Kryogenes Destillationsverfahren: Ein Leitfaden zur Luftzerlegung

Einführung in die kryogene Destillation

Im Bereich der Luftzerlegung ist die kryogene Destillation ein wichtiges Verfahren, das die Herstellung von hochreinem Stickstoff, Sauerstoff und Argon ermöglicht. Diese fortschrittliche Technologie, die zu den kryogenen Schlüsseltechnologien gehört, beruht auf dem Prinzip der fraktionierten Destillation und stützt sich auf extrem niedrige Temperaturen bei der Trennung der Luftbestandteile aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedepunkte. Die kryogene Destillation wird in vielen Industriezweigen eingesetzt, unter anderem bei der Herstellung von Industriegasen, der Verbrennungsanreicherung und der Produktion von Spezialgasen.

Kryogene Luftzerlegungsanlagen (ASU) oder Luftzerlegungsanlagen sind die Orte, an denen die kryogene Destillation durch Komprimierung der atmosphärischen Luft, Abkühlung und Auftrennung in ihre Hauptbestandteile stattfindet. Das Verfahren umfasst eine Kombination von Wärmetauschern, Kolonnen zur Fraktionierung von Gemischen mit unterschiedlicher Flüssigkeitszusammensetzung sowie Kühlsysteme, die zusammenwirken, um die angestrebten Reinheitsanforderungen zu erreichen. Diese kryogenen Technologien werden auch bei der Verflüssigung und Trennung von Erdgas eingesetzt. Molekularsiebe sind wichtige Bestandteile dieses Systems, da sie dazu beitragen, Verunreinigungen wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe sowohl aus dem Eingangs- als auch aus dem Produktstrom zu entfernen. Einem Bericht von Grand View Research zufolge wurde der Weltmarkt für Luftzerlegungsanlagen im Jahr 2020 auf $4,8 Mrd. geschätzt und soll zwischen 2021 und 2028 mit einer CAGR von 5,2% wachsen.

Schlüsselkomponenten eines kryogenen Destillationssystems

Luftverdichtung und Kühlung

Die kryogene Destillation beginnt mit der Verdichtung und Kühlung von Luft. Die Luft wird zunächst gefiltert, um Verunreinigungen zu beseitigen, bevor sie auf einen hohen Druck verdichtet wird, der häufig zwischen 6 und 8 bar liegt. Die komprimierte Luft durchläuft eine Reihe von Wärmeaustauschprozessen, die ihre Temperatur auf nahezu Umgebungstemperatur senken. Das Hauptziel dieser ersten Abkühlungsphase besteht darin, die Luft für die weitere Verarbeitung vorzubereiten und gleichzeitig sicherzustellen, dass die kryogenen Phasen effizienter sind.

Wärmetauscher in der kryogenen Kühlung

Das Netz von Wärmetauschern wiederum kühlt die Druckluft nach einer ersten Abkühlungsphase auf kryogenes Niveau ab. Diese Wärmetauscher erreichen durch die Nutzung der kalten Abgase aus den Destillationskolonnen eine allmählich niedrigere Eingangstemperatur. Bei etwa -180°C erreicht sie einen Punkt, an dem sie sich zu verflüssigen beginnt. Die Verflüssigung ist ein wichtiger Prozess bei der kryogenen Destillation, da sie eine Fraktionierung in ihre Bestandteile über deren unterschiedliche Siedepunkte ermöglicht.

Destillationskolonnen und Kältetechnik

Das Herzstück der kryogenen Destillation sind die Destillationskolonnen, in denen die Luft in ihre Grundbestandteile zerlegt wird. Wenn verflüssigte Luft in eine Hochdruck-Destillationskolonne eintritt, entstehen ein stickstoffreicher Dampf und eine sauerstoffreiche Flüssigkeit. Anschließend wird das stickstoffreiche Gas in einer Niederdruck-Destillationskolonne weiter gereinigt, während die sauerstoffreiche Flüssigkeit von anderen Verunreinigungen befreit und Argon gewonnen wird.

Die Kühlung spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der kryogenen Bedingungen, die für eine effektive atmosphärische Trennung erforderlich sind. In geschlossenen Kühlsystemen, die bei kryogenen Destillationsprozessen eingesetzt werden, kommen in der Regel auch Stickstoffexpansions- oder Mischkältemittelkreisläufe zum Einsatz. Die Kältesysteme stellen sicher, dass die Kolonnen bei den richtigen Temperaturen arbeiten, die für eine gute Trennung der verschiedenen Luftbestandteile erforderlich sind.

Die Rolle der Molekularsiebe bei der kryogenen Destillation

Molekularsieb-Vorreinigungsanlagen

Der Prozess der kryogenen Destillation besteht hauptsächlich in der Verwendung von Molekularsieben zur Vorreinigung der Luft. Die komprimierte Luft strömt durch ein Molekularsiebbett, bevor sie in die Hauptluftzerlegungsanlage gelangt, um Verunreinigungen zu entfernen, die entweder den kryogenen Prozess behindern oder die Produktqualität beeinträchtigen könnten.

Eine der wichtigsten Funktionen der Molekularsiebe in diesem Stadium ist die Entfernung von Wasserdampf und Kohlendioxid aus der Druckluft. Wenn diese Verunreinigungen nicht entfernt werden, können sie gefrieren und Wärmetauscher sowie Destillationskolonnen blockieren, was zu Prozessunterbrechungen und verminderter Effektivität führt. Molekularsiebe sind in der Lage, Wasserdampf und Kohlendioxid durch ihre selektive Adsorptionsfähigkeit abzufangen und somit saubere, trockene Luft für die kryogene Destillation zu liefern.

Molekularsieb-Vorreinigungsanlagen haben mehrere Vorteile gegenüber klassischen Umkehrwärmetauschern. Umkehrwärmetauscher sind jedoch nicht in der Lage, Kohlendioxid wirksam zu beseitigen, obwohl sie Wasserdampf gut entfernen können. Im Gegensatz zu letzteren können Molekularsiebe sowohl Wasserdampf als auch Kohlendioxid gleichzeitig entfernen und bieten somit eine umfassende Reinigungslösung. Zweitens haben Molekularsiebe eine bessere Adsorptionskapazität und arbeiten bei höheren Temperaturen als Umkehrwärmetauscher, was zu einer besseren Energieeffizienz und geringeren Wartungskosten führt.

Molekularsiebanwendungen in der Luftzerlegung

Für die Herstellung reiner Produkte in der kryogenen Destillation sind Molekularsiebe sehr wichtig. Molekularsiebe entfernen Stoffe wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe aus dem Luftstrom, um hochreinen Stickstoff, Sauerstoff und Argon herzustellen.

Molekularsiebe schützen auch die nachgeschalteten Anlagen der kryogenen Destillation. Durch die Entfernung von Verunreinigungen, die die Leistung von Wärmetauschern, Destillationskolonnen und anderen wichtigen Komponenten beeinträchtigen können, verlängern Molekularsiebe die Lebensdauer der Anlagen und verringern den Wartungsaufwand. Bei kryogenen Anwendungen ist dieser Schutz unerlässlich, da die extrem niedrigen Temperaturen aufgrund von Verunreinigungen zu einem schnellen Verschleiß der Anlagen führen.

Das Verfahren der kryogenen Destillation

Hoch- und Niederdruck-Destillationskolonnen

Bei der kryogenen Destillation werden mehrere Hoch- und Niederdruck-Destillationskolonnen verwendet, um Luft in ihre Hauptbestandteile zu trennen. Die Hochdruckkolonne wird bei etwa 6-8 bar betrieben und trennt die Luft in einen stickstoffreichen Dampf und eine sauerstoffreiche Flüssigkeit. Über der Hochdruckkolonne befindet sich der stickstoffreiche Dampf, der die Niederdruckkolonne mit einem Betriebsdruck von etwa 1-1,5 bar speist. In der Niederdruckkolonne wird der Stickstoff weiter gereinigt, wobei Sauerstoff und Argon zurückbleiben.

Abtrennung von Stickstoff, Sauerstoff und Argon

Bei der kryogenen Destillation hängt die Trennung von Stickstoff, Sauerstoff und Argon von deren unterschiedlichen Siedepunkten ab: Stickstoff hat den niedrigsten Siedepunkt (-195,8 °C), gefolgt von Argon (-185,8 °C) und Sauerstoff (-183 °C). Der stickstoffreiche Dampf wird in einer Hochdruckkolonne vom flüssigen Sauerstoff getrennt, während er in einer Niederdruckkolonne gereinigt wird, um ihn später als hochreinen Stickstoff zu kondensieren. Die Verunreinigungen werden am Boden der Hochdruckkolonne entfernt, wo sie wieder reines Argon sammeln.

Kühlung und Expansionsprozesse

Kühl- und Expansionsprozesse sind der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der für eine effiziente Luftzerlegung erforderlichen Tieftemperaturen. Bei der kryogenen Destillation werden in der Regel geschlossene Kühlsysteme eingesetzt, die entweder einen Stickstoffexpansionszyklus oder einen gemischten Kältemittelkreislauf umfassen. So wird beispielsweise eine bestimmte Menge an unter Druck stehendem Stickstoff aus den Destillationskolonnen durch Turbinen expandiert, wodurch die für das Erreichen der Tiefsttemperaturen erforderliche Kühlwirkung erzielt wird (Stickstoffexpansionskreislauf). Beim gemischten Kältemittelkreislauf werden verschiedene Kühlmittel wie Methan, Ethan und andere zusammen mit Stickstoffgas für den Wirkungsgrad verwendet.

Produktaufbereitung und Argonrückgewinnung

Der Prozess der kryogenen Destillation umfasst die Trennung der Luft in ihre Hauptbestandteile, die Produktreinigung und die Argonrückgewinnung. Der stickstoffreiche Dampf aus der Niederdruckkolonne wird weiter gereinigt, um andere Verunreinigungen wie Sauerstoff und Argon zu beseitigen und hochreinen Stickstoff zu erhalten. Diese Reinigung erfolgt durch weitere Destillationsschritte oder den Einsatz von Adsorptionstechniken.

Argon kann in einem wichtigen Schritt der kryogenen Destillation zurückgewonnen werden, da es ein wertvoller Bestandteil der Luftzerlegung ist. Die Argonrückgewinnung erfolgt durch eine Reihe von Destillationsschritten und Rektifikationsprozessen in einer sauerstoffreichen Flüssigkeit im untersten Teil der Hochdruckkolonne. Das Rohargon konzentriert sich zunächst in der Argonsäule, bevor es in der Reinargonsäule weiter gereinigt wird, um einen geeigneten Reinheitsgrad zu erreichen. Die Argonrückgewinnung verbessert nicht nur die Wirtschaftlichkeit eines Luftzerlegungsprozesses, sondern trägt auch dazu bei, die wachsende industrielle Nachfrage nach Argon in verschiedenen Industriezweigen zu befriedigen.

Die Rolle der Molekularsiebe bei der Nachbearbeitung

Darüber hinaus spielen Molekularsiebe auch in der Nachbearbeitungsphase der kryogenen Destillation eine entscheidende Rolle. Nachdem die Luft in ihre Hauptbestandteile zerlegt und gereinigt wurde, werden Molekularsiebe eingesetzt, um verbleibende Verunreinigungen zu beseitigen, die sich noch in den Produktströmen befinden können. Dabei kann es sich um Restwasserdampf, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe handeln, die in der Vorreinigungsstufe nicht vollständig entfernt wurden oder während der Destillation hinzugekommen sind.

Der Einsatz von Molekularsieben in den Nachbearbeitungsstufen ist unabdingbar für hohe Reinheitsgrade, die in verschiedenen industriellen Anwendungen erforderlich sind. Auf diese Weise stellen sie sicher, dass die Endproduktströme durch selektive Adsorption aller verbleibenden Verunreinigungen die strengen Reinheitsspezifikationen gemäß den Anforderungen der Kunden erfüllen. So können beispielsweise bei der Herstellung von hochreinem Stickstoff für die Elektronikindustrie Molekularsiebe eingesetzt werden, um Spuren von Verunreinigungen zu entfernen, die andernfalls die Qualität des Stickstoffs mindern und somit die Herstellungsprozesse negativ beeinflussen würden.

Energieeffizienz und Kostenreduzierung

Da der Luftzerlegungsprozess sehr energieintensiv ist, wird die Energieeffizienz bei der kryogenen Destillation zu einem entscheidenden Thema. Die kontinuierliche Verbesserung der Energieeffizienz ist wichtig, um die Betriebskosten zu senken und die Auswirkungen von Umweltveränderungen zu reduzieren, die mit Luftzerlegungsanlagen einhergehen. Die Wärme kann besser genutzt werden, um den kryogenen Destillationsprozess energieeffizienter zu gestalten. Energie kann eingespart werden, indem kalte Stickstoff- und Sauerstoffströme aus dem Prozess zur Vorkühlung der einströmenden Luft verwendet werden. Auch die Belastung der nachgeschalteten kryogenen Anlagen kann verringert werden, wenn in der Vorreinigungsstufe Hochleistungsmolekularsiebe eingesetzt werden, wodurch zusätzliche Reinigungsschritte eingespart werden können.

Eine alternative Methode zur Kostenminimierung bei der kryogenen Destillation ist der Einsatz moderner Prozesssteuerungssysteme. Diese verfügen über komplexe Algorithmen und Echtzeit-Datenanalysen für den optimalen Betrieb der Luftzerlegungsanlagen, so dass die Prozessparameter innerhalb der erforderlichen Bereiche gehalten werden. Eine fortschrittliche Prozesssteuerung reduziert den Energieverbrauch, verbessert die Produktqualität und erhöht die Gesamteffizienz der Anlage. In einem Bericht der Internationalen Energieagentur heißt es, dass die Umstellung auf fortschrittliche Prozesssteuerungssysteme in Luftzerlegungsanlagen den Energieverbrauch um bis zu 10% senken kann, was auf ein großes Potenzial zur Kostensenkung bei der kryogenen Destillation hinweist (Internationale Energieagentur).

Anwendungen der kryogenen Destillation in der Industrie

In vielen Industriezweigen wird die kryogene Destillation zur Erzeugung von hochreinen Gasen eingesetzt. Bevor die spezifischen Anwendungen untersucht werden, ist es wichtig zu prüfen, wie die kryogene Destillation im Vergleich zu anderen Methoden der Luftzerlegung in Bezug auf Energieverbrauch, Produktreinheit und Anlagenkapazität abschneidet. Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich zwischen drei wichtigen Luftzerlegungsmethoden:

Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, sind kryogene Destillationen am besten geeignet, wenn es um ultrahochreine Gase (>99,999%) geht, und eignen sich für die Massenproduktion (5000 Tonnen/Tag). Aufgrund dieser Vorteile ist die kryogene Destillation in verschiedenen Industriezweigen sehr beliebt, wie im weiteren Verlauf dieses Dokuments erläutert wird.

Industrielle Gasproduktion

Das Verfahren der kryogenen Destillation wird in diesem Sektor häufig für die Abtrennung großer Mengen von hochreinem Stickstoff, Sauerstoff und Argon eingesetzt. Diese Industriegase werden in verschiedenen Industriezweigen wie der chemischen Verarbeitung, der Metallurgie, der Elektronik und dem Gesundheitswesen usw. eingesetzt. Mit Hilfe der kryogenen Destillation können die strengsten Anforderungen dieser Industriezweige erfüllt werden, da sie Gase mit einer Reinheit von mehr als 99,999% erzeugt.

Verbrennungsanreicherung

Im Bereich der Verbrennungsanreicherung spielt auch die kryogene Destillation eine große Rolle. Verbrennungsprozesse können durch die Anwendung der kryogenen Destillation, die zu sauerstoffangereicherter Luft führt, optimiert werden. Die Verwendung von sauerstoffangereicherter Luft führt zu einer höheren Verbrennungseffizienz, einem geringeren Kraftstoffverbrauch und niedrigeren Schadstoffemissionen wie Stickoxiden (NOx) und Kohlendioxid (CO2).

Herstellung von Spezialgasen

Darüber hinaus erfolgt die Herstellung von Spezialgasen mittels kryogener Destillation, bei der sehr kleine Mengen hochreiner Gase für bestimmte Zwecke benötigt werden. Zu diesen Spezialgasen gehören ultrahochreiner (UHP) Stickstoff, Sauerstoff und Argon sowie die seltenen Gase Neon, Krypton und Xenon. Die Herstellung von Spezialgasen erfordert einen wesentlich höheren Reinheitsgrad als bei Industriegasen, da sie bis zu 99,9999% reichen können. Die kryogene Destillation in Verbindung mit fortschrittlichen Reinigungstechniken wie der Molekularsiebadsorption oder der katalytischen Reinigung ist ein Weg zur Herstellung dieser ultrahochreinen Gase für Anwendungen in der Halbleiter-, Solarzellen- oder Forschungsindustrie, die sie benötigen.

Schlussfolgerung

Das Verfahren der kryogenen Destillation wird in großem Umfang für die Herstellung und Produktion von Industriegasen, die Verbrennungsanreicherung und die Aufbereitung von Spezialgasen eingesetzt. Seine Fähigkeit, Gase mit einer Reinheit von mehr als 99,999% zu erzeugen, macht es zu einer unersetzlichen Technologie in verschiedenen Branchen wie der chemischen Verarbeitung, der Metallurgie, der Elektronik und dem Gesundheitswesen.

Molekularsiebe spielen bei der kryogenen Destillation sowohl in der Vorreinigungsphase als auch bei der Nachbehandlung eine entscheidende Rolle. In diesem Zusammenhang wird die kryogene Trennung von Luft durch Destillationsverfahren aufgrund der ständig steigenden Nachfrage nach hochreinen Industriegasen immer wichtiger.