DE69619455T2

DE69619455T2 - Herstellung von ultrahochreinem Sauerstoff

Info

Publication number: DE69619455T2
Application number: DE69619455T
Authority: DE
Inventors: Bao; James Shelton
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1996-08-07
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2016-08-08
Also published as: JPH09170873A; EP0767350A3; CN1167244A; EP0767350B1; EP0767350A2; US5582032A; KR970010644A; DE69619455D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Herstellung eines ultrareinen Produkts, wie ultrareinen Sauerstoffs.
In zahlreichen Industriezweigen und technischen Prozessen ist in deren Verfahren und Fertigungssystemen zunehmend eine sehr hohe Sauerstoffreinheit erforderlich. Aufgrund der gegenwärtigen strengeren Reinheitsanforderungen, beispielsweise in der Elektronikindustrie, reichen viele bestehende Produktionsverfahren zur Abtrennung von Sauerstoff aus Luft möglicherweise nicht mehr zur Produktion von gleichbleibenden Qualitäten von ultrareinem Sauerstoffgas aus. Für Anwendungen, bei denen eine Reinheit im ppb-Bereich (parts per billion, Teile pro Milliarde) erforderlich ist, reicht die fraktionierte Destillation selbst mit einer sehr hohen Bodenzahl möglicherweise nicht mehr für die Bereitstellung von ultrareinem Sauerstoffprodukt aus.
Bei bestehenden Verfahren zur Produktion von ultrareinen technischen Gasen kommen mit den Tieftemperatursäulen oft hartgelötete Aluminium- Wärmetauscher zum Einsatz. Derartige hartgelötete Aluminium-Wärmetauscher weisen in der Regel zahlreiche Schweißnähte auf, die aufgrund ihrer Beschaffenheit gegenüber Permeation zwischen Fluiden anfällig sind und daher ein Risiko für eine Quelle potentieller Verunreinigung im ultrareinen Produkt darstellen. Eine Alternative zu hartgelöteten Aluminium-Wärmetauschern wären Rohrbündelwärmetauscher aus rostfreiem Stahl. Die Rohrbündelwärmetauscher müßten jedoch ebenfalls notwendigerweise Schweißnähte enthalten, die ebenfalls gegenüber leckbedingten Durchtritten von einem Fluid in das andere anfällig wären.
In der US-A-5123947 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ultrareiner Stickstoff im Sumpf einer Destillationssäule unter Verwendung von Stickstoff geringerer Reinheit aufgekocht wird.
Die Vermeidung von schädlicher Permeation zwischen verschiedenen Fluiden und die resultierende Verunreinigung eines ultrareinen Produkts eines Luftzerlegungsverfahrens stellt ein wesentliches Problem dar, das eine neue Lösung erfordert.
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein System gemäß Anspruch 13 bereitgestellt.
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und ein System zur Erzeugung eines ultrareinen Produkts bereitgestellt, wobei das ultrareine Produkt aus dem Sumpf einer Destillationssäule, in deren Boden ein mit der ultrareinen Produktflüssigkeit in Fluidkontakt stehender Verdampfer angeordnet ist, gewonnen wird und die Wärme für den Verdampfer in der Säule durch indirekten Wärmeaustausch durch Kondensation eines hochreinen Fluids, das in einem zweiten, intermediären Verdampfer bei einem zweiten Druck und einer zweiten Temperatur durch indirekten Wärmeaustausch gegen ein warmes unreines Gas verdampft wird, in dem Verdampfer geliefert wird.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dann, wenn aus dem Sumpf einer Destillationssäule ein ultrareines Produkt gewonnen wird und die Zusammensetzung des Heizmediumfluids, das Wärme zum Aufkochen der Säule liefert, sich wesentlich von der Zusammensetzung des ultrareinen Produkts unterscheidet, ein intermediärer Verdampfer (Zwischenverdampfer) zur Abschwächung des Endeffekts eines Lecks in einem der beiden Wärmetauscher auf die Reinheit des ultrareinen Produkts verwendet. Bei der Zusammensetzung des Zwischenheizmediums handelt es sich um eine hochreine Qualität des gleichen Fluidtyps, aber nicht unbedingt mit der extrem hohen Reinheit des ultrareinen Produkts wie bei einer ultrareinen Produktzusammensetzung. Demgemäß wird die Verunreinigung des ultrareinen Produkts auf ein Minimum reduziert, wenn entweder im Boden oder im Zwischenverdampfer ein Leck oder eine andere Permeation auftritt.
Bei eigenen Untersuchungen wurde gefunden, daß das Verfahren zur Erzeugung von ultrareinem Produkt bei der Erzeugung von ultrareinem Sauerstoff besonders effektiv ist, wenn es sich bei dem Heizmedium im Zwischenverdampfer um Stickstoff handelt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:

Fig. 1 zeigt den Sumpfteil einer Tieftemperatursäule mit dem Sumpfverdampfer und dem erfindungsgemäßen Zwischenverdampfer.
Fig. 2 zeigt ein komplettes Reinigungsverfahren zur Erzeugung eines ultrareinen Sauerstoffprodukts.

NÄHERE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM:

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist der untere Teil einer Tieftemperaturdestillationssäule dargestellt, in der über Leitung 12 ultrareiner Sauerstoff mit sehr geringen Verunreinigungsgehalten erzeugt wird. Ein Verdampfer 10 steht mit gesammeltem ultrareinem Sauerstofffluid 8 im Sumpf der Destillationssäule in indirekter Wärmeaustauschbeziehung. Die Wärme zum Verdampfen mindestens eines Teils des ultrareinen Sauerstoffprodukts liefert ein hochreines Fluid, in diesem Fall vorzugsweise Dampf von Sauerstoff handelsüblicher Qualität, der dem Verdampfer 10 über Leitung 26 zugeführt wird. Vorzugsweise befindet sich der Verdampfer 10 in einem separaten Kompartimentabschnitt der Säule 30. In diesem Fall befindet sich der separate Abschnitt unter dem Verdampfer 10, in dem zur Bereitstellung von Wärmeeintrag für den Verdampfer 10 Sauerstoff handelsüblicher Qualität verdampft wird.
Nach Verdampfung und Transport des intermediären hochreinen Fluids, bei dem es sich in diesem Fall um Sauerstoff handelsüblicher Qualität handelt, zum Verdampfer 10 wird kondensierter Sauerstoff handelsüblicher Qualität aus dem Verdampfer 10 abgezogen und über Leitung 27 in den separaten Abschnitt zurückgeführt. Im separaten Abschnitt sammelt sich Sauerstoff handelsüblicher Qualität 6 um einen zweiten Verdampfer 20, in dem Wärmeeintrag durch einen warmen unreinen Strom 22 bereitgestellt wird. In diesem bevorzugten Fall, mit Sauerstoff handelsüblicher Qualität als ultrareinem Produkt, handelt es sich bei dem warmen unreinen Strom vorzugsweise um zurückgeführten Stickstoff. Warmer Kreislaufstickstoff führt dem Verdampfer 20 Wärme zur Verdampfung eines Teils von Sauerstoff handelsüblicher Qualität 6 zu und macht dadurch Wärmeeintrag für den Verdampfer 10 verfügbar, wie oben beschrieben.
Erfindungsgemäß würde im Fall des Aufretens eines Lecks oder einer anderen Permeation im Verdampfer 20 eine Verunreinigung des Zwischenfluids, in diesem Fall Sauerstoff handelsüblicher Qualität, das ultrareine Sauerstoffprodukt 8 nicht direkt verunreinigen. Außerdem würde gemäß der vorliegenden Erfindung im Fall eines Auftretens eines Lecks im Verdampfer 10 der verhältnismäßig geringe Verunreinigungsgehalt im Zwischenfluid, in diesem Fall Sauerstoff handelsüblicher Qualität, nicht zu einer wesentlichen Verunreinigung des ultrareinen Produkts führen.
Die Verdampfer müssen nicht unbedingt in der in Fig. 1 dargestellten vertikalen Bauart ausgeführt sein; es ist lediglich notwendig, daß das verdampfte Zwischenfluid über Leitungsmittel zur Versorgung des Verdampfers, der im Sumpf der Säule 30 Flüssigkeit verdampft, verfügbar ist. In der Regel befinden sich im separaten Abschnitt oberhalb des Verdampfers 20 keine Destillationsstufen, sondern lediglich Mittel zur Beförderung des verdampften Zwischenfluids zum Verdampfer in der Destillationssäule.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2, in der der Zwischenverdampfer und der Primärverdampfer bei einem Sauerstoffreinigungsverfahren eingesetzt werden, werden nun weitere Merkmale und Vorteile beschrieben. Eine Tieftemperaturdestillationssäule 30 wird mit einem Sauerstoffeinsatzstrom 14 gespeist. Der Sauerstoffeinsatz ist weitgehend frei von Kohlenwasserstoffen, die in der Säule 40 über Leitungen 15 und 66 vor der Zuführung des Einsatzes zur Destillationssäule 30 abgetrennt worden sind. Ein flüssiger Sauerstoffeinsatz tritt über Leitung 25 aus einer externen Quelle in die Säule 40 ein. Stickstoff liefert Verdampfungsanteil für die Säule 40 über Leitung 61 und Verdampfer 65, und die Kohlenwasserstoffe werden praktisch vollständig über Leitung 15 ausgeschleust. Der Sauerstoffeinsatz 14 tritt an einer Zwischenstelle in die Säule 30 ein, und aus dem Überkopfkondensator 11 werden Argon und andere leichte Verunreinigungen über Leitung 13 ausgeschleust. Im Boden der Säule 30 wird ultrareines Sauerstoffprodukt 8 gesammelt, und der Säule wird über Verdampfer 10 Verdampfungsanteil zugeführt. Die Zufuhr von Wärme zum Verdampfer 10 erfolgt durch einen kondensierenden Teil eines intermediären hochreinen Fluids, vorzugsweise im wesentlichen Sauerstoff. In diesem Fall handelt es sich bei dem Zwischenfluid vorzugsweise um Sauerstoff handelsüblicher Qualität, wobei diese Flüssigkeit im Sumpf eines separaten Abschnitts der Säule 30 gesammelt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Teil des Zwischenfluids gegen ein warmes unreines Fluid über Verdampfer 20 verdampft. Unter "unreinem Fluid" ist ein Fluid mit einer Zusammensetzung zu verstehen, die von der des ultrareinen Produkts so verschieden ist, daß jegliche Leckage in das ultrareine Produkt zu einer unerwünschten Verunreinigung des ultrareinen Produkts führen würde. Ultrareines Produkt wird über Leitung 12 abgezogen und gegen zurückgeführten Stickstoff in Leitung 24 im Wärmetauscher 70 im Rekondensator 71 wieder kondensiert. Kreislaufstickstoff wird über Leitung 17 und 18 zum Kreislaufverdichter 60 zurückgeführt und zur Wiederverwendung im Reinigungsverfahren zurückgeführt. Vorzugsweise wird ein Teil des Stickstoffs über Leitungen 77 und 78 dem Kondensator 11 zugeleitet. Der Wärmetauscher 50 gewinnt aus Abgasströmen Kälte zurück und kühlt verdichteten Kreislaufstickstoff zwecks Lieferung von Energieeffizienz und -balance.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Sauerstoffreinigungsverfahren handelt es sich um eine bevorzugte Anwendungsform der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung kann jedoch bei jeder Tieftemperaturdestillation, bei der aus dem Sumpf der Destillationssäule ein ultrareines Produkt gewonnen wird, zur Erzielung eines gewünschten Ergebnisses in Form eines geringeren Kontaminationsrisikos angewandt werden. Handelt es sich bei dem ultrareinen Produkt um Sauerstoff, so enthält er vorzugsweise weniger als 20 Teile pro Milliarde Verunreinigungen, besonders bevorzugt weniger als etwa 10 Teile pro Milliarde Verunreinigungen und ganz besonders bevorzugt weniger als etwa 3 Teile pro Milliarde Verunreinigungen. Außerdem wird in dem Fall, daß es sich bei dem ultrareinen Produkt um bei einem Druck zwischen etwa 5 psi Überdruck (0,3 bar Überdruck) und etwa 10 psi Überdruck (0,69 bar Überdruck) erzeugten Sauerstoff handelt, das Zwischenfluid bei einem Druck zwischen etwa 8 psi Überdruck (0,56 bar Überdruck) und etwa 20 psi Überdruck (1,39 bar Überdruck) kondensiert, wobei es sich bei dem Zwischenfluid um Sauerstoff handelsüblicher Qualität handelt. Unter "Sauerstoff handelsüblicher Qualität" ist Sauerstoff mit einer Reinheit von etwa 99,9% Sauerstoff zu verstehen. Ferner führt man in dem Fall, daß es sich bei dem Heizmedium zum Verdampfen mindestens eines Teils des Zwischenfluids um Kreislaufstickstoff handelt, dem Verdampfer 20 den Stickstoff vorzugsweise bei einem Druck zwischen etwa 60 psi Überdruck (4,17 bar Überdruck) und etwa 110 psi Überdruck (7,65 bar Überdruck) zu.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein System zur Erzeugung von ultrareinem Fluid vor, wobei das System eine Destillationssäule mit einem in dessen Sumpfteil angeordneten Verdampfer enthält. Ein zweiter Verdampfer, der sich nicht unbedingt, aber vorzugsweise im selben Behälter wie die Desillationssäule befindet, ist zur Verdampfung mindestens eines Teils eines Zwischenheizfluids vorgesehen. Leitungsmittel sind zur Beförderung des verdampften Teils des Heizmediums zum Verdampfer in der Destillationssäule und auch zur Rückführung von kondensiertem Zwischenheizfluid aus dem Verdampfer 10 in den den Verdampfer 20 umgebenden Sumpf vorgesehen.
Die bevorzugten Ausführungsformen und Figuren sollen eine typische Möglichkeit zur Anwendung des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung darstellen, aber den Schutzbereich der Erfindung, deren Schutzbereich und Definition allein durch die beigefügten Anprüche festgelegt wird, in keiner Weise einschränken. Der Fachmann findet ohne weiteres Varianten zu den physikalischen Einrichtungen oder zugehörigen Schritten und Verfahrensweisen.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines ultrareinen Fluidprodukts, bei dem man:

(a) im unteren Teil einer Tieftemperaturfraktionierungssäule (30) ein ultrareines Fluidprodukt (8) sammelt;

(b) der Fraktionierungssäule durch Kondensieren eines Teils eines hochreinen Fluids vom gleichen Fluidtyp wie das Fluidprodukt mit einer eine geringere Reinheit als das Fluidprodukt aufweisenden Zusammensetzung durch indirekten Wärmeaustausch in einem ersten Verdampfer (10) Verdampfungsanteil zuführt und

(c) den Teil des hochreinen Fluids mit einer eine geringere Reinheit als das Fluidprodukt aufweisenden Zusammensetzung zur Lieferung von Eintrag für den ersten Verdampfer (10) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem wärmeren Strom (22) eines unreinen Fluids verdampft und das hochreine Fluid zum ersten Verdampfer transportiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem es sich bei dem ultrareinen Fluidprodukt (12) um Sauerstoff und bei der eine geringere Reinheit aufweisenden Zusammensetzung um Sauerstoff handelsüblicher Qualität handelt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der ultrareine Sauerstoff weniger als 20 Teile pro Milliarde Verunreinigungen enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem es sich bei dem unreinen Fluid um Stickstoff handelt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem es sich bei der Fraktionierungssäule (30) um eine Argonfraktionierungssäule zur Abtrennung von Argon aus einem Gemisch aus Sauerstoff und Argon bei einem Sauerstoffreinigungsverfahren handelt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 zur Erzeugung eines ultrareinen Sauerstoffprodukts, bei dem man:

(a) einer ersten Säule (40) zur fraktionierten Destillation Verunreinigungen enthaltenden flüssigen Sauerstoff zuführt;

(b) Verunreinigungen mit einem höheren Siedepunkt als Sauerstoff durch Fraktionierung in der ersten Säule abtrennt, wobei man einen von schweren Verunreinigungen weitgehend freien Sauerstoff- Überkopfstrom (14) erhält;

(c) zumindest einen Teil des Sauerstoff- Überkopfstroms einer zweiten Tieftemperaturdestillationssäule (30) zuführt, in deren Boden ultrareines Sauerstoffprodukt (8) gesammelt wird;

(d) der zweiten Destillationssäule durch Kondensieren eines Teils einer schlechteren Sauerstoffqualität durch indirekten Wärmeaustausch im ersten Verdampfer (10) im Sumpf der zweiten Destillationssäule Verdampfungsanteil zuführt und

(e) den Teil der schlechteren Sauerstoffqualität durch indirekten Wärmeaustausch mit dem wärmeren Strom (22) eines unreinen Fluids in einem zweiten Verdampfer (20) verdampft.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem es sich bei dem wärmeren Strom (22) um Kreislaufstickstoff handelt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem man den ultrareinen Sauerstoff bei einem Druck zwischen etwa 5 psi Überdruck (0,3 bar Überdruck) und etwa 10 psi Überdruck (0,69 bar Überdruck) erzeugt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem man den geringere Reinheit aufweisenden Sauerstoff in einem ersten Verdampfer (10) bei einem Druck zwischen etwa 8 psi Überdruck (0,56 bar Überdruck) und etwa 20 psi Überdruck (1,39 bar Überdruck) kondensiert.

10. Verfahren nach Ansprüch 9, bei dem man dem zweiten Verdampfer (20) Kreislaufstickstoff bei einem Druck zwischen etwa 60 psi Überdruck (4,17 bar Überdruck) und etwa 110 psi Überdruck (7,65 bar Überdruck) zuführt.

11. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das ultrareine Sauerstoffprodukt weniger als 10 Teile pro Milliarde Verunreinigungen enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das ultrareine Sauerstoffprodukt weniger als 3 Teile pro Milliarde Verunreinigungen enthält.

13. System zur Erzeugung eines ultrareinen Fluidprodukts durch Tieftemperaturdestillation nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, enthaltend:

(a) eine Säule (30) zur fraktionierten Destillation mit einem ersten Verdampfer (10), welcher in dessen Sumpfteil angeordnet ist, in dem das ultrareine Fluid gesammelt wird;

(b) einen zweiten Verdampfer (20) zum Verdampfen eines Teils eines hochreinen Fluids vom gleichen Fluidtyp wie das Fluidprodukt mit einer eine geringere Reinheit als das Fluidprodukt aufweisenden Zusammensetzung durch indirekten Wärmeaustausch;

(c) ein Leitungsmittel (26) zur Beförderung des Teils von verdampftem hochreinem Fluid zum ersten Verdampfer zwecks Kondensieren mindestens eines Teils des hochreinen Fluids im ersten Verdampfer und

(d) Mittel (22) zur Beförderung eines unreinen Fluids zum zweiten Verdampfer zwecks Lieferung von Wärme zum Verdampfen des Teils des hochreinen Fluids.

14. System nach Anspruch 13, das außerdem auch noch eine Schwersiederabtrennungs-Destillationssäule (40) zur Abtrennung von Komponenten mit einem höheren Siedepunkt als Sauerstoff aus einem Flüssigsauerstoff-Einsatzstrom enthält und bei dem es sich bei der Säule (30) zur fraktionierten Destillation um eine Argonsäule zur Abtrennung von Argon aus dem Sauerstoff-Überkopfstrom handelt.

15. System nach Anspruch 13, das außerdem auch noch einen Kreislaufstickstoff-Verdichter (60) und ein Leitungsmittel (22) zur Beförderung von verdichtetem Stickstoff zum zweiten Verdampfer (20) enthält.