen separation takes place by means of suitable additional trays. If the fluid taken from the second rectification column and used to form the fourth material stream has a correspondingly low nitrogen content, this can be provided as a product of the fourth rectification column, in particular without using a conventional pure argon column. If the nitrogen content is significantly higher, a pure argon column is typically used in addition to a corresponding fourth rectification column, which then corresponds to a conventional crude argon column. As an alternative to using a pure argon column, liquid argon can also be withdrawn slightly below the top of the fourth rectification column as the fluid conventionally transferred to the pure argon column, so that argon of the same quality as from a conventional pure argon column can be obtained in this way.

In jedem Fall handelt es sich bei der vierten Rektifikationskolonne um eine Rektifikationskolonne, die in weiten Teilen der typischen Rohargonkolonne eines herkömmlichen Verfahrens zur Tieftemperaturzerlegung von Luft entspricht. Bei Bedarf kann ggf. eine Reinargonkolonne bereitgestellt werden. Bei den zuvor erläuterten geringen Stickstoffgehalten kann aber typischerweise auf eine Reinargonkolonne verzichtet werden. Liegt der Stickstoffgehalt höher als die erwähnten 1 ppm, kann der Gehalt an Sauerstoff und Argon entsprechend geringer sein. Typischerweise liegen dabei die Gehalte an Sauerstoff auch hier bei 45 bis 60 Molprozent und der Gehalt an Argon bei 40 bis 55 Molprozent, jedoch in diesem Fall bezogen auf den Nichtstickstoffanteil eines entsprechenden Fluids.In any case, the fourth rectification column is a rectification column that largely corresponds to the typical crude argon column of a conventional process for the cryogenic separation of air. If required, a pure argon column can be provided. However, given the low nitrogen contents discussed above, a pure argon column is typically not necessary. If the nitrogen content is higher than the aforementioned 1 ppm, the oxygen and argon contents can be correspondingly lower. Typically, the oxygen contents here are also between 45 and 60 mol percent and the argon content between 40 and 55 mol percent, but in this case, based on the non-nitrogen content of a corresponding fluid.

Bei dem vierten Stoffstrom, der in die vierte Rektifikationskolonne eingespeist wird, kann es sich insbesondere auch um einen Stoffstrom handeln, welcher aus einer weiteren Rektifikationskolonne entnommen wird, welche ihrerseits mit Fluid aus der zweiten Rektifikationskolonne gespeist wird. Es wird auf die Erläuterungen unten verwiesen. Auch in diesem Fall wird jedoch das Fluid, das aus der zweiten Rektifikationskolonne entnommen wird, zur Bildung des vierten Stoffstroms verwendet, nämlich über den Umweg der weiteren Rektifikationskolonne.The fourth stream fed into the fourth rectification column may, in particular, also be a stream taken from another rectification column, which in turn is fed with fluid from the second rectification column. Reference is made to the explanations below. In this case, too, however, the fluid taken from the second rectification column is used to form the fourth stream, namely via the further rectification column.

Durch die Abtrennung von Argon können als zusätzliche Produkte im Rahmen einer entsprechenden Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie auch zum Teil nachfolgend noch erläutert, unreiner Sauerstoff (mit 90 bis 98% Molprozent Sauerstoffgehalt), technischer Sauerstoff (mit 98 bis 99,8% Molprozent Sauerstoffgehalt) und hochreiner Sauerstoff (mit Spuren an Argon bzw. Kohlenwasserstoffen im ppb-Bereich) erzeugt werden.By separating argon, additional products can be obtained within the scope of a corresponding embodiment of the present invention, as well as partly As explained below, impure oxygen (with 90 to 98% mol percent oxygen content), technical oxygen (with 98 to 99.8% mol percent oxygen content) and high-purity oxygen (with traces of argon or hydrocarbons in the ppb range) can be produced.

Grundsätzlich kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auch aus der zweiten Rektifikationskolonne Sauerstoff ein Sauerstoffprodukt entnommen werden, auch wenn beispielsweise eine dritte Rektifikationskolonne zur Sauerstoffproduktion bereitgestellt ist. Aus der zweiten Rektifikationskolonne kann beispielsweise ein sauerstoffreiches Gas entnommen und (im Gegensatz zu der Beimischung zu anderen Strömen, wie beispielsweise in Figur 31 veranschaulicht), separat durch den Hauptwärmetauscher geführt und aus der Anlage als Produkt ausgeleitet werden. Auf diese Weise erhält man Sauerstoff mit einer Reinheit von 99% und besser, was der Reinheit von sogenanntem technischem Sauerstoff entspricht.In principle, within the scope of the present invention, an oxygen product can always be withdrawn from the second rectification column, even if, for example, a third rectification column is provided for oxygen production. For example, an oxygen-rich gas can be withdrawn from the second rectification column and (in contrast to admixture with other streams, such as, for example, in Figure 31 illustrated), are passed separately through the main heat exchanger and discharged from the plant as a product. This produces oxygen with a purity of 99% or better, which corresponds to the purity of so-called technical oxygen.

Im Sumpf der vierten Rektifikationskolonne wird in der erläuterten Ausgestaltung eine Sumpfflüssigkeit gebildet, die insbesondere mittels einer Pumpe in die zweite Rektifikationskolonne zurückgeführt werden kann. Eine Einspeisestelle in die zweite Rektifikationskolonne liegt dabei insbesondere in der gleichen Höhe oder in der Nähe der Entnahmestelle des Fluids, das als der dritte Stoffstrom oder zur Bildung des dritten Stoffstroms verwendet wird, wobei unter "in der Nähe" hier eine Einspeiseposition verstanden wird, die sich um nicht mehr als 10 theoretische oder praktische Böden unterscheidet. Da die beiden Ströme von und zu der vierten Rektifikationskolonne im Gleichgewicht stehen, kann die Rückspeisung auch in der gleichen Höhe, d.h. insbesondere auf denselben Boden, erfolgen.In the embodiment described, a bottom liquid is formed in the bottom of the fourth rectification column, which can be recycled, in particular, to the second rectification column by means of a pump. A feed point into the second rectification column is located, in particular, at the same height or near the withdrawal point of the fluid used as the third stream or to form the third stream, where "near" is understood here to mean a feed position that differs by no more than 10 theoretical or practical plates. Since the two streams to and from the fourth rectification column are in equilibrium, the feed can also be made at the same height, i.e., in particular, to the same plate.

Ein besonders großer Vorteil der im Rahmen der soeben erläuterten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch die Ergänzung eines SPECTRA-Verfahrens mit einer zusätzlichen Argongewinnung bis zu 50% des in der Prozessluft enthaltenen Argons als Produkt gewonnen werden können, ohne dass eine aufwendige klassische Sauerstoffrektifikation erforderlich ist. Die zuvor erläuterten Probleme werden daher im Rahmen der soeben erläuterten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung behoben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann auch insbesondere Flüssigargon gewonnen werden, welches einer bekannten Innenverdichtung unterworfen werden kann. Auch in der Anlage gebildeter Reinsauerstoff kann einer Innenverdichtung, wie sie aus der eingangs zitierten Fachliteratur bekannt ist, unterworfen werden.A particularly great advantage of the embodiment of the present invention just explained is that by supplementing a SPECTRA process with additional argon recovery, up to 50% of the argon contained in the process air can be recovered as a product, without the need for complex conventional oxygen rectification. The problems explained above are therefore eliminated within the scope of the embodiment of the present invention just explained. Within the scope of the present invention, liquid argon can also be recovered, which can be subjected to a known internal compression. Also formed in the plant Pure oxygen can be subjected to internal compression, as known from the specialist literature cited at the beginning.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die zweite Rektifikationskolonne, wie erwähnt, mit einem in ihrem Sumpfbereich angeordneten Kondensatorverdampfer betrieben. Zur Beheizung des Kondensatorverdampfers können auch andere Stoffströme als die erwähnten verwendet werden. Beispielsweise kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung hierzu ein Teil der atmosphärischen Luft verwendet werden, die zuvor verdichtet und abgekühlt wurde. Entsprechende Luft kann beispielsweise auf dem Druckniveau der ersten Rektifikationskolonne vorliegen oder zuvor mittels einer Entspannungsmaschine entspannt werden. In ersterem Fall wird die Luft typischerweise mittels eines Hauptkondensators der Luftzerlegungsanlage auf ein Temperaturniveau nahe ihrer Verflüssigungstemperatur, d.h. ein Temperaturniveau, das um nicht mehr als 50 K, 25 K oder 10 K oberhalb der Verflüssigungstemperatur liegt, abgekühlt. In letzterem Fall wird die Luft vor ihrer Entspannung nur auf ein Temperaturniveau abgekühlt, das zwar insbesondere unterhalb von -50° C liegt, aber mindestens 50 K oberhalb der Verflüssigungstemperatur. Die Entspannung erfolgt in diesem Fall typischerweise auf ein Druckniveau, das unterhalb des ersten Druckniveaus liegt, auf dem die erste Rektifikationskolonne betrieben wird, typischerweise auf ca. 4 bis 6 bar Absolutdruck. Die zur Beheizung des Kondensatorverdampfers verwendete Luft verflüssigt sich zumindest teilweise und kann daher in entsprechender Form in die erste und/oder die dritte Rektifikationskolonne eingespeist werden, wobei eventuell auftretende Druckunterschiede durch Zwischenschaltung einer Pumpe oder auch durch eine rein hydrostatisch-geodätische Druckerhöhung ausgeglichen werden können.According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the second rectification column, as mentioned, is operated with a condenser-evaporator arranged in its bottom region. Other material streams than those mentioned can also be used to heat the condenser-evaporator. For example, within the scope of the present invention, a portion of the atmospheric air that has been previously compressed and cooled can be used for this purpose. Such air can, for example, be present at the pressure level of the first rectification column or previously expanded by means of an expansion machine. In the former case, the air is typically cooled by means of a main condenser of the air separation plant to a temperature level close to its condensing temperature, i.e., a temperature level that is no more than 50 K, 25 K, or 10 K above the condensing temperature. In the latter case, the air is only cooled before expansion to a temperature level that, although in particular below -50°C, is at least 50 K above the condensing temperature. In this case, the expansion typically occurs to a pressure level below the first pressure level at which the first rectification column operates, typically to approximately 4 to 6 bar absolute pressure. The air used to heat the condenser evaporator liquefies at least partially and can therefore be fed in the appropriate form into the first and/or third rectification column. Any pressure differences that may occur can be compensated by interposing a pump or by a purely hydrostatic-geodetic pressure increase.

Zur Beheizung des Kondensatorverdampfers in der zweiten Rektifikationskolonne können jedoch auch ein oder mehrere weitere Stoffströme verwendet werden. Insbesondere kann es sich hierbei um das Fluid, welches Sauerstoff, Stickstoff und Argon enthält, welches aus der ersten Rektifikationskolonne entnommen als der zweite Stoffstrom oder zur Bildung des zweiten Stoffstroms verwendet wird, und das in die zweite Rektifikationskolonne überführt wird, oder einen Teil hiervon handeln. Ein entsprechender zweiter flüssiger Stoffstrom wird dabei beispielsweise der ersten Rektifikationskolonne entnommen, durch den Kondensatorverdampfer geführt, dabei unterkühlt und danach insbesondere unterhalb eines Kopfbereichs, d.h. insbesondere unterhalb des stickstoffreichen Rücklaufs, auf die zweite Rektifikationskolonne aufgegeben. Dieser zweite Stoffstrom kann auf diese Weise als Rücklauf auf die zweite Rektifikationskolonne verwendet werden. Der Kondensatorverdampfer kann auch mit Kopfgas der dritten Rektifikationskolonne betrieben werden, wie erwähnt.However, one or more further streams can also be used to heat the condenser-evaporator in the second rectification column. In particular, this can be the fluid containing oxygen, nitrogen and argon, which is withdrawn from the first rectification column as the second stream or is used to form the second stream and which is transferred to the second rectification column, or a part thereof. A corresponding second liquid stream is withdrawn, for example, from the first rectification column, passed through the condenser-evaporator, subcooled in the process and then, in particular below a head region, ie in particular below the nitrogen-rich reflux, is fed to the second rectification column. This second stream can thus be used as reflux to the second rectification column. The condenser-evaporator can also be operated with overhead gas from the third rectification column, as mentioned above.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann, wie erwähnt, ein stickstoffreicher Rücklauf auf die zweite Rektifikationskolonne unter Verwendung von stickstoffreicher Flüssigkeit aus der ersten Rektifikationskolonne gebildet werden. Hierbei kann ein entsprechender Stoffstrom insbesondere in dem Kondensatorverdampfer der zweiten Rektifikationskolonne abgekühlt werden; es ist jedoch auch möglich, einen entsprechenden Stoffstrom unabgekühlt in die zweite Rektifkationskolonne einzuspeisen. In jedem Fall wird vorteilhafterweise dieser Stoffstrom deutlich oberhalb des zweiten Stoffstroms aus der ersten Rektifikationskolonne entnommen. Die Entnahme erfolgt typischerweise im Bereich von 20 theoretischen oder praktischen Böden unterhalb des Kopfbereiches der ersten Rektifikationskolonne.Within the scope of the present invention, as mentioned, a nitrogen-rich reflux to the second rectification column can be formed using nitrogen-rich liquid from the first rectification column. In this case, a corresponding stream can be cooled, in particular, in the condenser-evaporator of the second rectification column; however, it is also possible to feed a corresponding stream uncooled into the second rectification column. In any case, this stream is advantageously withdrawn significantly above the second stream from the first rectification column. The withdrawal typically takes place in the range of 20 theoretical or practical plates below the top region of the first rectification column.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der zweiten Rektifikationskolonne Kopfgas entnommen und insbesondere aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet, wie bereits zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dabei zumindest ein Teil dieses Kopfgases mittels einer weiteren Entspannungsmaschine entspannt, erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet.Within the scope of the present invention, overhead gas is withdrawn from the second rectification column and, in particular, discharged from the air separation plant, as already explained above in various embodiments. According to one embodiment of the present invention, at least a portion of this overhead gas is expanded by means of a further expansion machine, heated, and discharged from the air separation plant.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die zweite Rektifikationskolonne wie erwähnt auf dem zweiten Druckniveau, insbesondere auf einem Druckniveau von 1,1 bis 1,6 bar Absolutdruck betrieben werden, wobei der ersten Rektifikationskolonne zuvor verdichtete und abgekühlte Luft zugeführt wird, von welcher ein Teilstrom mittels einer Entspannungsmaschine auf das zweite Druckniveau entspannt wird, auf dem die zweite Rektifikationskolonne betrieben wird. Dieser Teilstrom kann nach seiner Entspannung in dem Kondensatorverdampfer, der im Sumpfbereich der zweiten Rektifikationskolonne angeordnet ist, zumindest teilweise verflüssigt und in die erste Rektifikationskolonne eingespeist werden. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sowohl Argonausbeute und Gesamtenergiebereich deutlich verbessert werden. Die für diese Entspannung verwendete Entspannungsmaschine kann mit Verdichter gekoppelt sein, der in der zuvor erläuterten Ausgestaltung der Erfindung das weitere Luftprodukt, das unter Verwendung von Kopfgas der zweiten Rektifikationskolonne gebildet wird, warm verdichtet. Neben oder alternativ zu einer derartigen Kopplung kann auch eine Bremsung, beispielsweise generatorisch und/oder mittels einer Ölbremse, vorgesehen sein. Mittels einer vergleichbaren weiteren Entspannungsmaschine kann in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung aber auch weiteres Fluid entspannt werden.Within the scope of the present invention, the second rectification column can be operated, as mentioned, at the second pressure level, in particular at a pressure level of 1.1 to 1.6 bar absolute pressure, wherein previously compressed and cooled air is fed to the first rectification column, a partial stream of which is expanded by means of an expansion machine to the second pressure level at which the second rectification column is operated. This partial stream can, after its expansion in the condenser-evaporator, which is arranged in the bottom region of the second rectification column, be at least partially liquefied and fed into the first rectification column. Such an embodiment has the advantage that both the argon yield and the overall energy range are significantly improved. The expansion machine used for this expansion can be coupled to a compressor, which in the previously explained embodiment of the invention Further air product, which is formed using overhead gas from the second rectification column, is warm-compressed. In addition to or as an alternative to such coupling, braking, for example, by generator and/or by means of an oil brake, can also be provided. However, in one embodiment of the present invention, further fluid can also be expanded using a comparable further expansion machine.

Allgemein kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung die vierte Rektifikationskolonne, in den Ausgestaltungen, in denen sie vorhanden ist, mit einem Kopfkondensator betrieben werden, dessen Verdampfungsraum auf einem Druckniveau von weniger als 1,2 bar Absolutdruck bzw. 150 mbar Überdruck betrieben und mit Fluid gekühlt wird, welches anschließend in die zweite Rektifikationskolonne eingespeist oder aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird. Bei diesem Fluid kann es sich insbesondere um Sumpfflüssigkeit der ersten, oder, falls vorhanden, der dritten Rektifikationskolonne handeln bzw. kann ein entsprechendes Fluid einen Teil dieser Sumpfflüssigkeit(en) umfassen. Es können jedoch auch weitere Fluide verwendet werden. Ein derartiges Betriebsdruckniveau des Verdampfungsraums des Kopfkondensators kann im Rahmen der Erfindung die Argonausbeute erhöhen. Dies kann insbesondere dadurch ermöglicht werden, dass entsprechendes Fluid nicht als Regeneriergas in der Luftzerlegungsanlage verwendet wird.In general, within the scope of the present invention, the fourth rectification column, in the embodiments in which it is present, can be operated with a top condenser whose evaporation space is operated at a pressure level of less than 1.2 bar absolute pressure or 150 mbar gauge pressure and is cooled with fluid which is subsequently fed into the second rectification column or discharged from the air separation plant. This fluid can in particular be bottoms liquid from the first or, if present, the third rectification column, or a corresponding fluid can comprise a portion of this bottoms liquid(s). However, other fluids can also be used. Such an operating pressure level of the evaporation space of the top condenser can increase the argon yield within the scope of the invention. This can be made possible in particular by not using corresponding fluid as regeneration gas in the air separation plant.

Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung bzw. einer entsprechenden Ausgestaltung in dem Kopfkondensator also Fluid, das im Sumpf einer Rektifikationskolonne, insbesondere der ersten oder der dritten Rektifikationskolonne anfällt, zu einem Anteil als das Fluid oder als ein Teil des Fluids verwendet werden, mittels welchem der Kopfkondensator der vierten Rektifikationskolonne gekühlt wird. Wie erwähnt, kann entsprechendes Fluid anschließend insbesondere aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt oder auf andere Weise vorteilhaft verwendet werden.In particular, within the scope of the present invention or a corresponding embodiment, fluid obtained in the bottom of a rectification column, in particular the first or third rectification column, can be used in the top condenser in part as the fluid or as a part of the fluid by means of which the top condenser of the fourth rectification column is cooled. As mentioned, corresponding fluid can subsequently be discharged, in particular, from the air separation plant or advantageously used in another way.

Im Rahmen einer entsprechenden Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann Kopfgas, das in der vierten Rektifikationskolonne gebildet wird, insbesondere einen Gehalt von mehr als 99,999 Molprozent Argon aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann dieses Kopfgas ohne weitere Rektifikation als Argonprodukt aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt werden. Wie erwähnt, ergeben sich entsprechend hohe Argongehalte insbesondere dann, wenn aus der zweiten Rektifikationskolonne ein ausgesprochen stickstoffarmes Fluid entnommen und in die vierte Rektifikationskolonne überführt wird.Within the scope of a corresponding embodiment of the present invention, the overhead gas formed in the fourth rectification column can, in particular, have a content of more than 99.999 mol percent argon. In this embodiment, this overhead gas can be discharged from the air separation plant as an argon product without further rectification. As mentioned, high argon contents, especially when a fluid with a very low nitrogen content is taken from the second rectification column and transferred to the fourth rectification column.

Alternativ dazu ist es auch möglich, ein Kopfgas in einer entsprechenden Ausgestaltung in der vierten Rektifikationskolonne mit einem geringeren Argongehalt zu bilden, beispielsweise mit einem Argongehalt von mehr als 95 und weniger als 99,999 Molprozent. In dieser Ausgestaltung kann dann insbesondere eine weitere Rektifikationskolonne in Form einer bekannten Reinargonkolonne vorgesehen sein, in der dieses Kopfgas anschließend unter Erhalt eines Argonprodukts mit entsprechender Reinheit von mehr als 99,999 Molprozent rektifiziert werden kann. Zu bekannten Roh- und Reinargonkolonnen wird auf die eingangs zitierte Fachliteratur verwiesen.Alternatively, it is also possible to form a head gas in a corresponding configuration in the fourth rectification column with a lower argon content, for example, with an argon content of more than 95 and less than 99.999 mol percent. In this configuration, a further rectification column in the form of a known pure argon column can then be provided, in particular, in which this head gas can subsequently be rectified to obtain an argon product with a corresponding purity of more than 99.999 mol percent. For known crude and pure argon columns, reference is made to the specialist literature cited above.

Wie ebenfalls erwähnt, kann aber in entsprechenden Ausgestaltungen auch anstelle Kopfgas ein argonreiches Fluid in flüssiger Form unterhalb des Kopfs der dritten Rektifikationskolonne in Form des fünften Stoffstroms aus dieser abgezogen werden.As also mentioned, in corresponding embodiments, instead of top gas, an argon-rich fluid in liquid form can be withdrawn from the third rectification column below the top in the form of the fifth material stream.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann, wie mehrfach erwähnt, eine Menge des in der Luftzerlegungsanlage gebildeten Argonprodukts 1% bis 50% einer gesamten, in Form von atmosphärischer Luft der Luftzerlegungsanlage insgesamt zugeführten Argonmenge umfassen.In the context of the present invention, as mentioned several times, an amount of the argon product formed in the air separation plant can comprise 1% to 50% of a total amount of argon supplied to the air separation plant in the form of atmospheric air.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zur Herstellung von ultrahochreinem Sauerstoff mit einem Sauerstoffgehalt von beispielsweise 99,5 Molprozent bei einem Restgehalt von bis zu 1 ppb Methan, 10 ppb Argon und nicht mehr als 1 ppb anderer Luftkomponenten eine fünfte Rektifikationskolonne verwendet werden, in der eine Flüssigkeit mit einem Sauerstoffgehalt gebildet wird, der oberhalb eines Sauerstoffgehalts der sauerstoffreichen Sumpfflüssigkeit liegt, die im Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne gebildet wird.According to a variant of the process according to the invention, for the production of ultra-high purity oxygen having an oxygen content of, for example, 99.5 mol percent with a residual content of up to 1 ppb methane, 10 ppb argon and not more than 1 ppb of other air components, a fifth rectification column can be used in which a liquid having an oxygen content is formed which is above an oxygen content of the oxygen-rich bottom liquid which is formed in the bottom of the second rectification column.

Diese fünfte Rektifikationskolonne kann insbesondere als Doppelkolonne ausgebildet sein, die einen oberen Teil und einen unteren Teil aufweist, die fluiddicht voneinander getrennt sind. Jedenfalls werden in dem oberen Teil und dem unteren Teil der Doppelkolonne jeweils ein Kopfgas und eine Sumpfflüssigkeit gebildet. Der obere Teil kann dabei als Sperrsäule gegen Schwersieder wie z.B. Kohlenwasserstoffe verwendet werden und ist, funktional betrachtet, ein ausgelagerter Teil der vierten Rektifikationskolonne. Der untere Teil, also die fünfte Rektifikationskolonne selbst, wird als Strippsäule zum Abtrennen von Leichtersiedern wie z.B. Argon verwendet.This fifth rectification column can, in particular, be designed as a double column having an upper and a lower section that are separated from each other in a fluid-tight manner. In any case, a top gas and a bottom liquid are formed in the upper and lower sections of the double column. The upper section can be used as a barrier column against high boilers, such as hydrocarbons. and is, functionally speaking, a separate part of the fourth rectification column. The lower part, i.e. the fifth rectification column itself, is used as a stripping column for separating lighter boilers such as argon.

Insgesamt kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in der fünften Rektifikationskolonne bzw. deren unterem Teil eine Flüssigkeit mit einem Sauerstoffgehalt gebildet werden, der oberhalb eines Sauerstoffgehalts der sauerstoffreichen Sumpfflüssigkeit liegt, die im Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne gebildet wird, und die fünfte Rektifikationskolonne kann zur Bildung des dritten Stoffstroms, der in die vierte Rektifikationskolonne eingespeist wird, unter Verwendung des Fluids, das aus der zweiten Rektifikationskolonne entnommen wird und einen höheren Argongehalt als die sauerstoffreiche Sumpfflüssigkeit der zweiten Rektifikationskolonne aufweist, verwendet werden.Overall, within the scope of the present invention, a liquid having an oxygen content which is above an oxygen content of the oxygen-rich bottom liquid formed in the bottom of the second rectification column can be formed in the fifth rectification column or its lower part, and the fifth rectification column can be used to form the third stream which is fed into the fourth rectification column using the fluid which is withdrawn from the second rectification column and has a higher argon content than the oxygen-rich bottom liquid of the second rectification column.

In den oberen Teil der soeben erläuterten, als Doppelkolonne ausgebildeten fünften Kolonne, also in den funktional zur zweiten Rektifikationskolonne gehörigen Teil, kann dabei zumindest ein Teil des aus der zweiten Rektifikationskolonne entnommenen Fluids eingespeist werden, das als der vierte Stoffstrom oder zur Bildung des vierten Stoffstroms verwendet wird.At least a portion of the fluid withdrawn from the second rectification column can be fed into the upper part of the fifth column just explained, which is designed as a double column, i.e. into the part functionally belonging to the second rectification column, and is used as the fourth material stream or to form the fourth material stream.

Der obere und der untere Teil der soeben erläuterten Doppelkolonne können jeweils mit einem Rücklauf betrieben werden, der unter Verwendung von Sumpfflüssigkeit der vierten Rektifikationskolonne bereitgestellt wird, falls vorhanden, Kopfgas des oberen und des unteren Teils der soeben erläuterten Doppelkolonne können in die vierte Rektifikationskolonne eingespeist werden, und die Flüssigkeit mit dem Sauerstoffgehalt, der oberhalb des Sauerstoffgehalts der sauerstoffreichen Sumpfflüssigkeit liegt, die im Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne gebildet wird, kann in Form von Sumpfflüssigkeit des unteren Teils gebildet werden.The upper and lower parts of the double column just explained may each be operated with a reflux provided using bottoms liquid of the fourth rectification column, if any, overhead gas of the upper and lower parts of the double column just explained may be fed to the fourth rectification column, and the liquid having the oxygen content which is above the oxygen content of the oxygen-rich bottoms liquid formed in the bottom of the second rectification column may be formed in the form of bottoms liquid of the lower part.

Die Erfindung kann insbesondere umfassen, dass der untere Teil der Doppelkolonne, also der fünften Rektifikationskolonne im eigentlichen Sinn, mittels eines Kondensatorverdampfers beheizt wird, in dem Fluid aus der vierten Rektifikationskolonne abgekühlt wird.The invention may in particular comprise that the lower part of the double column, i.e. the fifth rectification column in the true sense, is heated by means of a condenser evaporator in which fluid from the fourth rectification column is cooled.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Luftzerlegungsanlage, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer zuvor erläuterten Ausgestaltung in der vorliegenden Erfindung eingerichtet ist. Zu Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch und die obigen Ausführungen ausdrücklich verwiesen. Insbesondere weist eine derartige Luftzerlegungsanlage Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, einem Verfahren entsprechend einer der erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen.The present invention also extends to an air separation plant configured to carry out a process according to a previously explained embodiment of the present invention. For features and advantages of a corresponding air separation plant, reference is expressly made to the corresponding independent patent claim and the above statements. In particular, such an air separation plant comprises means configured to carry out a process according to one of the explained embodiments.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Luftzerlegungsanlage weist diese einen Hauptwärmetauscher auf, der in einer ersten vorgefertigten Coldbox angeordnet ist, und die erste Rektifikationskolonne mit dem zur Kühlung ihres Kopfgases verwendeten Wärmetauscher ist in einer zweiten vorgefertigten Coldbox angeordnet. Die zweite und dritte Rektifikationskolonne sind in einer derartigen Luftzerlegungsanlage in einer dritten vorgefertigten Coldbox angeordnet.In a particularly preferred embodiment of the air separation plant proposed according to the invention, it has a main heat exchanger arranged in a first prefabricated cold box, and the first rectification column with the heat exchanger used to cool its overhead gas is arranged in a second prefabricated cold box. The second and third rectification columns are arranged in a third prefabricated cold box in such an air separation plant.

Eine derartige Luftzerlegungsanlage kann insbesondere eine oder mehrere weitere Rektifikationskolonnen aufweisen, wie zuvor unter Bezugnahme auf die vierte und fünfte Rektifikationskolonne erläutert. Die eine weitere oder zumindest eine der mehreren weiteren Rektifikationskolonnen kann bzw. können in der dritten vorgefertigten Coldbox oder in einer oder in mehreren weiteren vorgefertigten Coldboxen angeordnet sein.Such an air separation plant may, in particular, comprise one or more further rectification columns, as previously explained with reference to the fourth and fifth rectification columns. The one further rectification column or at least one of the several further rectification columns may be arranged in the third prefabricated coldbox or in one or more further prefabricated coldboxes.

Bei einer Coldbox handelt es sich um einen Isolierbehälter aus Metall, der jeweils den oder die gesamten genannten Apparate umgibt und mit isolierendem Material, beispielsweise Perlit, gefüllt ist. Vorteilhafterweise sind neben dem einen oder den mehreren genannten Apparaten die zum Betrieb erforderlichen Vorrichtungen wie Wärmetauscher und/oder Armaturen in der Coldbox angeordnet, so dass bei der Erstellung einer entsprechenden Anlage lediglich eine Verrohrung erfolgen muss. Dies erleichtert die Erstellung am Aufstellungsort. Eine Vorfertigung umfasst insbesondere die Erstellung der Coldbox-Außenhülle und ggf. die Einbringung der genannten Apparate mit der entsprechenden Verrohrung. Auf der Baustelle muss daher lediglich noch eine Verbindung (Verrohrung) erfolgen.A cold box is an insulated metal container that surrounds the aforementioned device(s) and is filled with insulating material, such as perlite. Advantageously, the cold box houses the one or more aforementioned devices, along with the equipment required for operation, such as heat exchangers and/or fittings. This means that only piping is required when constructing a corresponding system. This simplifies installation on site. Prefabrication includes, in particular, the construction of the cold box outer shell and, if necessary, the installation of the aforementioned devices with the corresponding piping. Therefore, only one connection (piping) remains to be made on site.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht sind.The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings in which preferred embodiments of the present invention are illustrated.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Die Figuren 1 bis 31 veranschaulichen Luftzerlegungsanlagen und Teile von Luftzerlegungsanlagen jeweils in Gesamt- oder Teildarstellung.The Figures 1 to 31 illustrate air separation plants and parts of air separation plants in whole or in part.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

In den nachfolgenden Figuren sind Luftzerlegungsanlagen unterschiedlicher Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und mit 100 bis 3100 bezeichnet. Die Komponenten entsprechender Anlagen werden dabei zunächst unter Bezugnahme auf die Figur 1 und die dort veranschaulichte nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage 100 erläutert. In den Luftzerlegungsanlagen 200 bis 3100 gemäß den Figuren 2 bis 31 vorhandene, baulich oder funktionell jeweils entsprechende Elemente werden dort nicht wiederholt erläutert.In the following figures, air separation plants of different embodiments of the present invention are illustrated and designated 100 to 3100. The components of corresponding plants are initially described with reference to the Figure 1 and the non-inventive air separation plant 100 illustrated therein is explained. In the air separation plants 200 to 3100 according to the Figures 2 to 31 Existing structurally or functionally corresponding elements are not explained repeatedly there.

In Figur 1 ist eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage 100 in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht.In Figure 1 an air separation plant 100 not according to the invention is illustrated in the form of a schematic plant diagram.

Der Luftzerlegungsanlage 100 wird aus einem warmen Teil der Luftzerlegungsanlage 100, der hier schematisch mit 110 veranschaulicht ist und insbesondere Einrichtungen zur Aufreinigung und Verdichtung von Einsatzluft umfasst, ein Einsatzluftstrom a zugeführt. Dieser Einsatzluftstrom a wird in einem Hauptwärmetauscher 1 der Luftzerlegungsanlage 100 abgekühlt und aus dem Hauptwärmetauscher 1 nahe dessen kaltem Ende entnommen. Der warme Teil 110 der Luftzerlegungsanlage kann fachüblich ausgebildet sein. Für ein die vorliegende Erfindung nicht einschränkendes Beispiel wird auf die Erläuterungen zu Figur 2.3A bei Häring (s.o.) verwiesen.A feed air stream a is supplied to the air separation plant 100 from a warm part of the air separation plant 100, which is schematically illustrated here at 110 and in particular comprises devices for purifying and compressing feed air. This feed air stream a is cooled in a main heat exchanger 1 of the air separation plant 100 and removed from the main heat exchanger 1 near its cold end. The warm part 110 of the air separation plant can be designed in a manner customary in the art. For an example that does not limit the present invention, reference is made to the explanations of Figure 2.3A in Häring (see above).

Der Einsatzluftstrom a wird anschließend auf zwei Teilströme b und c aufgeteilt, wobei der Teilstrom b direkt in eine erste Rektifikationskolonne 11 eingespeist wird. Der Teilstrom c wird hingegen durch einen Kondensatorverdampfer 121 einer zweiten Rektifikationskolonne 12 geführt und sodann, insbesondere nach Vereinigung mit weiteren Stoffströmen wie unten erläutert, ebenfalls in die erste Rektifikationskolonne 11 eingespeist. Die Einspeisung der Teilströme b und c erfolgt jeweils in geeigneter Höhe in die erste Rektifikationskolonne 11.The feed air stream a is then divided into two partial streams b and c, with partial stream b being fed directly into a first rectification column 11. The partial stream c, however, is passed through a condenser evaporator 121 of a second rectification column 12 and then, in particular after combining with other material streams as explained below, are also fed into the first rectification column 11. The feed of the partial streams b and c takes place at a suitable height in the first rectification column 11.

In der ersten Rektifikationskolonne 11, die auf einem zuvor erläuterten "ersten" Druckniveau betrieben wird, werden ein an Stickstoff angereichertes bzw. im Wesentlichen Stickstoff aufweisendes Kopfgas und eine an Sauerstoff angereicherte Sumpfflüssigkeit gebildet. Der ersten Rektifikationskolonne 11 werden zwei Stoffströme d und e entnommen, die jeweils Fluid umfassen, das gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereichert ist.In the first rectification column 11, which is operated at a previously explained "first" pressure level, a nitrogen-enriched or substantially nitrogen-containing overhead gas and an oxygen-enriched bottom liquid are formed. Two streams d and e are withdrawn from the first rectification column 11, each comprising fluid that is enriched in oxygen compared to atmospheric air.

Der Stoffstrom d wird zunächst in dem Hauptwärmetauscher 1 weiter abgekühlt und anschließend durch einen Wärmetauscher 2 geführt, welcher, wie nachfolgend erläutert, zur Abkühlung von Kopfgas der ersten Rektifikationskolonne 11 verwendet wird. Der Stoffstrom e wird zunächst in vergleichbarer Weise wie der Stoffstrom d behandelt, wobei ein Teil des Stoffstroms e als Stoffstrom e1 abgezweigt werden kann, bevor der Rest des Stoffstroms e, der der Einfachheit halber weiter mit e bezeichnet ist, dem Wärmetauscher 2 zugeführt wird. Zu dem Stoffstrom e kann auch bei Bedarf von extern Flüssigstickstoff X zugespeist werden. Im dargestellten Beispiel wird der Stoffstrom e aus dem Sumpf der ersten Rektifikationskolonne 11, der Stoffstrom d hingegen von einer Position mehrere theoretische oder praktische Böden oberhalb des Sumpfs aus der ersten Rektifikationskolonne 11 entnommen. Die Stoffströme d und e werden getrennt voneinander durch den Wärmetauscher 2 geführt.Stream d is first further cooled in main heat exchanger 1 and then passed through a heat exchanger 2, which, as explained below, is used to cool overhead gas from the first rectification column 11. Stream e is first treated in a similar manner to stream d, whereby a portion of stream e can be branched off as stream e1 before the remainder of stream e, which for the sake of simplicity is referred to as e, is fed to heat exchanger 2. Liquid nitrogen X can also be fed externally to stream e if required. In the example shown, stream e is taken from the bottom of the first rectification column 11, while stream d is taken from a position several theoretical or practical plates above the bottom of the first rectification column 11. Streams d and e are passed through heat exchanger 2 separately from one another.

Der Stoffstrom e wird anschließend in dem Hauptwärmetauscher 1 teilerwärmt und in Form zweier Teilströme mittels einer Entspannungsmaschine 3 und ggf. eines nicht gesondert bezeichneten Bypassventils entspannt. Anschließend werden diese Teilströme, miteinander und mit weiteren Stoffströmen vereinigt, im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage in Form eines Sammelstroms f ausgeführt bzw. im warmen Teil 110, beispielsweise zur Regenerierung von Absorbern, verwendet.The material stream e is then partially heated in the main heat exchanger 1 and expanded into two partial streams by means of an expansion machine 3 and, if necessary, a bypass valve (not specifically designated). These partial streams, combined with each other and with other material streams, are then heated in the main heat exchanger 1 and discharged from the air separation plant in the form of a collective stream f or used in the warm section 110, for example, for the regeneration of absorbers.

Der Stoffstrom d wird hingegen, ggf. nach Abzweigung und Abblasen eines Teilstroms an die Atmosphäre A, in einem Verdichter 5, der mit einer der hier gezeigten Entspannungsmaschine 3 gekoppelt ist, verdichtet, anschließend abgekühlt und, vergleichbar mit dem Stoffstrom c, in die erste Rektifikationskolonne 11 zurückgeführt. Wie in Form eines gestrichelten Stoffstroms d1 veranschaulicht, kann hier auch ein Bypass erfolgen. Der Verdichter 5 ist mit der Entspannungsmaschine 3 gekoppelt und weist ferner eine hier nicht gesondert bezeichnete Ölbremse auf.The material flow d, however, is compressed in a compressor 5, which is coupled to one of the expansion machines 3 shown here, after possibly branching off and blowing off a partial flow to the atmosphere A, then cooled and, comparable to stream c, is returned to the first rectification column 11. As illustrated by the dashed stream d1, a bypass can also occur here. The compressor 5 is coupled to the expansion machine 3 and also has an oil brake (not specifically designated here).

Kopfgas vom Kopf der ersten Rektifikationskolonne 11 wird in Form eines Stoffstroms g durch den Wärmetauscher 2 geführt und dort zumindest teilweise verflüssigt. Dieses teilweise verflüssigte Kopfgas kann teilweise in Form eines Rücklaufstroms auf die erste Rektifikationskolonne 11 zurückgeführt und zu einem weiteren Anteil als Flüssigstickstoffprodukt B bereitgestellt werden. Hierzu kann ein Teil in einem Unterkühler 6 unterkühlt und als entsprechend unterkühltes Flüssigstickstoffprodukt B ausgeführt werden. Ein in dem Unterkühler 6 zum Kühlen entspannter Anteil kann mit dem bereits erwähnten Stoffstrom e vereinigt werden. Ein Teil des Stoffstroms g kann auch als sogenannter Purge P ausgeleitet werden. Weiteres Kopfgas kann in Form eines Stoffstroms h im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und als gasförmiges Stickstoffprodukt C ausgeführt bzw. als Dichtgas D verwendet werden. Das gasförmige Stickstoffprodukt C stellt ein zuvor zu unterschiedlichen Ausgestaltungen der Erfindung erläutertes "stickstoffreiches Luftprodukt" dar.Overhead gas from the top of the first rectification column 11 is passed through the heat exchanger 2 in the form of a stream g and at least partially liquefied there. This partially liquefied overhead gas can be partially recycled to the first rectification column 11 in the form of a reflux stream, and a further portion can be provided as liquid nitrogen product B. For this purpose, a portion can be subcooled in a subcooler 6 and discharged as a correspondingly subcooled liquid nitrogen product B. A portion expanded in the subcooler 6 for cooling can be combined with the aforementioned stream e. A portion of the stream g can also be discharged as a purge P. Further overhead gas can be heated in the form of a stream h in the main heat exchanger 1 and discharged as gaseous nitrogen product C or used as sealing gas D. The gaseous nitrogen product C represents a "nitrogen-rich air product" previously explained in relation to various embodiments of the invention.

In dem in Figur 1 veranschaulichten Beispiel wird aus der ersten Rektifikationskolonne 11 ein Stoffstrom i flüssig ausgeführt, welcher im Kondensatorverdampfer 121 der zweiten Rektifikationskolonne unterkühlt und als Rücklauf auf die zweite Rektifikationskolonne 12 aufgegeben wird. Aus einem Bereich nahe des Kopfs der ersten Rektifikationskolonne 11, jedenfalls deutlich oberhalb des Stoffstroms i, wird ein weiterer, entsprechend stickstoffreicher, Stoffstrom i1 flüssig abgezogen und oberhalb des Stoffstroms i, insbesondere am Kopf, als Rücklauf auf die zweite Rektifikationskolonne 12 aufgegeben.In the Figure 1 In the example illustrated, a stream i is discharged in liquid form from the first rectification column 11, which stream is subcooled in the condenser evaporator 121 of the second rectification column and fed as reflux to the second rectification column 12. From a region near the top of the first rectification column 11, in any case significantly above the stream i, a further, correspondingly nitrogen-rich, stream i1 is withdrawn in liquid form and fed above the stream i, in particular at the top, as reflux to the second rectification column 12.

Aus dem Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne 12 kann ein flüssiger sauerstoffreicher Stoffstrom k abgezogen werden, der mittels einer Innenverdichtungspumpe 7 oder mittels Druckaufbauverdampfung auf Druck gebracht und anschließend im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und als innenverdichtetes Sauerstoffdruckprodukt E bereitgestellt werden kann. Ein Teil des Stoffstroms k kann auch als Flüssigsauerstoffprodukt F bereitgestellt werden. Weitere sauerstoffreiche Flüssigkeit, jedoch mit geringerem Sauerstoffgehalt, kann analog in Form eines Stoffstroms k1 aus der zweiten Rektifikationskolonne 12 abgezogen, mittels einer weiteren Innenverdichtungspumpe 7a auf Druck gebracht und als weiteres innenverdichtetes Sauerstoffdruckprodukt E1 bereitgestellt werden. Ein Anteil kann optional auch in Form eines Stoffstroms k2 zurückgeführt werden. Ein Teil kann auch als Flüssigsauerstoffprodukt F bereitgestellt werden. Vom Kopf der zweiten Rektifikationskolonne 12 wird im dargestellten Beispiel ein Stoffstrom I abgezogen, der nach Vereinigung mit einem weiteren Stoffstrom ebenfalls erwärmt und, im veranschaulichten Beispiel, an die Atmosphäre A abgegeben werden kann. Die Stoffströme i und i1 werden in einem Unterkühler 9 gegen den Stoffstrom I unterkühlt, bevor sie in die zweite Rektifikationskolonne 12 eingespeist werden.From the bottom of the second rectification column 12, a liquid oxygen-rich stream k can be withdrawn, which can be pressurized by means of an internal compression pump 7 or by pressure build-up evaporation and then heated in the main heat exchanger 1 and provided as internally compressed oxygen pressure product E. A portion of the stream k can also be provided as liquid oxygen product F. Further oxygen-rich liquid, but with a lower oxygen content, can be analogously provided in the form of a Material stream k1 is withdrawn from the second rectification column 12, pressurized by means of a further internal compression pump 7a and provided as a further internally compressed oxygen pressurized product E1. A portion can optionally also be recycled in the form of a material stream k2. A portion can also be provided as liquid oxygen product F. In the example shown, a material stream I is withdrawn from the top of the second rectification column 12, which, after being combined with a further material stream, can also be heated and, in the example shown, released into the atmosphere A. The material streams i and i1 are subcooled in a subcooler 9 against the material stream I before being fed into the second rectification column 12.

Aus einem mittleren Bereich der zweiten Rektifikationskolonne 12, insbesondere am Argonübergang, wird ein Stoffstrom m abgezogen, welcher in einem unteren Bereich einer Rektifikationskolonne 14 eingespeist wird, die aus Konsistenzgründen als vierte Rektifikationskolonne 14 bezeichnet wird (in der hier veranschaulichten nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die erfindungsgemäß verwendete dritte Rektifikationskolonne 13 nicht vorhanden). Aus dem Sumpf der vierten Rektifikationskolonne 14 wird mittels einer Pumpe 8 ein weiterer Stoffstrom n abgezogen und in die zweite Rektifikationskolonne12 zurückgeführt. Aus der vierten Rektifikationskolonne 14 wird in einem oberen Bereich ein Stoffstrom o abgezogen, durch einen Kopfkondensator 141 der vierten Rektifikationskolonne 141 geführt, dort zumindest teilweise verflüssigt und als Rücklauf auf die vierte Rektifikationskolonne 14 zurückgeführt. Ein nicht verdampfter Anteil kann an die Atmosphäre A abgegeben werden. Ein Flüssigargonprodukt G wird unterhalb des Kopfs der vierten Rektifikationskolonne 14 in Form eines Stoffstroms p flüssig abgezogen. Ein entsprechender Stoffstrom p kann auch zumindest teilweise mittels einer Pumpe auf Druck gebracht und in dem Hauptwärmetauscher 1 erwärmt werden, so dass auf diese Weise ein innenverdichtetes Argonprodukt bereitgestellt werden kann.From a middle region of the second rectification column 12, in particular at the argon transition, a material stream m is withdrawn and fed into a lower region of a rectification column 14, which for reasons of consistency is referred to as the fourth rectification column 14 (in the non-inventive embodiment illustrated here, the third rectification column 13 used according to the invention is not present). From the bottom of the fourth rectification column 14, a further material stream n is withdrawn by means of a pump 8 and returned to the second rectification column 12. From the fourth rectification column 14, a material stream o is withdrawn in an upper region, passed through a top condenser 141 of the fourth rectification column 141, at least partially liquefied there, and returned as reflux to the fourth rectification column 14. A non-evaporated portion can be released into the atmosphere A. A liquid argon product G is withdrawn in liquid form below the top of the fourth rectification column 14 in the form of a stream p. A corresponding stream p can also be at least partially pressurized by means of a pump and heated in the main heat exchanger 1, so that an internally compressed argon product can be provided in this way.

Der Kopfkondensator 141 der vierten Rektifikationskolonne 14 wird mit Flüssigkeit gekühlt, die dem Kopfkondensator 141 in Form des bereits erwähnten Stoffstroms q zugeführt werden kann. Der Stoffstrom q kann unter Verwendung zumindest eines Teils des ebenfalls bereits erwähnten Stoffstroms e1 und optional des Stoffstroms k2 gebildet werden. Nicht zur Bildung des Stoffstroms q verwendete Anteile können in Form eines Stoffstroms q1 mit dem Stoffstrom c vereinigt und in die erste Rektifikationskolonne 11 eingespeist werden. Aus einem Verdampfungsraum des Kopfkondensators 141 der vierten Rektifikationskolonne 14 kann ein Stoffstrom r abgezogen werden, welcher vorzugsweise gegendruckfrei oder im Wesentlichen gegendruckfrei nach Vereinigung mit dem Stoffstrom I wie bezüglich dieses Stoffstroms I erläutert im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und aus der Anlage ausgeführt werden kann. Auf diese Weise kann ein geringer Druck in dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators 141 eingestellt werden. Optional kann ein Anteil r1 des Stoffstroms r auch in die zweite Rektifikationskolonne 12 eingespeist werden. Flüssigkeit aus dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators 141 der vierten Rektifikationskolonne 14 kann bei Bedarf in Form eines Stoffstroms s mit den Teilströmen des Stoffstroms e vor deren Erwärmung in dem Hauptwärmetauscher 1 vereinigt werden.The top condenser 141 of the fourth rectification column 14 is cooled with liquid, which can be fed to the top condenser 141 in the form of the aforementioned stream q. Stream q can be formed using at least a portion of the aforementioned stream e1 and optionally stream k2. Portions not used to form stream q can be combined with stream c in the form of a stream q1 and fed into the first Rectification column 11. From an evaporation space of the top condenser 141 of the fourth rectification column 14, a material stream r can be withdrawn, which stream can be heated preferably without backpressure or essentially without backpressure after combining with the material stream I as explained with regard to this material stream I in the main heat exchanger 1 and can be discharged from the plant. In this way, a low pressure can be set in the evaporation space of the top condenser 141. Optionally, a portion r1 of the material stream r can also be fed into the second rectification column 12. Liquid from the evaporation space of the top condenser 141 of the fourth rectification column 14 can, if required, be combined in the form of a material stream s with the partial streams of the material stream e before their heating in the main heat exchanger 1.

Die Stoffströme i und/oder i1 können, wie bereits erwähnt, gegen den Stoffstrom I in jeweils mit 9 bezeichneten Unterkühlern gegen den Stoffstrom I unterkühlt werden. Entsprechendes gilt optional auch für den Stoffstrom q gegenüber dem Stoffstrom r. Mehrere Unterkühler 9 können auch in einem gemeinsamen Apparat zusammengefasst sein.As already mentioned, streams i and/or i1 can be subcooled against stream I in subcoolers designated 9. The same optionally applies to stream q relative to stream r. Several subcoolers 9 can also be combined in a common apparatus.

In Figur 2 ist eine weitere nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 200 bezeichnet.In Figure 2 another air separation plant not according to the invention is illustrated in the form of a schematic plant diagram and is designated overall by 200.

Im Gegensatz zu der in Figur 1 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 100 wird hier ein Teilstrom a1 des Einsatzluftstroms a dem Hauptwärmetauscher 1 auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, mittels einer Entspannungsmaschine 201, die mit einem Generator gekoppelt ist, entspannt, und ansonsten wie der Stoffstrom c gemäß Figur 1 verwendet. Falls eine entsprechende Entspannungsmaschine vorhanden ist und zu einem gleichen oder vergleichbaren Zweck eingesetzt wird, ist diese auch in den nachfolgenden Figuren mit 201 bezeichnet. Die gegenüber der Luftzerlegungsanlage 100 abweichenden Merkmale können einzeln oder gemeinsam vorgesehen sein und/oder mit beliebigen zuvor und nachfolgend beschriebenen Merkmalen kombiniert werden.In contrast to the Figure 1 In the illustrated air separation plant 100, a partial flow a1 of the feed air flow a is taken from the main heat exchanger 1 at an intermediate temperature level, expanded by means of an expansion machine 201, which is coupled to a generator, and otherwise like the material flow c according to Figure 1 used. If a corresponding expansion machine is available and used for the same or a comparable purpose, it is also designated 201 in the following figures. The features that differ from the air separation plant 100 can be provided individually or jointly and/or combined with any features described above and below.

In Figur 3 ist eine weitere nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 300 bezeichnet.In Figure 3 a further air separation plant not according to the invention is illustrated in the form of a schematic plant diagram and is designated overall by 300.

Wie hier veranschaulicht, kann ein dem Stoffstrom a1 der Figur 2 entsprechender Stoffstrom nach seiner Entspannung in der Entspannungsmaschine 201 auch dem Hauptwärmetauscher 1 wieder zugeführt, dort erwärmt und an die Atmosphäre A abgeblasen werden. Bezüglich weiterer Details sei auf die Erläuterungen zu den vorstehenden Figuren ausdrücklich verwiesen. Die gegenüber den vorstehenden Figuren abweichenden Merkmale können auch hier einzeln oder gemeinsam vorgesehen sein und/oder mit beliebigen zuvor und nachfolgend beschriebenen Merkmalen kombiniert werden.As illustrated here, a material flow a1 of the Figure 2 The corresponding material flow, after being expanded in the expansion machine 201, can also be fed back to the main heat exchanger 1, heated there, and released into the atmosphere A. For further details, reference is expressly made to the explanations of the preceding figures. The features that differ from those in the preceding figures can also be provided here individually or jointly and/or combined with any features described previously and subsequently.

In Figur 4 ist eine weitere nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 400 bezeichnet.In Figure 4 another air separation plant not according to the invention is illustrated in the form of a schematic plant diagram and is designated overall by 400.

Im Gegensatz zu der den in den vorstehenden Figuren veranschaulichten Luftzerlegungsanlagen 100 bis 300 wird hier kein dem Stoffstrom i1 entsprechender Stoffstrom verwendet. Bezüglich weiterer Details sei auf die Erläuterungen zu den vorstehenden Figuren ausdrücklich verwiesen. Die gegenüber den vorstehenden Figuren abweichenden Merkmale können auch hier einzeln oder gemeinsam vorgesehen sein und/oder mit beliebigen zuvor und nachfolgend beschriebenen Merkmalen kombiniert werden.In contrast to the air separation plants 100 to 300 illustrated in the preceding figures, no material stream corresponding to material stream i1 is used here. For further details, please refer expressly to the explanations of the preceding figures. The features that differ from those in the preceding figures can also be provided here individually or jointly and/or combined with any features described previously and below.

In Figur 5 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 500 bezeichnet.In Figure 5 an air separation plant according to an embodiment of the present invention is illustrated in the form of a schematic plant diagram and designated overall by 500.

Die Luftzerlegungsanlage 500 gemäß Figur 5 unterscheidet sich von den zuvor erläuterten Ausgestaltungen insbesondere dadurch, dass die zweite Rektifikationskolonne 12 als Teil einer Doppelkolonne ausgebildet ist, die zusätzlich die bereits angesprochene dritte Rektifikationskolonne 13 aufweist. Ein wie zuvor mit a1 bezeichneter und entsprechend behandelter Anteil des Einsatzluftstroms a wird dabei in einen unteren Bereich dieser dritten Rektifikationskolonne 13 eingespeist.The air separation unit 500 according to Figure 5 differs from the previously explained embodiments in particular in that the second rectification column 12 is designed as part of a double column, which additionally has the already mentioned third rectification column 13. A portion of the feed air stream a, designated as above with a1 and treated accordingly, is fed into a lower region of this third rectification column 13.

Ein Stoffstrom q2, der ansonsten vergleichbar wie der Stoffstrom q der vorstehenden Figuren weiterverwendet wird und daher weiter stromabwärts auch hier mit q bezeichnet ist, wird in der Luftzerlegungsanlage 500 unter Verwendung von Sumpfflüssigkeit der dritten Rektifikationskolonne 13, des Teilstroms e2 und optional des Stoffstroms k2, gebildet. Kopfgas der dritten Rektifikationskolonne 13 wird in Form eines Stoffstroms u in dem Kondensatorverdampfer 121 zumindest teilweise verflüssigt und anschließend in Form eines Teilstroms u1 als Rücklauf auf die dritte Rektifikationskolonne 13 sowie in Form eines Teilstroms u2 als Rücklauf auf die zweite Rektifikationskolonne 12 verwendet.A material stream q2, which is otherwise used in a similar way to the material stream q of the preceding figures and is therefore also designated q further downstream, is produced in the air separation plant 500 using bottoms liquid of the third rectification column 13, the partial stream e2 and optionally of the material stream k2. Top gas of the third rectification column 13 is at least partially liquefied in the form of a material stream u in the condenser evaporator 121 and subsequently used in the form of a partial stream u1 as reflux to the third rectification column 13 and in the form of a partial stream u2 as reflux to the second rectification column 12.

Stickstoffreiche Flüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms v über einen Seitenabzug aus der dritten Rektifikationskolonne 13 entnommen und mittels einer Pumpe 501 in die erste Rektifikationskolonne 11 befördert.Nitrogen-rich liquid is withdrawn in the form of a stream v via a side draw from the third rectification column 13 and conveyed into the first rectification column 11 by means of a pump 501.

Bezüglich weiterer Details sei auf die Erläuterungen zu den vorstehenden Figuren ausdrücklich verwiesen. Die gegenüber den vorstehenden Figuren abweichenden Merkmale können auch hier einzeln oder gemeinsam vorgesehen sein und/oder mit beliebigen zuvor und nachfolgend beschriebenen Merkmalen kombiniert werden.For further details, please refer to the explanations of the preceding figures. The features that differ from those shown in the preceding figures may also be provided individually or jointly and/or combined with any of the features described above and below.

In Figur 6 ist eine weitere nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 600 bezeichnet. Die Darstellung weicht dabei in Figur 6 und den nachfolgenden Figuren leicht von jenen in den Figuren 1 bis 5 ab, wobei jedoch ein Teil der Funktion der gezeigten Elemente hinsichtlich der technischen Funktion identisch bzw. vergleichbar ist und daher mit identischen Bezugszeichen angegeben ist.In Figure 6 Another air separation plant not according to the invention is illustrated in the form of a schematic plant diagram and is designated overall by 600. The illustration differs in Figure 6 and the following figures slightly different from those in the Figures 1 to 5 However, part of the function of the elements shown is identical or comparable in terms of technical function and is therefore indicated with identical reference symbols.

Der Luftzerlegungsanlage 600 wird aus einem warmen Teil, der hier ebenfalls mit 110 zusammengefasst ist, auch hier ein Einsatzluftstrom a zugeführt, der aus atmosphärischer Luft L gebildet wird. In dem warmen Teil 110 sind hier unter anderem ein Filter 111, über den Einsatzluft L angesaugt wird, ein Hauptluftverdichter 112 mit nicht gesondert bezeichneten Nachkühlern, ein Direktkontaktkühler, der mit Wasser W betrieben wird, und ein Absorbersatz 115 dargestellt. Der Einsatzluftstrom a wird auch hier in einem Hauptwärmetauscher 1 der Luftzerlegungsanlage 600 abgekühlt und aus dem Hauptwärmetauscher 1 nahe dessen kaltem Ende entnommen.The air separation plant 600 is supplied with a feed air stream a, which is formed from atmospheric air L, from a warm part, which is also summarized here as 110. The warm part 110 includes, among other things, a filter 111 through which feed air L is sucked in, a main air compressor 112 with aftercoolers (not separately designated), a direct contact cooler operated with water W, and an absorber set 115. The feed air stream a is also cooled in a main heat exchanger 1 of the air separation plant 600 and removed from the main heat exchanger 1 near its cold end.

Der Einsatzluftstrom a wird wie zuvor auf zwei Teilströme b und c aufgeteilt, wobei der Teilstrom b direkt in die auch hier mit 11 bezeichnete erste Rektifikationskolonne eingespeist wird. Der zweite Teilstrom c wird wiederum durch einen Kondensatorverdampfer 121 einer auch hier mit 12 bezeichneten zweiten Rektifikationskolonne 12 geführt, hier aber anschließend wie nachfolgend erläutert aus der Luftzerlegungsanlage 600 ausgeführt. Im Gegensatz zu dem in den Figuren 1 bis 5 veranschaulichten Kondensatorverdampfer 121 ist in dem Kondensatorverdampfer 121 gemäß Figur 6 die Stromführung nicht über Kreuz veranschaulicht,The feed air stream a is divided as before into two partial streams b and c, with partial stream b being fed directly into the first rectification column, also designated here by 11. The second partial stream c is in turn fed through a condenser evaporator 121 to a second rectification column, also designated here by 12. Rectification column 12, but here subsequently discharged from the air separation plant 600 as explained below. In contrast to the Figures 1 to 5 illustrated condenser evaporator 121 is in the condenser evaporator 121 according to Figure 6 the current flow is not shown crosswise,

In der ersten Rektifikationskolonne 11, die auch hier auf dem zuvor erläuterten "ersten" Druckniveau betrieben wird, werden ein an Stickstoff angereichertes bzw. im Wesentlichen Stickstoff aufweisendes Kopfgas und eine an Sauerstoff angereicherte Sumpfflüssigkeit gebildet. Der ersten Rektifikationskolonne 11 werden auch hier zwei Stoffströme d und e entnommen, die jeweils Fluid umfassen, das gegenüber atmosphärischer Luft an Sauerstoff angereichert ist.In the first rectification column 11, which is also operated at the previously explained "first" pressure level, a nitrogen-enriched or essentially nitrogen-containing overhead gas and an oxygen-enriched bottom liquid are formed. Here, too, two streams d and e are withdrawn from the first rectification column 11, each of which comprises a fluid that is enriched in oxygen compared to atmospheric air.

Der Stoffstrom d wird zunächst in dem Hauptwärmetauscher 1 weiter abgekühlt und anschließend durch einen Wärmetauscher 2 geführt, welcher, wie nachfolgend erläutert, zur Abkühlung von Kopfgas der ersten Rektifikationskolonne 11 verwendet wird. Der Stoffstrom e wird zunächst in vergleichbarer Weise wie der Stoffstrom d behandelt, wobei der Stoffstrom e hier zunächst mit dem Stoffstrom c vereinigt wird und anschließend ein weiterer Stoffstrom q3 hiervon abgezweigt wird. Erst dann wird dieser Stoffstrom, der Einfachheit halber weiter mit e bezeichnet, in dem Hauptwärmetauscher 1 weiter abgekühlt und dem Wärmetauscher 2 zugeführt. Der Stoffstrom q3 wird im weiteren Verlauf zur Vergleichbarkeit mit den vorigen Figuren und aufgrund seiner entsprechenden Verwendung mit q bezeichnet.Stream d is first further cooled in main heat exchanger 1 and then passed through a heat exchanger 2, which, as explained below, is used to cool overhead gas from the first rectification column 11. Stream e is initially treated in a similar manner to stream d, whereby stream e is first combined with stream c and then a further stream q3 is branched off from it. Only then is this stream, referred to as e for the sake of simplicity, further cooled in main heat exchanger 1 and fed to heat exchanger 2. Stream q3 will be referred to as q in the following for comparability with the previous figures and due to its corresponding use.

Zu dem Stoffstrom e kann wie zuvor bei Bedarf Flüssigstickstoff X zugespeist werden. Im dargestellten Beispiel wird der Stoffstrom e aus dem Sumpf der ersten Rektifikationskolonne 11, der Stoffstrom d hingegen von einer Position mehrere theoretische oder praktische Böden oberhalb des Sumpfs aus der ersten Rektifikationskolonne 11 entnommen. Die Stoffströme d und e werden getrennt voneinander durch den Wärmetauscher 2 geführt.As before, liquid nitrogen X can be added to stream e if required. In the example shown, stream e is taken from the bottom of the first rectification column 11, while stream d is taken from a position several theoretical or practical plates above the bottom of the first rectification column 11. Streams d and e are passed separately through heat exchanger 2.

Der Stoffstrom e wird anschließend in dem Hauptwärmetauscher 1 teilerwärmt und in Form zweier Teilströme mittels einer Entspannungsmaschine 3 und ggf. eines Entspannungsventils bzw. über einen Bypass entspannt. Anschließend werden diese Teilströme, miteinander und mit weiteren Stoffströmen vereinigt, im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage in Form eines Sammelstroms f ausgeführt bzw. im warmen Teil 110 der Luftzerlegungsanlage 600, beispielsweise zur Regenerierung der Absorber des Adsorbersatzes 114, verwendet.The material stream e is then partially heated in the main heat exchanger 1 and expanded into two partial streams by means of an expansion machine 3 and, if necessary, an expansion valve or via a bypass. These partial streams are then combined with each other and with other material streams, heated in the main heat exchanger 1, and discharged from the air separation plant in the form of a Collecting stream f or used in the warm part 110 of the air separation plant 600, for example for regenerating the absorbers of the adsorber set 114.

Der Stoffstrom d wird hingegen, ggf. nach Abzweigung und Abblasen eines Teilstroms an die Atmosphäre A, in einem Verdichter 5, der mit einer der hier gezeigten Entspannungsmaschine 3 gekoppelt ist, verdichtet, anschließend abgekühlt und in die erste Rektifikationskolonne zurückgeführt. Wie in Form eines gestrichelten Stoffstroms d1 veranschaulicht, kann auch hier ein Bypass erfolgen. Der Verdichter 5 ist mit der Entspannungsmaschine 3 gekoppelt und weist ferner eine hier nicht gesondert bezeichnete Ölbremse auf. Auch beliebige andere Kombinationen sind möglich.Stream d, on the other hand, is compressed in a compressor 5 coupled to one of the expansion machines 3 shown here, possibly after branching off and venting a partial stream to atmosphere A, then cooled and returned to the first rectification column. As illustrated by the dashed stream d1, a bypass can also be provided here. Compressor 5 is coupled to the expansion machine 3 and also has an oil brake (not specifically designated here). Any other combinations are also possible.

Kopfgas vom Kopf der ersten Rektifikationskolonne 11 wird in Form eines Stoffstroms g durch den Wärmetauscher 2 geführt und dort zumindest teilweise verflüssigt. Dieses teilweise verflüssigte Kopfgas kann teilweise in Form eines Rücklaufstroms auf die erste Rektifikationskolonne zurückgeführt und zu einem weiteren Anteil als Flüssigstickstoffprodukt B bereitgestellt werden. Hierzu kann ein Teil in einem Unterkühler 6 unterkühlt und als entsprechend unterkühltes Flüssigstickstoffprodukt B ausgeführt werden. Ein in dem Unterkühler 6 zum Kühlen entspannter Anteil kann mit dem bereits erwähnten Stoffstrom e vereinigt werden. Ein Teil kann auch als sogenannter Purge P ausgeleitet werden. Weiteres Kopfgas kann in Form eines Stoffstroms h im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und als gasförmiges Stickstoffprodukt C ausgeführt bzw. als Dichtgas D verwendet werden.Overhead gas from the top of the first rectification column 11 is passed through the heat exchanger 2 in the form of a material stream g and is at least partially liquefied there. This partially liquefied overhead gas can be partially returned to the first rectification column in the form of a reflux stream and a further portion can be made available as liquid nitrogen product B. For this purpose, a portion can be subcooled in a subcooler 6 and discharged as correspondingly subcooled liquid nitrogen product B. A portion expanded in the subcooler 6 for cooling can be combined with the aforementioned material stream e. A portion can also be discharged as so-called purge P. Further overhead gas can be heated in the form of a material stream h in the main heat exchanger 1 and discharged as gaseous nitrogen product C or used as sealing gas D.

Auch in dem in Figur 6 veranschaulichten Beispiel wird aus der ersten Rektifikationskolonne 11 ein Stoffstrom i flüssig ausgeführt, welcher im Kondensatorverdampfer 121 der zweiten Rektifikationskolonne 120 unterkühlt und als Rücklauf auf die zweite Rektifikationskolonne 12 aufgegeben werden kann.Also in the Figure 6 In the example illustrated, a material stream i is discharged in liquid form from the first rectification column 11, which stream is subcooled in the condenser evaporator 121 of the second rectification column 120 and can be fed as reflux to the second rectification column 12.

Aus dem Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne 12 kann ein flüssiger sauerstoffreicher Stoffstrom k abgezogen werden, der hier flüssig in ein Tanksystem 101 eingespeist wird. Aus dem Tanksystem 101 oder einem anderen Tank kann ein entsprechender flüssiger sauerstoffreicher Stoffstrom, hier mit k3 bezeichnet, abgezogen, und anschließend im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und als gasförmiges Sauerstoffprodukt U bereitgestellt werden kann. Die zweite Rektifikationskolonne 12 kann insbesondere derart ausgebildet sein und betrieben werden, dass mittels dieser ein ultrahochreines Sauerstoffprodukt U mit den zuvor erläuterten Spezifikationen bereitgestellt werden kann. Dies muss bei den zweiten Rektifikationskolonnen 12 der Luftzerlegungsanlagen 100 bis 500 nicht der Fall sein.A liquid oxygen-rich stream k can be withdrawn from the bottom of the second rectification column 12 and fed in liquid form into a tank system 101. A corresponding liquid oxygen-rich stream, designated here by k3, can be withdrawn from the tank system 101 or another tank and subsequently heated in the main heat exchanger 1 and provided as gaseous oxygen product U. The second rectification column 12 can in particular be designed and operated in such a way that by means of this An ultra-high-purity oxygen product U with the specifications explained above can be provided. This does not have to be the case for the second rectification columns 12 of air separation plants 100 to 500.

Weitere sauerstoffreiche Flüssigkeit kann analog in Form eines Stoffstroms k1 aus der zweiten Rektifikationskolonne 12 abgezogen, mittels einer Innenverdichtungspumpe 7a auf Druck gebracht und als innenverdichtetes Sauerstoffdruckprodukt E1 bereitgestellt werden. Vom Kopf der zweiten Rektifikationskolonne 12 wird im dargestellten Beispiel ein Stoffstrom I abgezogen, der auch hier zur Bildung des bereits erwähnten Stoffstroms f verwendet wird.Further oxygen-rich liquid can be withdrawn analogously in the form of a stream k1 from the second rectification column 12, pressurized by an internal compression pump 7a, and provided as internally compressed oxygen pressure product E1. In the example shown, a stream I is withdrawn from the top of the second rectification column 12, which is also used here to form the aforementioned stream f.

Aus einem mittleren Bereich der zweiten Rektifikationskolonne 12, insbesondere am Argonübergang, wird ein Stoffstrom m abgezogen, welcher in einem unteren Bereich einer auch hier mit 14 bezeichneten vierten Rektifikationskolonne eingespeist wird. Aus dem Sumpf der vierten Rektifikationskolonne 14 wird wie oben mittels einer Pumpe 8 ein weiterer Stoffstrom n abgezogen und in die zweite Rektifikationskolonne12 zurückgeführt. Vom Kopf der vierten Rektifikationskolonne 14 steigt Kopfgas in einen Kondensationsraum eines Kopfkondensators 141 auf, wird dort zumindest teilweise verflüssigt und als Rücklauf auf die vierte Rektifikationskolonne 14 zurückgeführt. Ein nicht verdampfter Anteil kann an die Atmosphäre A abgegeben werden. Ein Stoffstrom p wird unterhalb des Kopfs der vierten Rektifikationskolonne 14 flüssig abgezogen. Der Stoffstrom p wird mittels einer Pumpe 7b auf Druck gebracht und anschließend in dem Hauptwärmetauscher 1 erwärmt, so dass auf diese Weise ein innenverdichtetes Argonprodukt I bereitgestellt werden kann.From a middle region of the second rectification column 12, in particular at the argon transition, a material stream m is withdrawn and fed into a lower region of a fourth rectification column, also designated 14 here. From the bottom of the fourth rectification column 14, a further material stream n is withdrawn as above by means of a pump 8 and returned to the second rectification column 12. From the top of the fourth rectification column 14, overhead gas rises into a condensation space of a top condenser 141, is at least partially liquefied there and returned as reflux to the fourth rectification column 14. A non-evaporated portion can be released into the atmosphere A. A material stream p is withdrawn in liquid form below the top of the fourth rectification column 14. The material flow p is pressurized by means of a pump 7b and then heated in the main heat exchanger 1, so that in this way an internally compressed argon product I can be provided.

Der Kopfkondensator 141 der vierten Rektifikationskolonne 14 wird auch hier mit Flüssigkeit gekühlt, die dem Kopfkondensator 141 in Form des bereits erwähnten Stoffstroms q3, der hier im weiteren Verlauf mit q bezeichnet ist, zugeführt werden kann. Aus einem Verdampfungsraum des Kopfkondensators 141 der vierten Rektifikationskolonne 14 kann ein Stoffstrom r abgezogen werden, welcher vorzugsweise gegendruckfrei oder im Wesentlichen gegendruckfrei nach Vereinigung mit dem Stoffstrom I und dem nachfolgend erläuterten Stoffstroms s wie bezüglich dieses Stoffstroms I erläutert im Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt werden kann. Auf diese Weise kann ein geringer Druck in dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators 141 eingestellt werden.The top condenser 141 of the fourth rectification column 14 is also cooled here with liquid, which can be fed to the top condenser 141 in the form of the aforementioned stream q3, which is denoted by q hereinafter. A stream r can be withdrawn from an evaporation space of the top condenser 141 of the fourth rectification column 14. This stream r can be heated, preferably without backpressure or essentially without backpressure, in the main heat exchanger 1 after combining with stream I and the stream s explained below, as explained with respect to this stream I, and can be discharged from the air separation plant. In this way, a low pressure can be established in the evaporation space of the top condenser 141.

Flüssigkeit aus dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators 141 der vierten Rektifikationskolonne 14 wird hier in Form des Stoffstroms s abgezogen.Liquid from the evaporation space of the top condenser 141 of the fourth rectification column 14 is withdrawn here in the form of stream s.

In Figur 7 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 700 bezeichnet.In Figure 7 an air separation plant according to a further embodiment of the present invention is illustrated in the form of a schematic plant diagram and designated overall by 700.

Im Gegensatz zu der in Figur 6 veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 600 wird hier ein Teilstrom des Einsatzluftstroms a, der wie erstmalig in Figur 2 mit a1 bezeichnet ist, dem Hauptwärmetauscher 1 auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen und mittels einer wie oben mit 201 bezeichneten Entspannungsmaschine entspannt.In contrast to the Figure 6 In the illustrated air separation plant 600, a partial flow of the feed air flow a, which, as first described in Figure 2 designated a1, is taken from the main heat exchanger 1 at an intermediate temperature level and expanded by means of an expansion machine designated 201 as above.

Der Rest des Einsatzluftstroms a wird zumindest teilweise in die erste Rektifikationskolonne eingespeist, wobei eine Querverbindung a2 zwischen dem Teilstrom a1 und dem Stoffstrom a bereitgestellt ist.The remainder of the feed air stream a is at least partially fed into the first rectification column, wherein a cross connection a2 is provided between the partial stream a1 and the material stream a.

Die in Figur 7 veranschaulichte Luftzerlegungsanlage 700 zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die zweite Rektifikationskolonne 12 als Teil einer Doppelkolonne ausgebildet ist, die zusätzlich eine dritte Rektifikationskolonne 13 aufweist. Der mit a1 bezeichnete und entspannte Anteil des Einsatzluftstroms a wird dabei in einen unteren Bereich dieser dritten Rektifikationskolonne 13 eingespeist.The Figure 7 The air separation plant 700 illustrated is further characterized in that the second rectification column 12 is formed as part of a double column, which additionally has a third rectification column 13. The expanded portion of the feed air stream a, designated a1, is fed into a lower region of this third rectification column 13.

Ein Stoffstrom, der ansonsten vergleichbar wie der Stoffstrom q der vorstehenden Figuren weiterverwendet wird und daher auch hier mit q bezeichnet ist, wird in der Luftzerlegungsanlage 700 unter Verwendung von Sumpfflüssigkeit der dritten Rektifikationskolonne 13 gebildet. Kopfgas der dritten Rektifikationskolonne 13 wird in Form eines Stoffstroms u in dem Kondensatorverdampfer 121 zumindest teilweise verflüssigt und anschließend in Form eines Teilstroms u1 als Rücklauf auf die dritte Rektifikationskolonne 13 sowie in Form eines Teilstroms u2 als Rücklauf auf die zweite Rektifikationskolonne 12 verwendet.A material stream, which is otherwise reused in a manner comparable to the material stream q of the preceding figures and is therefore also designated q here, is formed in the air separation plant 700 using bottom liquid from the third rectification column 13. Top gas from the third rectification column 13 is at least partially liquefied in the form of a material stream u in the condenser evaporator 121 and subsequently used in the form of a partial stream u1 as reflux to the third rectification column 13 and in the form of a partial stream u2 as reflux to the second rectification column 12.

Stickstoffreiche Flüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms v über einen Seitenabzug aus der dritten Rektifikationskolonne 13 entnommen und mittels einer Pumpe, die wie oben mit 501 bezeichnet ist, in die erste Rektifikationskolonne 11 befördert. Ein weiterer Stoffstrom k4 wird gasförmig aus der zweiten Rektifikationskolonne 12 abgezogen und mit den Stoffströmen I und r zu einem hier mit f1 bezeichneten Stoffstrom vereinigt. Der Stoffstrom f1 wird, wie der Stoffstrom f, in dem Hauptwärmetauscher 1 erwärmt und entsprechend verwendet. Die Stoffströme q, i und u2 werden im dargestellten Beispiel in einem gemeinsamen Unterkühler 9 gegen den Stoffstrom I unterkühlt.Nitrogen-rich liquid is withdrawn in the form of a stream v via a side draw from the third rectification column 13 and conveyed by means of a pump, designated 501 as above, into the first rectification column 11. A further stream k4 is withdrawn in gaseous form from the second rectification column 12 and combined with the material streams I and r to form a material stream, designated here as f1. Like the material stream f, the material stream f1 is heated in the main heat exchanger 1 and used accordingly. In the example shown, the material streams q, i, and u2 are subcooled against the material stream I in a common subcooler 9.

Bezüglich weiterer Details sei auf die Erläuterungen zu den vorstehenden Figuren, insbesondere zu den Figuren 5 und 6, ausdrücklich verwiesen. Die gegenüber den vorstehenden Figuren abweichenden Merkmale können auch hier einzeln oder gemeinsam verwirklicht sein.For further details, please refer to the explanations of the above figures, in particular the Figures 5 and 6 , expressly referred to. The features differing from the preceding figures can also be implemented here individually or jointly.

In Figur 8 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 800 bezeichnet.In Figure 8 an air separation plant according to a further embodiment of the present invention is illustrated in the form of a schematic plant diagram and is designated overall by 800.

Die Luftzerlegungsanlage 800 gemäß Figur 8 unterscheidet sich von den zuvor gezeigten und erläuterten Luftzerlegungsanlagen 100 bis 700 insbesondere dadurch, dass eine fünfte Rektifikationskolonne 15 verwendet wird, die als Rektifikationskolonne zur Bereitstellung von hochreinem Sauerstoff eingerichtet ist.The air separation unit 800 according to Figure 8 differs from the previously shown and explained air separation plants 100 to 700 in particular in that a fifth rectification column 15 is used, which is set up as a rectification column for providing high-purity oxygen.

Ferner wird in der Luftzerlegungsanlage 800 der Stoffstrom i in die dritte Rektifikationskolonne 13 eingespeist und in einem Bereich dieser Einspeisung ein Stoffstrom w flüssig entnommen und in die zweite Rektifikationskolonne 12 eingespeist. Die Einspeisung des Stoffstroms i in die zweite Rektifikationskolonne 12 erfolgt also hier "über den Umweg" der dritten Rektifikationskolonne 13. Ferner wird ein Teil der Sumpfflüssigkeit aus der dritten Rektifikationskolonne 13 in Form eines Stoffstroms q4 direkt in die zweite Rektifikationskolonne 12 eingespeist. Dies kommt einer Umgehung des Kopfkondensators 141 der vierten Rektifikationskolonne 14 gleich, der lediglich noch mit dem verbleibenden Rest gespeist wird.Furthermore, in the air separation plant 800, stream i is fed into the third rectification column 13, and in a region of this feed, stream w is withdrawn in liquid form and fed into the second rectification column 12. The feed of stream i into the second rectification column 12 thus takes place "via the detour" of the third rectification column 13. Furthermore, a portion of the bottom liquid from the third rectification column 13 is fed directly into the second rectification column 12 in the form of stream q4. This is equivalent to bypassing the top condenser 141 of the fourth rectification column 14, which is only fed with the remaining residue.

Aus der zweiten Rektifikationskolonne 12 wird ein Stoffstrom m1 entnommen und in einen oberen Teil 15a der fünften Rektifikationskolonne 15 eingespeist, der von einem unteren Teil 15b durch einen Sperrboden 15c getrennt ist. Sich auf dem Sperrboden 15c abscheidende Flüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms n1 in die zweite Rektifikationskolonne 12 zurückgeführt. Die bereits erläuterten Stoffströme r und s werden in die zweite Rektifikationskolonne 12 zurückgespeist. Der obere Teil 15a der fünften Rektifikationskolonne 15 dient insbesondere zur Ausschleusung von Argon, welches zum überwiegenden Teil über einen Stoffstrom m2 in die vierte Rektifikationskolonne 14 überführt wird. Der Stoffstrom m2 umfasst dabei auch Kopfgas des unteren Teils 15b der fünften Rektifikationskolonne 15. Sumpfflüssigkeit der vierten Rektifikationskolonne 14 wird in Form eines Stoffstroms m2 zum Kopf des oberen und unteren Teils 15a, 15b der fünften Rektifikationskolonne 15 geführt.A stream m1 is withdrawn from the second rectification column 12 and fed into an upper section 15a of the fifth rectification column 15, which is separated from a lower section 15b by a barrier plate 15c. Liquid separating from the barrier plate 15c is recycled to the second rectification column 12 in the form of a stream n1. The previously explained streams r and s are fed back into the second rectification column 12. The upper part 15a of the fifth rectification column 15 serves in particular to discharge argon, which is predominantly transferred via a stream m2 into the fourth rectification column 14. The stream m2 also includes overhead gas from the lower part 15b of the fifth rectification column 15. Bottom liquid from the fourth rectification column 14 is fed in the form of a stream m2 to the top of the upper and lower parts 15a, 15b of the fifth rectification column 15.

Die fünfte Rektifikationskolonne 15 ist mit einem Kondensatorverdampfer 151 versehen, der mit einem stickstoffreichen Gas betrieben wird, welches aus der dritten Rektifikationskolonne 13 in Form eines Stoffstroms x entnommen, in dem Kondensatorverdampfer 151 zumindest teilweise verflüssigt, und in die dritte Rektifikationskolonne 13 zurückgeführt wird.The fifth rectification column 15 is provided with a condenser-evaporator 151 which is operated with a nitrogen-rich gas which is taken from the third rectification column 13 in the form of a stream x, at least partially liquefied in the condenser-evaporator 151 and returned to the third rectification column 13.

Auch dem hier dargestellten Beispiel wird dem Sumpf der zweiten Rektifikationskolonne 12 ein Stoffstrom k entnommen und in ein Tanksystem 101 überführt. Anschließend erfolgt hier jedoch eine Innenverdichtung mittels einer Pumpe 7c. Ferner wird der fünften Rektifikationskolonne 5 ultrahochreiner Sauerstoff in Form eines Stoffstroms k5 entnommen. Dieser wird in ein Tanksystem 102 überführt, dort zwischengespeichert, in dem Hauptwärmetauscher1 verdampft und als ultrahochreines Sauerstoffprodukt U1 bereitgestellt. Auch eine Zwischenspeicherung des Argonprodukts in einem Tanksystem 103 ist möglich.In the example presented here, a stream k is also taken from the bottom of the second rectification column 12 and transferred to a tank system 101. However, this is subsequently internally compressed by means of a pump 7c. Furthermore, ultra-high-purity oxygen in the form of a stream k5 is taken from the fifth rectification column 5. This is transferred to a tank system 102, temporarily stored there, evaporated in the main heat exchanger 1, and provided as ultra-high-purity oxygen product U1. Intermediate storage of the argon product in a tank system 103 is also possible.

Bezüglich weiterer Details sei auf die Erläuterungen zu den vorstehenden Figuren, insbesondere zu den Figuren 5 bis 7, ausdrücklich verwiesen. Die gegenüber den vorstehenden Figuren abweichenden Merkmale können auch hier einzeln oder gemeinsam verwirklicht sein.For further details, please refer to the explanations of the above figures, in particular the Figures 5 to 7 , expressly referred to. The features differing from the preceding figures can also be implemented here individually or jointly.

Die Figuren 9 bis 28 veranschaulichen eine Reihe weiterer Varianten von Luftzerlegungsanlagen gemäß Ausführungsformen der Erfindung und gemäß nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltungen. Wenngleich hier teilweise für bestimmte Stoffströme und Apparate andere Bezeichnungen als in den vorstehenden Figuren verwendet werden, können diese einander auch entsprechen.The Figures 9 to 28 illustrate a number of further variants of air separation plants according to embodiments of the invention and according to non-inventive configurations. Although different designations are used here for certain material streams and apparatus than in the preceding figures, these may also correspond to one another.

In Figur 9 ist lediglich als Grundlage der Erläuterungen zu den nachfolgenden Figuren eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage mit einer Sauerstoffkolonne neben der ersten Rektifikationskolonne 11, also einer zweiten Rektifikationskolonne 12, jedoch ohne weitere Rektifikationskolonnen, veranschaulicht und insgesamt mit 900 bezeichnet. Der überwiegende Anteil der in Figur 9 veranschaulichten Komponenten wurde bereits mehrfach erläutert. Wie in Figur 9 veranschaulicht, kann ein weiterer Speichertank 104 eingesetzt werden und der Stoffstrom I kann separat durch den Hauptwärmetauscher 1 geführt werden.In Figure 9 merely as a basis for the explanations of the following figures, an air separation plant not according to the invention with an oxygen column next to the first rectification column 11, i.e. a second rectification column 12, but without further rectification columns, is illustrated and designated overall by 900. The majority of the Figure 9 The components illustrated have already been explained several times. As in Figure 9 As illustrated, a further storage tank 104 can be used and the material flow I can be passed separately through the main heat exchanger 1.

In Figur 10 ist eine Luftzerlegungsanlage veranschaulicht und mit 1000 bezeichnet, die eine ebenfalls nicht erfindungsgemäße Variante der Luftzerlegungsanlage 900 gemäß Figur 9 darstellt, und bei der der zweiten Rektifikationskolonne 12 ein Stoffstrom k6 über einen Zwischenabzug entnommen und ggf. nach Zwischenspeicherung in einem Puffertank 105 und Innenverdichtung in einer Innenverdichtungspumpe 7d und Erwärmung im Hauptwärmetauscher 1 als entsprechendes Sauerstoffprodukt U2 ausgeführt wird.In Figure 10 an air separation plant is illustrated and designated 1000, which is a variant of the air separation plant 900 according to Figure 9 and in which a material stream k6 is withdrawn from the second rectification column 12 via an intermediate draw-off and, if necessary, after intermediate storage in a buffer tank 105 and internal compression in an internal compression pump 7d and heating in the main heat exchanger 1, is discharged as the corresponding oxygen product U2.

In Figur 11 ist eine weitere nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage veranschaulicht und mit 1100 bezeichnet, die eine weitere Variante der Anlagen 900 und 1000 gemäß den Figuren 9 und 10 darstellt. Die Luftzerlegungsanlage 1100 umfasst eine vierte Rektifikationskolonne 14, der der mehrfach erläuterte Stoffstrom p in flüssiger Form, entnommen wird. Entsprechendes Argon kann in einem Puffertank 103 zwischengespeichert und nach einer Innenverdichtung in einer Innenverdichtungspumpe 7b und Erwärmung im Hauptwärmetauscher 1 als entsprechendes Argonprodukt I ausgeführt werden.In Figure 11 a further air separation plant not according to the invention is illustrated and designated 1100, which is a further variant of the plants 900 and 1000 according to the Figures 9 and 10 The air separation plant 1100 comprises a fourth rectification column 14, from which the previously explained material stream p is withdrawn in liquid form. The corresponding argon can be temporarily stored in a buffer tank 103 and, after internal compression in an internal compression pump 7b and heating in the main heat exchanger 1, discharged as the corresponding argon product I.

Wie hier mit 1101 veranschaulicht, kann kaltseitig des Hauptwärmetauschers 1 eine Querverbindung zwischen den Stoffströmen f und I bereitgestellt sein. Diese Querverbindung kann insbesondere für den Fall eines Ausfalls einer oder mehrerer Rektifikationskolonnen aktiviert werden, um auf diese Weise die Luftzerlegungsanlage 1100 nicht insgesamt stilllegen zu müssen.As illustrated here with 1101, a cross connection between the material streams f and I can be provided on the cold side of the main heat exchanger 1. This cross connection can be activated in particular in the event of a failure of one or more rectification columns, in order to avoid having to shut down the air separation plant 1100 entirely.

Wie mit 1102 veranschaulicht, können in dieser Ausgestaltung ferner am Kopf der zweiten Rektifikationskolonne 12 extern bereitgestellter Flüssigstickstoff und ein flüssiger, stickstoffreicher Stoffstrom i1 aus der ersten Rektifikationskolonne aufgegeben werden. Letzterer weist einen geringeren Stickstoffgehalt als das Kopfgas der zweiten Rektifikationskolonne 12 auf. Ein zusätzlicher Trennabschnitt in der zweiten Rektifikationskolonne 12 ist mit 1103 bezeichnet.As illustrated by 1102, in this embodiment, externally provided liquid nitrogen and a liquid, nitrogen-rich stream i1 from the first rectification column The latter has a lower nitrogen content than the top gas of the second rectification column 12. An additional separation section in the second rectification column 12 is designated 1103.

Aus der zweiten Rektifikationskolonne 12 wird ein Stoffstrom k7 entnommen, mit dem Stoffstrom I vereinigt, und in Form dieses der Einfachheit halber weiter mit I bezeichneten Stoffstroms aus- bzw. dem warmen Teil 110 zugeführt. Auf diese Weise kann insgesamt die Ausbeute an gasförmigem, innenverdichtetem Argon (Stoffstrom p bzw. Produkt I) erhöht werden. Dem Stoffstrom I wird der Stoffstrom r zugespeist, wohingegen der Stoffstrom s zur Bildung des Stoffstroms f verwendet wird.A stream k7 is withdrawn from the second rectification column 12, combined with stream I, and discharged in the form of this stream, referred to as I for simplicity, or fed to the warm section 110. In this way, the overall yield of gaseous, internally compressed argon (stream p or product I) can be increased. Stream r is fed to stream I, whereas stream s is used to form stream f.

In Figur 12 ist eine weitere nicht erfindungsmäße Luftzerlegungsanlage veranschaulicht und mit 1200 bezeichnet, die insbesondere eine Variante der Luftzerlegungsanlage 1100 gemäß Figur 11 darstellt. Die Luftzerlegungsanlage 1200 weist die weitere Entspannungsmaschine 201 auf. Der Teilstrom a1 wird in dieser weiteren Entspannungsmaschine 201 entspannt und wie mehrfach erläutert verwendet.In Figure 12 a further air separation plant not according to the invention is illustrated and designated 1200, which in particular is a variant of the air separation plant 1100 according to Figure 11 The air separation plant 1200 has the further expansion machine 201. The partial stream a1 is expanded in this further expansion machine 201 and used as explained several times.

Der nicht in der Entspannungsmaschine 201 entspannte Rest des Stoffstroms a wird vergleichbar mit dem Stoffstrom wird vergleichbar mit dem zuvor erläuterten Stoffstrom b behandelt und ist daher entsprechend bezeichnet. Ferner ist hier ein bereits mehrfach erläuterter Unterkühler 9 gezeigt. Die zweite Rektifikationskolonne 12 ist mit ihrem tiefsten Punkt insbesondere mehr als 6 m oberhalb des tiefsten Punkts der ersten Rektifikationskolonne 11 angeordnet.The remainder of stream a not expanded in the expansion machine 201 is treated in a manner comparable to the previously explained stream b and is therefore designated accordingly. Furthermore, a subcooler 9, already explained several times, is shown here. The second rectification column 12 is arranged, with its lowest point, more than 6 m above the lowest point of the first rectification column 11.

In Figur 13 ist eine Luftzerlegungsanlage veranschaulicht und mit 1300 bezeichnet, die insbesondere eine Variante der Luftzerlegungsanlage 1200 gemäß Figur 12, im Gegensatz zu dieser aber eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, darstellt.In Figure 13 an air separation plant is illustrated and designated 1300, which in particular is a variant of the air separation plant 1200 according to Figure 12 , but in contrast to this, represents an embodiment of the present invention.

Die Luftzerlegungsanlage 1200 weist die mehrfach erläuterte dritte Rektifikationskolonne 13 und die fünfte Rektifikationskolonne 15 auf, die bereits zu Figur 8 eingehender erläutert wurden. Auf die Ausführungen zu Luftzerlegungsanlage 800 gemäß Figur 8 wird daher auch bezüglich der Anlage 900 ausdrücklich verwiesen.The air separation plant 1200 has the third rectification column 13 and the fifth rectification column 15, which have already been explained Figure 8 The explanations for air separation unit 800 according to Figure 8 is therefore also expressly referred to in Annex 900.

Abweichend zur Luftzerlegungsanlage 800 gemäß Figur 8 erfolgt hier insbesondere eine Einspeisung von externem Flüssigstickstoff X in die zweite Rektifikationskolonne 12 und ein Teilstrom des Stoffstroms r wird mit dem Stoffstrom I und dem Stoffstrom k3 vereinigt. Dies ist insbesondere deshalb der Fall, weil in der zweiten Rektifikationskolonne 12 kein Bedarf nach dem vollständigen Rücklauf besteht bzw. diesbezüglich ein Optimum herrscht. Wie veranschaulicht, wird der Stoffstrom i hier im Kondensatorverdampfer 121 unterkühlt, bevor er in die zweite Rektifikationskolonne 12 eingespeist wird.Deviating from the air separation plant 800 according to Figure 8 In particular, external liquid nitrogen X is fed into the second rectification column 12, and a partial stream of stream r is combined with stream I and stream k3. This is particularly the case because there is no need for complete reflux in the second rectification column 12, or rather, an optimum exists in this regard. As illustrated, stream i is subcooled here in the condenser evaporator 121 before being fed into the second rectification column 12.

In Figur 14 ist eine Luftzerlegungsanlage veranschaulicht und mit 1400 bezeichnet, die insbesondere eine erfindungsgemäße Variante der Luftzerlegungsanlage 1300 gemäß Figur 13 darstellt. Die Luftzerlegungsanlage 1400 ist dafür eingerichtet, ein weiteres Druckstickstoffprodukt D1 bereitzustellen.In Figure 14 an air separation plant is illustrated and designated 1400, which in particular comprises a variant according to the invention of the air separation plant 1300 according to Figure 13 The air separation unit 1400 is designed to provide an additional pressurized nitrogen product D1.

Hierzu wird der Kopfstrom der zweiten Rektifikationskolonne 12 mit höherer Reinheit gewonnen als zuvor der Stoffstrom I. Dieser ist daher hier mit I1 bezeichnet. Dies wird erreicht, indem unterhalb des Kopfs ein weiterer Stoffstrom I2 aus der zweiten Rektifikationskolonne 12 abgezogen wird. Ferner ist die zweite Rektifikationskolonne hier mit einem weiteren Trennabschnitt 12a versehen. Die veranschaulichte Ausgestaltung wirkt sich auch positiv auf Argonausbeute und -reinheit aus.For this purpose, the top stream of the second rectification column 12 is obtained with a higher purity than the previous stream I. This is therefore designated I1 here. This is achieved by withdrawing an additional stream I2 from the second rectification column 12 below the top. Furthermore, the second rectification column is provided with an additional separation section 12a. The illustrated design also has a positive effect on argon yield and purity.

Die in der Luftzerlegungsanlage 1300 gemäß Figur 13 mit dem Stoffstrom I vereinigten Stoffströme werden nun mit dem Stoffstrom I2 zu einem der Einfachheit halber wieder mit I bezeichneten Stoffstrom vereinigt. Der Stoffstrom I1 wird nach einer Anwärmung im Hauptwärmetauscher 1 teilweise in einem externen Verdichter 1401 verdichtet. Ein weiterer Teil gelangt in den warmen Teil 110. Weitere Details hierzu sind auch in den Figuren 27 und 28 noch näher veranschaulicht.The air separation plant 1300 according to Figure 13 The material streams combined with material stream I are now combined with material stream I2 to form a material stream, which for the sake of simplicity is again designated I. After being heated in the main heat exchanger 1, material stream I1 is partially compressed in an external compressor 1401. A further part enters the warm part 110. Further details can be found in the Figures 27 and 28 illustrated in more detail.

In Figur 15 ist eine Luftzerlegungsanlage veranschaulicht und insgesamt mit 1500 bezeichnet, die insbesondere eine erfindungsgemäße Variante der Luftzerlegungsanlage 1400 gemäß Figur 14 darstellt.In Figure 15 an air separation plant is illustrated and designated overall by 1500, which in particular comprises a variant of the air separation plant 1400 according to the invention according to Figure 14 represents.

Die in der Luftzerlegungsanlage 1400 gemäß Figur 14 lediglich zur Bildung des Stoffstroms q verwendete Sumpfflüssigkeit der dritten Rektifikationskolonne 13 wird hier teilweise zur Bildung eines Stoffstroms q4 (siehe hierzu auch Luftzerlegungsanlage 800 gemäß Figur 8) verwendet, der auf die zweite Rektifikationskolonne 12 aufgegeben wird. Die zweite Rektifikationskolonne 12 und die Einspeisestelle des Stoffstroms i werden entsprechend angepasst.The air separation plant 1400 according to Figure 14 The bottoms liquid of the third rectification column 13, which is only used to form the material stream q, is partly used here to form a material stream q4 (see also air separation plant 800 according to Figure 8 ) is used, which refers to the second rectification column 12. The second rectification column 12 and the feed point of stream i are adjusted accordingly.

In Figur 16 ist eine Luftzerlegungsanlage veranschaulicht und mit 1600 bezeichnet, die eine insbesondere erfindungsgemäße Variante der Luftzerlegungsanlage 1500 gemäß Figur 15 darstellt.In Figure 16 an air separation plant is illustrated and designated 1600, which is a particularly inventive variant of the air separation plant 1500 according to Figure 15 represents.

Der in den zuvor erläuterten Anlagen 800 und 1300 bis 1500 gebildete Stoffstrom x wird hier nicht entsprechend verwendet. Stattdessen wird ein Stoffstrom x1als Teilstrom des der dritten Rektifikationskolonne 13 entnommenen Kopfgases abgezweigt und zum Teil, wie zuvor der Stoffstrom x, in dem Kondensatorverdampfer 151 verflüssigt und als Rücklauf auf die dritte Rektifikationskolonne 13 zurückgeführt. Ein weiterer Teil wird in Form eines Stoffstroms x2 erwärmt und zumindest zum Teil als ein weiteres Stickstoffprodukt D2 aus der Luftzerlegungsanlage 1600 ausgeführt.The material stream x formed in the previously explained plants 800 and 1300 to 1500 is not used here. Instead, a material stream x1 is branched off as a substream of the overhead gas withdrawn from the third rectification column 13 and, like the material stream x previously, is partially liquefied in the condenser evaporator 151 and returned as reflux to the third rectification column 13. A further portion is heated in the form of a material stream x2 and at least partially discharged as another nitrogen product D2 from the air separation plant 1600.

In Figur 17 ist eine Luftzerlegungsanlage veranschaulicht und mit 1700 bezeichnet, die insbesondere eine erfindungsgemäße Variante der Anlagen gemäß der vorigen Figuren darstellt, in denen eine fünfte Rektifikationskolonne 15 eingesetzt wird. Diese ist hier jedoch in modifizierter Form vorhanden und wie zuvor mit 15a bezeichnet.In Figure 17 An air separation plant is illustrated and designated 1700, which in particular represents a variant according to the invention of the plants according to the previous figures, in which a fifth rectification column 15 is used. However, this is present here in a modified form and, as before, is designated 15a.

Die Rektifikationskolonne 15a entspricht dem oberen Teil 15a der fünften Rektifikationskolonne 15 der bisherigen Figuren. Von ihrem Kopf wird ein Stoffstrom m3 in die vierte Rektifikationskolonne 14 überführt und dabei in einen Bereich oberhalb des Sumpfs, der funktional dem unteren Teil 15b der fünften Rektifikationskolonne 15 der bisherigen Figuren entspricht, und der daher hier mit 15b' bezeichnet ist, eingespeist. Hier anfallende Flüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms n3 mittels einer nicht gesondert bezeichneten Pumpe auf die Rektifikationskolonne 15a zurückgepumpt. Durch die Ausgestaltung gemäß Figur 17 kann insbesondere Buntmetallfreiheit im Sauerstoffprodukt U erreicht werden, weil durch eben diese Anordnung das Fluid, das zur Teilsäule 15b' geführt wird nicht mit einem üblicherweise aus Bronze bestehendem Laufrad einer Pumpe in Kontakt kommt.The rectification column 15a corresponds to the upper part 15a of the fifth rectification column 15 of the previous figures. From its top, a stream m3 is transferred to the fourth rectification column 14 and fed into a region above the bottom, which functionally corresponds to the lower part 15b of the fifth rectification column 15 of the previous figures and is therefore designated here by 15b'. The liquid obtained here is pumped back to the rectification column 15a in the form of a stream n3 by means of a pump (not specifically designated). Due to the design according to Figure 17 In particular, freedom from non-ferrous metals in the oxygen product U can be achieved because, thanks to this arrangement, the fluid which is fed to the sub-column 15b' does not come into contact with a pump impeller which is usually made of bronze.

In Figur 18 und 19 sind Varianten von Anlagen veranschaulicht und mit 1800 und 1900 bezeichnet, bei denen im Wesentlichen der warme Teil 110 und die Führung von Stoffströmen durch den Hauptwärmetauscher 1 modifiziert sind. Nur dieser warme Teil 110 und ein Abschnitt des Hauptwärmetauschers 1 sowie für das Verständnis dieser Variante erforderliche Stoffströme sind in Figur 18 und 19 dargestellt.In Figures 18 and 19 Variants of systems are illustrated and designated 1800 and 1900, in which essentially the warm part 110 and the flow of material through the main heat exchanger 1 are modified. Only this warm part 110 and a section of the main heat exchanger 1 as well as material flows required for understanding this variant are shown in Figures 18 and 19 shown.

Die in dem Hauptluftverdichter 112 verdichtete, abgekühlte und gereinigte Luft wird gemäß Figur 18 in Teilströme a2 und a3 aufgeteilt, von denen der Teilstrom a2 vom warmen zum kalten Ende durch den Hauptwärmetauscher 1 geführt wird. Der Stoffstrom a3 wird hingegen mittels eines Verdichters oder einer Verdichterstufe 112a, der oder die mit dem Hauptluftverdichter 112 gekoppelt ist, weiter verdichtet und danach wie der Stoffstrom a der vorigen Figuren behandelt. Insbesondere wird ein hier wie zuvor mit a1 bezeichneter Teilstrom in der Entspannungsmaschine 201 entspannt und danach mit dem Stoffstrom a2 vereinigt. Wie in der Variante gemäß Figur 19 veranschaulicht, kann auch auf eine Entspannungsmaschine 201 und die Bildung des Stoffstroms a1 verzichtet werden.The air compressed, cooled and cleaned in the main air compressor 112 is Figure 18 divided into partial streams a2 and a3, of which partial stream a2 is passed from the warm to the cold end through the main heat exchanger 1. The material stream a3, however, is further compressed by means of a compressor or a compressor stage 112a, which is coupled to the main air compressor 112, and then treated like the material stream a of the previous figures. In particular, a partial stream, designated here as before with a1, is expanded in the expansion machine 201 and then combined with the material stream a2. As in the variant according to Figure 19 As illustrated, an expansion machine 201 and the formation of the material flow a1 can also be dispensed with.

Durch den Einsatz der in den Figuren 18 und 19 veranschaulichten Maßnahmen kann der Energieverbrauch verringert werden, da nicht die gesamte Luft auf einen hohen Druck gebracht werden muss, sondern lediglich der Anteil des Stoffstroms a3.By using the Figures 18 and 19 The measures illustrated can reduce energy consumption because not all of the air needs to be brought to a high pressure, but only the portion of the material flow a3.

In Figur 20 ist eine Variante einer erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage veranschaulicht und mit 2000 bezeichnet, die Gemeinsamkeiten mit der Luftzerlegungsanlage 800 gemäß Figur 8 und anderer zuvor beschriebener Anlagen aufweist, insbesondere bezüglich der Behandlung der Stoffströme i und w. Dadurch kann die dritte Rektifikationskolonne 13 zur Zerlegung des Stromes i genutzt werden und es kann ein höherer Anteil an Stickstoffprodukt gewonnen werden. Auf die obigen Ausführungen wird verwiesen und es werden hier und nachfolgend lediglich wenige Stoffströme individuell bezeichnet.In Figure 20 a variant of an air separation plant according to the invention is illustrated and designated 2000, which has similarities with the air separation plant 800 according to Figure 8 and other previously described plants, particularly with regard to the treatment of streams i and w. This allows the third rectification column 13 to be used to separate stream i, and a higher proportion of nitrogen product can be obtained. Reference is made to the above explanations, and only a few streams are individually identified here and below.

Die Ausgestaltung gemäß Figur 20 (und gemäß Figur 8) hat den besonderen Vorteil, dass der Kondensatorverdampfer 121 vereinfacht und eine ebenfalls vereinfachte Regelung verwendet werden kann. Der Stoffstrom w kann insbesondere wie ein herkömmlicher Joule-Thomson-Strom geregelt werden.The design according to Figure 20 (and according to Figure 8 ) has the particular advantage that the condenser-evaporator 121 is simplified and a similarly simplified control system can be used. In particular, the material flow w can be controlled like a conventional Joule-Thomson flow.

In einer erfindungsgemäßen Variante hiervon, die in Figur 21 dargestellt und mit 2100 bezeichnet ist, wird unter Verwendung von Sumpfflüssigkeit der vierten Rektifikationskolonne 14 ein Stoffstrom q5 gebildet, mittels einer Pumpe 7e durch den modifizierten Wärmetauscher 2, der hier mit 2a bezeichnet ist, geführt und dabei abgekühlt und anschließend in die dritte Rektifikationskolonne 13 zurückgeführt. Hierdurch kann insbesondere die Gewinnung von Stickstoff in der dritten Rektifikationskolonne 13 verbessert werden, wodurch höhere Ausbauten an allen Produkten möglich wird.In a variant of this invention, which is described in Figure 21 and is designated 2100, a material stream q5 is formed using bottom liquid from the fourth rectification column 14, by means of a pump 7e through the modified heat exchanger 2, designated here as 2a, and cooled and then returned to the third rectification column 13. This can, in particular, improve the recovery of nitrogen in the third rectification column 13, thereby enabling higher expansions of all products.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante, die in Figur 22 dargestellt und mit 2200 bezeichnet ist, wird ein durch Sumpfflüssigkeit der fünften Rektifikationskolonne 15 gebildeter Stoffstrom k5 entsprechend behandelt und in die fünfte Rektifikationskolonne 15 zurückgeführt.In a further variant of the invention, which is Figure 22 and designated 2200, a material stream k5 formed by bottom liquid of the fifth rectification column 15 is treated accordingly and returned to the fifth rectification column 15.

In Figur 23 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und mit 2300 bezeichnet. Diese unterscheidet sich von den zuvor gezeigten Ausgestaltungen insbesondere durch einen im Sumpf der dritten Rektifikationskolonne 13 angeordneten Kondensatorverdampfer 131. Funktionell kann dies als Aufteilung des Kondensatorverdampfers in der zweiten Rektifikationskolonne 12, der hier mit 121a bezeichnet ist, betrachtet werden. Auf diese Weise kann die Gewinnung von Stickstoff in der zweiten Rektifikationskolonne 12 bzw. der dritten Rektifikationskolonne 13 verbessert werden.In Figure 23 An air separation plant according to a further embodiment of the invention is illustrated and designated 2300. This differs from the previously shown embodiments in particular by a condenser-evaporator 131 arranged in the bottom of the third rectification column 13. Functionally, this can be considered a division of the condenser-evaporator in the second rectification column 12, which is designated here by 121a. In this way, the recovery of nitrogen in the second rectification column 12 or the third rectification column 13 can be improved.

Wie hier dargestellt, kann der zweiten Rektifikationskolonne 2 über einen Seitenabzug Fluid in Form eines Stoffstroms i2 entnommen, durch den Kondensatorverdampfer 141 geführt, dabei zumindest teilweise verflüssigt und in die dritte Rektifikationskolonne 13 eingespeist werden. Auf gleicher Höhe kann der dritten Rektifikationskolonne 13 Flüssigkeit entnommen und in die zweite Rektifikationskolonne 12 mittels einer Pumpe 7r zurückgeführt werden.As shown here, fluid in the form of a stream i2 can be withdrawn from the second rectification column 2 via a side draw, passed through the condenser evaporator 141, at least partially liquefied, and fed into the third rectification column 13. At the same height, liquid can be withdrawn from the third rectification column 13 and returned to the second rectification column 12 by means of a pump 7r.

Eine nicht erfindungsgemäße Variante zeigt Figur 24 anhand der mit 2400 bezeichneten Anlage, der die dritte Rektifikationskolonne 13 fehlt bzw. bei der deren Funktion in die erste Rektifikationskolonne 11 integriert ist. Der Stoffstrom i2 wird hier im Hauptwärmetauscher 1 teilerwärmt, in einer Entspannungsmaschine 201a entspannt, im Hautpwärmetauscher 1 wieder abgekühlt und zu einem Anteil durch den Kondensatorverdampfer 121 der zweiten Rektifikationskolonne geführt, dabei zumindest teilweise verflüssigt, und wiederum in Anteilen auf die erste und zweite Rektifikationskolonne 11, 12 aufgegeben. Die Entspannungsmaschine 201a ist beispielsweise mit einem Generator gekoppelt.A variant not according to the invention shows Figure 24 based on the plant designated 2400, which lacks the third rectification column 13 or in which its function is integrated into the first rectification column 11. The material stream i2 is partially heated in the main heat exchanger 1, expanded in an expansion machine 201a, cooled again in the main heat exchanger 1 and fed in part through the condenser evaporator 121 of the second rectification column, thereby at least partially liquefied, and again in part to the first and second Rectification column 11, 12. The expansion machine 201a is coupled, for example, to a generator.

In Figur 25 ist eine wiederum erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und insgesamt mit 2500 bezeichnet. Diese unterscheidet sich von den vorherigen Anlagen, in denen ein Stoffstrom a1 gebildet und entspannt wird, durch die weitere Behandlung dieses Stoffstroms a1.In Figure 25 An air separation plant according to the invention is illustrated in accordance with a further embodiment of the present invention and is designated overall by 2500. This differs from the previous plants, in which a material stream a1 is formed and expanded, by the further treatment of this material stream a1.

Der Teilstrom a1 wird in der Luftzerlegungsanlage 2500 in Teilströme a4 und a5 aufgeteilt, deren Anteile jeweils über nicht gesondert bezeichnete Ventile eingestellt werden können. Der Teilstrom a4 wird dabei anstelle des Teilstroms e, wie dies zuvor der Fall ist, in der Entspannungsmaschine 3 und ggf. dem parallelen Entspannungsventil entspannt und damit teilweise zum Antrieb des Verdichters 5 eingesetzt. Der Teilstrom a5 wird, wie zuvor der gesamte Teilstrom a1, beispielsweise in die dritte Rektifikationskolonne 13 eingespeist. Der Stoffstrom e wird gleichwohl gebildet und teilweise wie zuvor behandelt, jedoch nicht mittels der Entspannungsmaschine 3 und dem Entspannungsventil 4 entspannt. Er wird in die dritte Rektifikationskolonne 13 unterhalb des Stoffstroms a5 eingespeist. Die dritte Rektifikationskolonne 13 kann hierbei mit einem zusätzlichen Trennabschnitt 13a versehen werden.In the air separation plant 2500, the partial stream a1 is divided into partial streams a4 and a5, the proportions of which can each be adjusted via valves not specifically designated. Instead of partial stream e, as was previously the case, the partial stream a4 is expanded in the expansion machine 3 and, if applicable, the parallel expansion valve and is thus partially used to drive the compressor 5. The partial stream a5, like the entire partial stream a1 previously, is fed, for example, into the third rectification column 13. The material stream e is nevertheless formed and partially treated as before, but is not expanded by means of the expansion machine 3 and the expansion valve 4. It is fed into the third rectification column 13 below the material stream a5. The third rectification column 13 can be provided with an additional separation section 13a.

Durch die in Figur 25 veranschaulichten Maßnahmen können die Rektifikationskolonnen 11 bis 15 thermisch gekoppelt werden. Restgas aus der ersten Rektifikationskolonne 11 kann zur Argon-, Sauerstoff- und Stickstoffgewinnung genutzt werden. Der Strom e kann ganz oder teilweise zur zweiten Rektifikationssäule 12 geführt werden. Der Rest kann über die Entspannungsmaschine 3 als Restgas zur Verwendung im warmen Teil 110 abgegeben werden.Through the Figure 25 Using the measures illustrated, the rectification columns 11 to 15 can be thermally coupled. Residual gas from the first rectification column 11 can be used to recover argon, oxygen, and nitrogen. Stream e can be fed in whole or in part to the second rectification column 12. The remainder can be discharged via the expansion machine 3 as residual gas for use in the warm section 110.

In Figur 26 ist eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und insgesamt mi5 2600 bezeichnet. Diese stellt insbesondere eine Variante der Luftzerlegungsanlage 2500 dar. Der Teilstrom a1 wird auch hier in Teilströme a4 und a5 aufgeteilt, wobei der Stoffstrom a4 hier aber dem Stoffstrom I zugespeist wird, bevor dieser erwärmt und ausgeleitet bzw. dem warmen Teil 110 zugeführt wird. Der Teilstrom a5 wird in die zweite Rektifikationskolonne 12 eingespeist. Die Funktion der Entspannungsturbine 201 entspricht daher hier jener einer Lachmann-Turbine. Durch die veranschaulichten Maßnahmen können die Rektifikationskolonnen 11 bis 15 thermisch gekoppelt werden.In Figure 26 An air separation plant according to a further embodiment of the present invention is illustrated and designated overall mi5 2600. This represents in particular a variant of the air separation plant 2500. The partial stream a1 is also divided into partial streams a4 and a5, whereby the material stream a4 is fed to the material stream I before it is heated and discharged or fed to the warm part 110. The partial stream a5 is fed into the second The heat is fed into rectification column 12. The function of expansion turbine 201 therefore corresponds to that of a Lachmann turbine. The measures illustrated allow the rectification columns 11 to 15 to be thermally coupled.

Der Teilstrom d wird wie zuvor gebildet und verdichtet, wobei ein hierzu verwendeter Verdichter, der deshalb abweichend mit 5a bezeichnet ist, hier aber rein motorisch angetrieben wird. Der Teilstrom e wird, wie zuvor zu Figur 25 erläutert, in die vierte Rektifikationskolonne 14 eingespeist.The partial flow d is formed and compressed as before, whereby a compressor used for this purpose, which is therefore denoted as 5a, is driven purely by a motor. The partial flow e is, as before, Figure 25 explained, fed into the fourth rectification column 14.

In den in Figuren 27 und 28 in Teildarstellung veranschaulichten Luftzerlegungsanlagen 2700 und 2800 gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird der erstmals zu Figur 14 erwähnte Stoffstrom I1 gebildet. Zu den dortigen Erläuterungen wird ausdrücklich verwiesen. Wie in Figur 28 anhand der Luftzerlegungsanlage 2800 veranschaulicht, kann dabei der Stoffstrom I1 zunächst im Hauptwärmetauscher 1 teilerwärmt, in einem Verdichter 201b, der mit der Entspannungsmaschine 201 gekoppelt ist, verdichtet, anschließend auf einem Zwischentemperaturniveau erneut dem Hauptwärmetauscher 1 zugeführt, weiter erwärmt, und anschließend dem Verdichter 1401 zugeführt werden.In the Figures 27 and 28 In the partial representation of the air separation plants 2700 and 2800 according to embodiments of the invention, the first time Figure 14 material stream I1 mentioned above. Reference is expressly made to the explanations therein. As in Figure 28 As illustrated by the air separation plant 2800, the material flow I1 can first be partially heated in the main heat exchanger 1, compressed in a compressor 201b coupled to the expansion machine 201, then fed back to the main heat exchanger 1 at an intermediate temperature level, further heated, and then fed to the compressor 1401.

Wie in Figur 29 in Teildarstellung veranschaulicht, kann in einer Luftzerlegungsanlage 2900 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auch der Stickstoff des Stoffstroms h wie zuvor bezüglich Figuren 28 und 29 veranschaulicht, entsprechend verdichtet werden. Die Verwendung des hier mit 1401' bezeichneten Verdichters ist optional.As in Figure 29 illustrated in partial representation, in an air separation plant 2900 according to an embodiment of the invention, the nitrogen of the material stream h can also be separated as before with respect to Figures 28 and 29 illustrated, be compressed accordingly. The use of the compressor designated 1401' here is optional.

In Figur 30 ist eine Luftzerlegungsanlage 3000 gemäß nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht.In Figure 30 an air separation plant 3000 according to a non-inventive embodiment is illustrated in the form of a schematic plant diagram.

Die Luftzerlegungsanlage 3000 gemäß Figur 30 weist große Gemeinsamkeiten mit der in Figur 1 veranschaulichten, ebenfalls nicht erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage 100 auf. Es werden nachfolgend nur Unterschiede erläutert.The air separation unit 3000 according to Figure 30 has great similarities with the Figure 1 illustrated, also not according to the invention. Only differences are explained below.

Der Teilstrom c wird hier, nachdem er durch den Kondensatorverdampfer 121 der zweiten Rektifikationskolonne 12 geführt wurde, nicht mit weiteren Stoffströmen vereinigt, bevor er in die erste Rektifikationskolonne 11 eingespeist wird. Ferner wird hier kein Teil des Stoffstroms e wie in Figur 1 bzw. der Luftzerlegungsanlage 100 der Stoffstrom e1 abgezweigt, so dass hier der gesamte Stoffstrom e dem Wärmetauscher 2 zugeführt wird. Die Entspannung des Stoffstroms e erfolgt hier in Form zweier Teilströme in zwei Entspannungsmaschinen 3 und 4. Die Entspannungsmaschine 4 ist mit einem Generator gekoppelt.Here, the partial stream c, after being passed through the condenser evaporator 121 of the second rectification column 12, is not combined with other streams before being fed into the first rectification column 11. Furthermore, no part of the stream e is combined here as in Figure 1 or the air separation plant 100 of the Material flow e1 is branched off, so that the entire material flow e is fed to heat exchanger 2. The expansion of material flow e takes place here in the form of two partial flows in two expansion machines 3 and 4. The expansion machine 4 is coupled to a generator.

Wie hier veranschaulicht, wird hier oberhalb des Stoffstroms i der hier abweichend bezeichnete Stoffstrom j aus der zweiten Rektifikationskolonne ausgeleitet und insbesondere am Kopf auf die zweite Rektifikationskolonne 2 aufgegeben. Vom Kopf der zweiten Rektifikationskolonne 12 wird im der Stoffstrom I abgezogen, der ohne Vereinigung mit einem weiteren Stoffstrom erwärmt und, insbesondere nach Verdichtung in einem Verdichter 3001, als ein weiteres gasförmiges Stickstoffprodukt H aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeführt werden kann. Das gasförmige Stickstoffprodukt H stellt das zuvor zu unterschiedlichen Ausgestaltungen der Erfindung erläuterte "weitere stickstoffreiche Luftprodukt" dar.As illustrated here, stream j, designated differently here, is discharged from the second rectification column above stream i and, in particular, is fed to the top of the second rectification column 2. Stream I is withdrawn from the top of the second rectification column 12, which can be heated without combining with another stream and, in particular after compression in a compressor 3001, discharged as a further gaseous nitrogen product H from the air separation plant 100. The gaseous nitrogen product H represents the "further nitrogen-rich air product" previously explained in relation to various embodiments of the invention.

Wie hier stark vereinfacht angedeutet, kann in der Luftzerlegungsanlage 3000 der Hauptwärmetauscher 1 in einer ersten vorgefertigten Coldbox 3010 angeordnet sein. Die erste Rektifikationskolonne 11 mit dem zur Kühlung ihres Kopfgases verwendeten Wärmetauscher 2 kann in einer zweiten vorgefertigten Coldbox 3020 angeordnet sein. Die zweite Rektifikationskolonne kann in einer dritten vorgefertigten Coldbox 3030 angeordnet sein. Diese umgeben, anders als in der stark vereinfachten Darstellung der Figur 1, die jeweils genannten Elemente vollständig.As indicated here in a highly simplified manner, in the air separation plant 3000, the main heat exchanger 1 can be arranged in a first prefabricated cold box 3010. The first rectification column 11 with the heat exchanger 2 used to cool its head gas can be arranged in a second prefabricated cold box 3020. The second rectification column can be arranged in a third prefabricated cold box 3030. These surround, unlike in the highly simplified representation of the Figure 1 , the respective elements mentioned completely.

In Figur 31 ist eine Variante der Luftzerlegungsanlage 3000 gemäß Figur 31 dargestellt, die jedoch eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt und insgesamt mit 3100 bezeichnet. Im Gegensatz zu der in Figur 30 veranschaulichten Anlage 3000 wird hier ein Teilstrom a1 des Einsatzluftstroms ist hier zusätzlich die mehrfach erwähnte dritte Rektifikationskolonne 13 bereitgestellt und ferner eine Argongewinnung in einer vierten Rektifikationskolonne 14 vorgesehen. Ferner ist in der Luftzerlegungsanlage 3100 eine fünfte Rektifikationskolonne 15 bereitgestellt. Die Bezeichnungen "erste", "zweite", "dritte", "vierte" und "fünfte" Rektifikationskolonne werden dabei konsistent mit den oben getroffenen Angaben verwendet, so dass auf diese verwiesen werden kann.In Figure 31 is a variant of the air separation plant 3000 according to Figure 31 which, however, represents an embodiment of the present invention and is designated overall by 3100. In contrast to the Figure 30 In the illustrated plant 3000, a partial stream a1 of the feed air stream is provided; the repeatedly mentioned third rectification column 13 is also provided, and argon recovery is also provided in a fourth rectification column 14. Furthermore, a fifth rectification column 15 is provided in the air separation plant 3100. The designations "first,""second,""third,""fourth," and "fifth" rectification column are used consistently with the above statements, so that reference can be made to them.

Die Bildung und Behandlung der Stoffströme d, e, f, g, h, i, k und l erfolgt im Wesentlichen wie bereits zu Anlage 100 bzw. 3000 gemäß Figur 1 bzw. 30 erläutert, wobei in der Anlage 3100 wieder nur eine Entspannungsmaschine 4 statt der Entspannungsmaschinen 3 und 4 veranschaulicht ist und der Stoffstrom i nicht direkt in die zweite Rektifikationskolonne 12 eingespeist wird, sondern zuvor durch den Kondensatorverdampfer 121 und einen Unterkühlungsgegenströmer 202 geführt wird. Ferner kann der Stoffstrom k im hier veranschaulichten Beispiel in einem Tanksystem 203 zwischengespeichert werden. Der Stoffstrom I wird ebenfalls durch den Unterkühlungsgegenströmer 202 geführt.The formation and treatment of material flows d, e, f, g, h, i, k and l is essentially carried out as already described for Annex 100 and 3000 in accordance with Figure 1 30, respectively, wherein in the system 3100 only one expansion machine 4 is illustrated instead of the expansion machines 3 and 4, and the material stream i is not fed directly into the second rectification column 12, but is first passed through the condenser evaporator 121 and a subcooling counterflow 202. Furthermore, the material stream k can be temporarily stored in a tank system 203 in the example illustrated here. The material stream I is also passed through the subcooling counterflow 202.

Ein dem Stoffstrom j gemäß Anlage 100 entsprechender Stoffstrom wird hier nicht gebildet. Stattdessen wird ein flüssiger Rücklauf n auf die zweite Rektifikationskolonne 12 dadurch gebildet, dass der vierten Rektifikationskolonne Kopfgas in Form eines Stoffstroms m entnommen und in dem Kondensatorverdampfer 121 verflüssigt wird. Ein Teil des verflüssigten Kopfgases wird als durch den Unterkühlungsgegenströmer 202 geführt und in Form des Stoffstroms n verwendet, ein weiterer, nicht bezeichneter Teil wird als Rücklauf auf die erste Rektifikationskolonne 11 zurückgeführt. Weitere Flüssigkeit kann in Form des Flüssigstickstoffs X bereitgestellt werden. Aus der dritten Rektifkationskolonne 13 wird in der Anlage 200 ein Stoffstrom o mittels einer Pumpe 204 in die erste Rektifikationskolonne 1 zurückgeführt.A material stream corresponding to the material stream j according to plant 100 is not formed here. Instead, a liquid reflux n to the second rectification column 12 is formed by withdrawing overhead gas from the fourth rectification column in the form of a material stream m and liquefying it in the condenser evaporator 121. A portion of the liquefied overhead gas is passed through the subcooling countercurrent 202 and used in the form of material stream n; a further, undesignated portion is returned as reflux to the first rectification column 11. Further liquid can be provided in the form of liquid nitrogen X. From the third rectification column 13, a material stream o is returned to the first rectification column 1 in plant 200 by means of a pump 204.

Die fünfte Rektifikationskolonne 15 stellt auch hier eine Doppelkolonne dar, zu deren Funktion auf die obigen Erläuterungen verwiesen wird. Der untere Teil 15b wird mit einem Kondensatorverdampfer 151 betrieben, der unter Verwendung eines Stoffstroms p beheizt wird, welcher aus der dritten Rektifikationskolonne 13 entnommen und anschließend, d.h. stromab des Kondensatorverdampfers 151, wieder in die dritte Rektifikationskolonne 13 zurückgeführt wird. Ferner wird in dem unteren Teil 15b ultrahochreiner Sauerstoff in Form eines Stoffstroms q entnommen. Dieser wird in ein Tanksystem 205 überführt, dort zwischengespeichert, in dem Hauptwärmetauscher 1 verdampft und als ultrahochreines Sauerstoffprodukt U bereitgestellt.The fifth rectification column 15 also represents a double column, the function of which is explained above. The lower part 15b is operated with a condenser-evaporator 151, which is heated using a stream p taken from the third rectification column 13 and then, i.e., downstream of the condenser-evaporator 151, returned to the third rectification column 13. Furthermore, ultra-high-purity oxygen is taken from the lower part 15b in the form of a stream q. This is transferred to a tank system 205, temporarily stored there, evaporated in the main heat exchanger 1, and provided as ultra-high-purity oxygen product U.

Aus der zweiten Rektifikationskolonne 12 wird im Bereich des Argonübergangs oder unterhalb ein Stoffstrom r entnommen und in den oberen Teil 15a der fünften Rektifikationskolonne 15 eingespeist, die von dem unteren Teil 15a durch einen Sperrboden 15c getrennt ist. Sich auf dem Sperrboden 15c abscheidende Flüssigkeit wird unterhalb des Stoffstroms r in die zweite Rektifikationskolonne 12 zurückgeführt. Kopfgas des oberen Teils 15a und des unteren Teils 15b der fünften Rektifikationskolonne 15 wird über einen Stoffstrom s in die vierte Rektifikationskolonne 14 überführt. Sumpfflüssigkeit der vierten Rektifikationskolonne 14 wird in Form eines Stoffstroms t zum Kopf des unteren Teils 15a und des oberen Teils 15b der fünften Rektifikationskolonne 15 geführt.A stream r is withdrawn from the second rectification column 12 in the region of the argon transition or below and fed into the upper part 15a of the fifth rectification column 15, which is separated from the lower part 15a by a barrier plate 15c. Liquid separating on the barrier plate 15c is recycled below stream r into the second rectification column 12. Top gas from the upper part 15a and the lower part 15b of the fifth rectification column 15 is transferred via a stream s into the fourth rectification column 14. Bottom liquid from the fourth rectification column 14 is fed in the form of a stream t to the top of the lower part 15a and the upper part 15b of the fifth rectification column 15.

Ein Kopfkondensator 141 der dritten Rektifikationskolonne 13 wird unter Verwendung von Sumpfflüssigkeit der zweiten Rektifikationskolonne 12 in Form eines Stoffstroms u gekühlt, welche zuvor durch den Unterkühlungsgegenströmer 202 geführt wird. Flüssigkeit aus einem Verdampfungsraum des Kopfkondensators 141 wird in Form eines Stoffstroms v in die zweite Rektifikationskolonne 12 zurückgeführt. Gas aus einem Verdampfungsraum des Kopfkondensators 141 wird in Form eines Stoffstroms w abgezogen und zum Teil in die zweite Rektifikationskolonne 12 entspannt und zum Teil zur Bildung eines Restgasstroms x verwendet, der auch Fluid umfasst, das der zweiten und dritten Rektifikationskolonne 12, 13 entnommen wird.A top condenser 141 of the third rectification column 13 is cooled using bottoms liquid from the second rectification column 12 in the form of a stream u, which has previously been passed through the countercurrent subcooling 202. Liquid from an evaporation space of the top condenser 141 is recycled to the second rectification column 12 in the form of a stream v. Gas from an evaporation space of the top condenser 141 is withdrawn in the form of a stream w and partially expanded into the second rectification column 12 and partially used to form a residual gas stream x, which also comprises fluid withdrawn from the second and third rectification columns 12, 13.

Unterhalb des Kopfs wird der vierten Rektifikationskolonne 14 argonreiche Flüssigkeit in Form eines Stoffstroms x entnommen. Diese kann in einem Tanksystem 206 gespeichert werden, bevor sie mittels einer Pumpe 207 einer Innenverdichtung unterworfen, erwärmt, und als Argonprodukt V bereitgestellt werden kann. Unkondensiertes Kopfgas der vierten Rektifikationskolonne 14 kann in Form eines Stoffstroms y an die Atmosphäre A abgegeben werden.Below the top, argon-rich liquid is withdrawn from the fourth rectification column 14 in the form of a stream x. This liquid can be stored in a tank system 206 before being subjected to internal compression by a pump 207, heated, and provided as argon product V. Uncondensed top gas from the fourth rectification column 14 can be released to the atmosphere A in the form of a stream y.

Auch in der Luftzerlegungsanlage 3100 gemäß Figur 31 kann der Hauptwärmetauscher 1 in einer ersten vorgefertigten Coldbox 3110 angeordnet sein. Die erste Rektifikationskolonne 11 mit dem zur Kühlung ihres Kopfgases verwendeten Wärmetauscher 2 kann in einer zweiten vorgefertigten Coldbox 3120 angeordnet sein. Die zweite Rektifikationskolonne 12 kann zusammen mit der dritten Rektifikationskolonne 13 in einer dritten vorgefertigten Coldbox 3130 angeordnet sein. In der dritten Coldbox 3130 ist im dargestellten Beispiel auch die fünfte Rektifikationskolonne 15 angeordnet. Im dargestellten Beispiel ist die vierte Rektifikationskolonne 14 in einer weiteren vorgefertigten Coldboxen 3140 angeordnet, in der aber auch beispielsweise die fünfte Rektifikationskolonne 15 angeordnet sein kann. Die vierte Rektifikationskolonne 14 kann aber auch in der dritten Coldbox 3130 angeordnet sein. Eine beliebige Verteilung ist möglich.Also in the air separation plant 3100 according to Figure 31 The main heat exchanger 1 can be arranged in a first prefabricated cold box 3110. The first rectification column 11 with the heat exchanger 2 used to cool its head gas can be arranged in a second prefabricated cold box 3120. The second rectification column 12 can be arranged together with the third rectification column 13 in a third prefabricated cold box 3130. In the example shown, the fifth rectification column 15 is also arranged in the third cold box 3130. In the example shown, the fourth rectification column 14 is arranged in a further prefabricated cold box 3140, in which, for example, the fifth rectification column 15 can also be arranged. The fourth rectification column 14 can also be arranged in the third cold box 3130. Any distribution is possible.

Es sei nochmals betont, dass, wenngleich in den vorstehenden Figuren Maßnahmen gemäß einzelner Ausgestaltungen der Erfindung jeweils als Teil von entsprechenden Anlagen beschrieben werden, diese jeweils auch in Alleinstellung oder in anderen Anlagen verwendet werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann in allen Fällen ein motorischer und/oder ein Turbinenbetrieb eines Verdichters vorgesehen sein und/oder Entspannungsmaschinen können generatorisch und/oder mittels Bremsen und/oder durch Kopplung mit einem Verdichter gebremst werden.It should be emphasized again that, although measures according to individual embodiments of the invention are described in the above figures as part of corresponding systems, these can also be used individually or in other systems without departing from the scope of the present invention. For example, in all cases, motor and/or turbine operation of a compressor can be provided, and/or expansion machines can be braked by generators and/or by means of brakes and/or by coupling with a compressor.

Wenngleich vorstehend bestimmte Luftzerlegungsanlagen als Varianten weiter zuvor erläuterter Anlagen beschrieben werden, versteht sich, dass die hier jeweils vorgeschlagenen Maßnahmen bzw. Merkmale auch in anderen Anlagen als den jeweils als zugrunde liegend beschriebenen eingesetzt werden können.Although certain air separation plants are described above as variants of other previously explained plants, it is understood that the measures or features proposed here can also be used in plants other than those described as the basis.

Claims (12)

  1. Method for low-temperature air separation, in which an air separation unit (100-3100) having a first rectification column (11) and a second rectification column (12) is used,
    - the first rectification column (11) being operated at a first pressure level and the second rectification column (12) being operated at a second pressure level below the first pressure level,
    - fluid which is oxygen-enriched compared to atmospheric air being drawn from the first rectification column (11) in the form of one or more first material flows,
    - at least one portion of the fluid drawn from the first rectification column (11) in the form of the one or more first material flows being heated in a heat exchanger (2),
    - a portion of the fluid heated in the heat exchanger (2) being compressed using a compressor (5) and returned to the first rectification column (11),
    - a first portion of the head gas of the first rectification column (11) being condensed in the heat exchanger (2) and a second portion being discharged from the air separation unit (100, 3100) in the form of at least one nitrogen-rich air product,
    - additional fluid containing oxygen, nitrogen and argon being drawn from the first rectification column (11) and used as a second material flow or to form a second material flow which is transferred to the second rectification column (12), and
    - an oxygen-rich sump liquid being formed in the sump of the second rectification column (12) and at least one portion thereof being discharged from the air separation unit (100, 200) in the form of a third material flow,
    characterized in that
    - a third rectification column (13) is used, the second rectification column (12) and the third rectification column (13) being designed as parts of a double column, the third rectification column (13) being arranged below the second rectification column (12), and the third rectification column (13) being supplied with air.
  2. Method according to claim 1, in which the air supplied to the third rectification column (13) comprises compressed and cooled air which is expanded using an expansion machine (201).
  3. Method according to claim 2, in which the second rectification column (12) is operated with a condenser evaporator (121) which is arranged in a sump region of the second rectification column (12) and which is heated using fluid which is drawn from and/or supplied to the third rectification column (13).
  4. Method according to claim 3, in which the air supplied to the third rectification column (13) is at least partially liquefied in the condenser evaporator (121) which is arranged in the sump region of the second rectification column (12) and is returned to the third rectification column (13) as liquid reflux.
  5. Method according to any of claims 3 or 4, in which a head gas is formed in the third rectification column (13), which head gas is at least partially liquefied in the condenser evaporator (121) which is arranged in the sump region of the second rectification column (12) and is returned as reflux to the second and/or third rectification column (12, 13).
  6. Method according to any of claims 3 or 4, in which a sump liquid is formed in the third rectification column (13), which is supplied at least in part into the second rectification column (12).
  7. Method according to any of the preceding claims, in which a nitrogen-rich head gas is formed in the second rectification column (12) and at least a portion thereof is discharged from the air separation unit (3000, 3100) as an additional nitrogen-rich air product, wherein a residual oxygen content of the head gas of the first rectification column (11) is 1 ppb to 10 ppm and a residual oxygen content of the head gas of the second rectification column (12) is 10 ppb to 100 ppm.
  8. Method according to claim 7, in which the second rectification column (12) is equipped with 50 to 120 theoretical plates and/or a nitrogen-rich liquid material flow is provided and added as reflux in an upper region of the second rectification column (12)
  9. Method according to any of the preceding claims, in which
    - fluid which has a higher argon content than the oxygen-rich sump liquid of the second rectification column (12) is drawn from the second rectification column (12) and used as a fourth material flow or to form a fourth material flow,
    - a fourth rectification column (14) is used, into which the fourth material flow is fed, wherein an argon-rich fluid which has a content of more than 95 mol percent argon is formed in the fourth rectification column (14).
  10. Method according to claim 9, in which a fifth rectification column (15) is used in which a liquid having an oxygen content is formed above an oxygen content of the oxygen-rich sump liquid formed in the sump of the second rectification column (12), and in which the fifth rectification column (15) is used to form the fourth material flow using the fluid which is drawn from the second rectification column (12) and has a higher argon content than the oxygen-rich sump liquid of the second rectification column (12).
  11. Method according to either claim 9 or claim 10, in which a quantity of the argon product formed in the air separation unit (100-3100) comprises 1 to 85 percent of a total argon quantity supplied as a whole in the form of air to the air separation unit (100-3100).
  12. Air separation unit (100-3100) having a first rectification column (11), a second rectification column (12), a heat exchanger (2), and a compressor (5), which is designed to
    - operate the first rectification column (11) at a first pressure level and the second rectification column (12) at a second pressure level below the first pressure level,
    - draw fluid which is oxygen-enriched compared to atmospheric air, from the first rectification column (11) in the form of one or more first material flows,
    - heat in the heat exchanger (2) at least one portion of the fluid drawn from the first rectification column (11) in the form of the one or more first material flows,
    - compress a portion of the fluid heated in the heat exchanger (2) using the compressor (5) and to return it to the first rectification column (11),
    - condense a first portion of the head gas of the first rectification column (11) in the heat exchanger (2) and to discharge a second portion of the head gas from the air separation unit (100, 3100) in the form of at least one nitrogen-rich air product,
    - draw additional fluid containing oxygen, nitrogen and argon from the first rectification column (11) and to use it as a second material flow or to form a second material flow which is transferred to the second rectification column (12), and
    - form an oxygen-rich sump liquid in the sump of the second rectification column (12) and to discharge at least one portion thereof in the form of a third material flow from the air separation unit (100, 200),
    characterized in that
    - a third rectification column is provided in the air separation unit (100-3100), the second rectification column (12) and the third rectification column (13) being designed as parts of a double column and the third rectification column (13) being arranged below the second rectification column (12), the air separation unit (100-3100) being designed to supply the third rectification column (13) with air.
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