DE10021081A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Wärmeaustausch - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum indirekten Wärmeaustausch von mehreren Gasströmen (14, 15, 16) mit einem Wärme-/Kälteträger (2, 7) in Wärmetauscherblöcken (23a, b, c, d, e), in denen die Gasströme (14, 15, 16) durch eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen geleitet werden. Hierbei wird durch mindestens einen Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) nur einer der Gasströme (14, 15, 16) geleitet. Die Wärmeaustauschpassagen des Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e), durch den dieser Gasstrom (14, 15, 16) enden an zwei Stirnflächen des Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e). Der Gasstrom (23a, b, c, d, e) wird diesen Wärmeaustauschpassagen über jeweils einen mit dem Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) verbundenen Sammler/Verteiler (41) zugeführt und entnommen, welcher sich jeweils über die gesamte Stirnfläche des Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum indirekten Wärmeaustausch von mehreren Gasströmen mit einem Wärme-/Kälteträger in Wärmetauscherblöcken, in denen die Gasströme durch eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen geleitet werden, wobei durch mindestens einen Wärmetauscherblock nur einer der Gasströme geleitet wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Wärmeaustauschvorrichtung zum indirekten Wärmeaustausch von mindestens zwei Gasströmen mit einem Wärme-/Kälteträger in Wärmetauscherblöcken, welche eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen besitzen.

Bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft muß die zu zerlegende Einsatzluft auf die Verfahrenstemperatur abgekühlt werden. Dies erfolgt üblicherweise im Hauptwärmetauscher durch indirekten Wärmeaustausch der Einsatzluft mit den gewonnenen Gasströmen. Der Hauptwärmetauscher ist in der Regel als Plattenwärmetauscher ausgebildet, der eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen für die zu behandelnden Ströme besitzt. Bei Luftzerlegungsanlagen, in denen große Luftmengen verarbeitet werden, sind mehrere solcher Wärmetauscherblöcke notwendig, um die Luft- und Produktmengen zu verarbeiten. Üblicherweise wird der Hauptwärmetauscher ab etwa 20000 bis 30000 Nm³/h Luft in zwei Blöcke aufgeteilt.

Üblicherweise werden bisher durch jeden der einzelnen Wärmetauscherblöcke alle Gasströme sowie der Einsatzluftstrom und gegebenenfalls weitere Ströme geleitet. Werden einer Luftzerlegungsanlage beispielsweise zwei Luftströme unterschiedlichen Drucks zugeführt und als gasförmige Produkte Sauerstoff, Reinstickstoff und unreiner Stickstoff gewonnen, müssen durch jeden Wärmetauscherblock fünf Ströme geleitet werden. Jeder Wärmetauscherblock muß daher zehn Anschlußstutzen für diese Ströme, je fünf für den Gasein- und fünf für den Gasaustritt, aufweisen.

Dementsprechend sind zehn Vorrichtungen, im folgenden als Sammler/Verteiler bezeichnet, notwendig, um die Gasströme von dem jeweiligen Eintrittsstutzen auf die zugeordneten Wärmeaustauschpassagen zu verteilen beziehungsweise die aus den Wärmeaustauschpassagen austretenden Gasströme in die entsprechenden Austrittsstutzen zusammenzuführen.

Die Sammler/Verteiler werden bisher durch in den Wärmetauscherblock integrierte Verteilzonen realisiert. In diesen Verteilzonen sind zumindest ein Teil der Lamellen, die die einzelnen Wärmeaustauschpassagen voneinander abgrenzen, schräg angeordnet, so daß das über den Eintrittsstutzen einströmende Gas in die Wärmeaustauschpassagen geführt wird bzw. daß die aus den Wärmeaustauschpassagen austretende Gasströmung zu dem Austrittsstutzen umgelenkt wird.

Die Strömungsbedingungen werden allerdings in den Verteilzonen derartiger Sammler/Verteiler stark geändert. Zum einen tritt durch die schräge Ausrichtung der Lamellen eine Änderung der Stromrichtung auf, zum anderen sind die Querschnitte der Wärmeaustauschpassagen in dem Verteilbereich deutlich verringert, wodurch Geschwindigkeitswechsel des durchströmenden Gases verursacht werden. Beide Effekte erzeugen einen unerwünschten Druckabfall in den Wärmetauscherblöcken.

Aus der DE-A-42 04 172 ist bekannt, den Hauptwärmetauscher einer Luftzerlegungsanlage verfahrensseitig in mehrere Blöcke aufzuteilen, wobei jeder in der Luftzerlegungsanlage gewonnene Produktstrom über einen eigenen Wärmetauscherblock gegen Einsatzluft geführt wird. Das Verfahren zielt darauf ab, den Regelaufwand für die einzelnen Wärmetauscherblöcke zu verringern. Die Schrift befaßt sich dagegen nicht mit dem durch die Verteilzonen der Blöcke hervorgerufenen Druckverlust und beinhaltet dementsprechend auch keine Maßnahmen, die geeignet wären, diesen Druckverlust zu verringern.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur indirekten Erwärmung oder Abkühlung von mehreren Gasströmen zu entwickeln, bei dem der Druckverlust in dem Wärmetauscher möglichst gering ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Wärmeaustauschpassagen für den einen Gasstrom des mindestens einen Wärmetauscherblocks an zwei Stirnflächen des Wärmetauscherblocks enden und der eine Gasstrom den Wärmeaustauschpassagen des mindestens einen Wärmetauscherblocks über jeweils einen mit dem Wärmetauscherblock verbundenen Sammler/Verteiler zugeführt und entnommen wird, welcher sich jeweils über die gesamte Stirnfläche des Wärmetauscherblocks erstreckt.

Die erfindungsgemäße Wärmeaustauschvorrichtung zum indirekten Wärmeaustausch von mindestens zwei Gasströmen mit einem Wärme-/Kälteträger in Wärmetauscherblöcken, welche eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen besitzen, zeichnet sich dadurch aus, daß die Wärmeaustauschpassagen eines Wärmetauscherblocks, die für einen der Gasströme vorgesehen sind, an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen des Wärmetauscherblocks enden und jeweils mit einem Sammler/Verteiler in Strömungsverbindung stehen, wobei sich die Sammler/Verteiler jeweils über die gesamte Stirnfläche des Wärmetauscherblocks erstrecken.

Erfindungsgemäß wird zumindest ein Gasstrom, der einen möglichst geringen Druckverlust erfahren soll, durch einen Wärmetauscherblock geleitet, durch den ansonsten keine weiteren der Gasströme geführt werden. Selbstverständlich strömen durch diesen Wärmetauscherblock ein oder mehrere Wärme- oder Kälteträger, mit denen der Gasstrom seine Wärme austauscht. Die für diesen Gasstrom vorgesehenen Wärmeaustauschpassagen dieses Wärmetauscherblocks erstrecken sich von einer Stirnseite des Blocks zur gegenüberliegenden Stirnseite und verlaufen im wesentlichen parallel. An den beiden Stirnseiten, an denen die Wärmeaustauschpassagen enden, ist jeweils außen an dem Wärmetauscherblock ein Sammler/Verteiler angebracht, der die gesamte Stirnfläche abdeckt und einen Anschlußstutzen für die Zu- bzw. Ableitung aufweist. Die Wärmeaustauschpassagen gehen somit ohne Querschnittsverjüngung in die Zu- bzw. Ableitung über und die Strömungsumlenkung in dem Sammler/Verteiler erfolgt langsam. Der Druckverlust in dem Wärmetauscherblock und den zugehörigen Sammler/Verteilern wird dadurch minimiert.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung lassen sich Druckabfälle in den Wärmetauscherblöcken, gemessen vom Eintrittsstutzen bis zum Austrittsstutzen, von etwa 70 mbar erzielen. Demgegenüber tritt bei den herkömmlichen Wärmetauschern, bei denen die Verteilung und Zusammenführung der Gasströme zwischen dem Ein- bzw. Austrittsstutzen und den Wärmeaustauschpassagen durch eine in den Wärmetauscherblock integrierte Verteilzone mit schräg angeordneten Lamellen ein Druckabfall von etwa 100 mbar auf, wenn die Gasströme mit einem Druck zwischen 1,2 und 1,8 bar aus der Niederdrucksäule entnommen wurden. Auf der drucklosen Seite erreicht man durch die Erfindung eine Verringerung des Druckabfalls von etwa 30 mbar. Das bedeutet, daß die Niederdruckströme mit einem um 30 mbar niedrigeren Druck als sonst gewonnen werden können. Zur Aufrechterhaltung der Wärmeaustauschverhältnisse am Hauptkondensator reicht es dann aus, wenn die Luft nach dem Luftverdichter auf einen etwa 90 mbar niedrigeren Druck verdichtet wird.

Vorzugsweise ist für jeden Gasstrom jeweils ein separater Wärmetauscherblock vorgesehen. Dies hat einerseits den oben beschriebenen Vorteil des geringen Druckverlustes, andererseits wird der Verrohrungsaufwand verringert. Hinzu kommt noch die Kostenreduzierung der Wärmeaustauschblöcke, da die Verteilzonen wesentlich einfacher gestaltet sind. Bei dem üblichen Verfahren, bei dem durch jeden Wärmetauscherblock alle Gasströme fließen, sind für jeden Gasstrom sowohl auf der kalten als auch auf der warmen Seite des Hauptwärmetauschers je eine Sammelleitung als Zu- bzw. Ableitung mit mehreren Abzweigungen zu jedem Wärmetauscherblock notwendig. Wird dagegen jeder Gasstrom durch einen eigenen Wärmetauscherblock geführt, so können die Abzweigungen entfallen und die Verrohrung wird wesentlich vereinfacht.

Sofern die Gasmenge, die über einen separaten Wärmetauscherblock geführt werden soll, so groß ist, daß diese in einem Block nicht verarbeitet werden kann, so werden zwei oder mehr Wärmetauscherblöcke vorgesehen, durch die jeweils Teilströme dieses Gases geleitet werden.

Besonders geeignet ist die Erfindung bei Verfahren, bei denen Gasströme, die einen Druck von weniger als 3,5 bar, bevorzugt zwischen 1,1 und 1,8 bar, aufweisen, im folgenden als Niederdruckströme bezeichnet, in indirekten Wärmeaustausch mit einem Wärme- oder Kälteträger gebracht werden sollen. Erfindungsgemäß wird hierbei durch einen Wärmertauscherblock jeweils nur einer dieser Niederdruckgasströme geführt, d. h. für jeden der Gasströme, die einen Druck von weniger als 3,5 bar aufweisen, wird ein eigener Wärmetauscherblock eingesetzt.

Bei Gasströmen mit einem Druck von mehr als ca. 4 bar spielt der Druckverlust in dem Wärmetauscherblock nur eine untergeordnete Rolle bzw. kann vernachlässigt werden. Es ist daher manchmal vorteilhaft, durch mindestens einen der Wärmetauscherblöcke, durch den einer der Niederdruckgasströme geleitet wird, zusätzlich einen solchen Strom mit erhöhtem Druck zu führen.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt bei der Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft Anwendung. Die als Produkt aus der Niederdrucksäule eines Doppelsäulenrektifikators abgezogenen Gasströme besitzen lediglich einen geringen Überdruck von etwa 0,1 bis 0,8 bar über Atmosphärendruck, sodaß eine Verringerung des Druckabfalls von hoher Bedeutung ist. Dies gilt in analoger Weise für gasförmiges Argonprodukt, da die Rohargonsäule ebenfalls unter relativ niedrigem Druck betrieben wird.

Besonders bevorzugt werden die Gasströme mit der Einsatzluft in indirekten Wärmeaustausch gebracht. Die Einsatzluft kann hierbei in mehreren auf unterschiedlichem Druckniveau liegenden Strömen durch die Wärmetauscherblöcke geführt werden. So kann die Einsatzluft beispielsweise zum einen unter Drucksäulendruck durch den Wärmetauscherblock geleitet und anschließend in die Drucksäule eingespeist werden, zum anderen kann die Einsatzluft vor dem Wärmetauscherblock nachverdichtet und nach Abkühlung zur Kälteerzeugung arbeitsleistend entspannt werden.

In Ländern mit relativ niedrigen Energiekosten bringt eine Verringerung der Druckabfälle keinen Vorteil, da die mit der Energieeinsparung verbundenen Kosten hoch sind. Bei diesen Anwendungen ist es daher günstiger, nicht die Druckverluste zu minimieren, sondern die Strömungsgeschwindigkeiten zu erhöhen, um höhere Druckabfälle zu erzielen, wodurch letztlich kleinere Wärmetauscherblöcke erforderlich sind.

Vorzugsweise wird der Gasstrom so durch die Wärmetauscherblöcke geleitet, daß er einen Druckabfall von 120 bis 300 mbar, bevorzugt 120 bis 200 mbar, erleidet. Durch Anhebung des Druckabfalls wird eine größere Strömungsgeschwindigkeit als in den herkömmlichen Wärmetauschern erreicht, wodurch die Wärmeübergangszahlen verbessert werden, was letztlich dazu führt, daß das Blockvolumen des Wärmetauschers verringert werden kann. Bei gleichem Druckabfall im Wärmetauscherblock ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren eine Reduktion der Blockvolumina um etwa 15%, woraus eine beträchtliche Kosteneinsparung resultiert.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 die Anordnung und Ausführung der Hauptwärmetauscherblöcke einer großen Luftzerlegungsanlage mit mehreren Hauptwärmetauscherblöcken gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Konfiguration der Hauptwärmetauscherblöcke einer großen Luftzerlegungsanlage,

Fig. 3 bis 6 die herkömmliche Anordnung der Lamellen im Ein- und Austrittsbereich der Wärmeaustauschpassagen,

Fig. 7 und 8 die erfindungsgemäßen Sammler/Verteiler im Ein- und Austrittsbereich der Wärmeaustauschpassagen,

Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Sauerstoff- und Stickstoffinnenverdichtung,

Fig. 10 ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Sauerstoffinnenverdichtung und

Fig. 11 ein Luftzerlegungsverfahren mit Stickstoffkreislauf.

Fig. 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahrensschema einer großen Luftzerlegungsanlage zur Verarbeitung von etwa 100.000 Nm³/h Luft, bei der es notwendig ist, den Hauptwärmetauscher durch mehrere separate Wärmetauscherblöcke 3 zu realisieren.

Verdichtete und gereinigte Einsatzluft 1 wird zum Teil 2 direkt mehreren parallel zueinander angeordneten Wärmetauscherblöcken 3a-3e zugeführt, zum Teil 4 mittels eines Verdichters 5 nachverdichtet, in einem Nachkühler 6 gekühlt und dann in die Wärmetauscherblöcke 3a-3e geleitet. Diese im folgenden als Turbinenluftstrom 7 bezeichnete Druckluft wird an einer Zwischenstelle den Wärmetauscherblöcken 3a- 3e entnommen, in einer Turbine 8 entspannt und in die Niederdrucksäule 10 einer Rektifikationseinheit 11, welche eine Drucksäule 9 und eine Niederdrucksäule 10 umfaßt, eingeleitet.

Die Wärmetauscherblöcke 3a-3e bilden den Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage. Die in den Blöcken 3a-3e abgekühlte Einsatzluft 2 wird der Drucksäule 9 der Rektifikationseinheit 11 zugeführt. Der Niederdrucksäule 10 werden gasförmiger Sauerstoff 14, gasförmiger Stickstoff 15 sowie gasförmiger Unrein- Stickstoff 16 als Regeneriergas mit einem Druck von etwa 1,3 bar entnommen. Ferner ist es möglich, in der Rektifikationseinheit 11 Sauerstoff und Stickstoff als flüssige Produkte 12, 13 zu gewinnen. Die Gasströme 14, 15, 16 werden in jeden der Wärmetauscherblöcke 3a-3e geführt und gegen den Einsatzluftstrom 2 und den Turbinenluftstrom 7 durch indirekten Wärmeaustausch angewärmt.

Da durch jeden der Wärmetauscherblöcke 3a-3e alle gasförmigen Ströme 14, 15, 16 sowie im Gegenstrom die beiden Luftströme 2, 7, d. h. insgesamt fünf verschiedene Ströme, geleitet werden, sind pro Wärmetauscherblock 3 zehn Sammler/Verteiler mit den dazugehörigen Ein- bzw. Austrittsstutzen notwendig, über die jeweils die Verbindung zwischen dem Zu- bzw. Ableitungsrohr und der entsprechenden Wärmeaustauschpassage hergestellt wird.

In Fig. 2 ist ein Fig. 1 entsprechendes Verfahrensschema dargestellt, wobei jedoch, im Gegensatz zu dem in Fig. 1 gezeigten bekannten Verfahren, die Wärmetauscherblöcke 3 erfindungsgemäß nach Produkten aufgeteilt sind. Der Luftstrom 2 und der Turbinenluft 7 werden ebenso wie bei dem Verfahren gemäß Fig. 1 allen Wärmetauscherblöcken 23a-23e zugeführt. Dagegen werden die gasförmigen Gasströme 14, 15, 16 nicht mehr in allen Wärmetauscherblöcken 23, sondern in jeweils speziell den Gasströmen 14, 15, 16 zugeordneten Blöcken 23 angewärmt.

Jeweils etwa 20% der insgesamt zugeführten Luft 1 werden in der Rektifikationseinheit 11 durch Tieftemperaturzerlegung der Luft 1 in gasförmigen Sauerstoff 14 und Unrein- Stickstoff 16 umgesetzt. Die verbleibenden 60% der Luft 1 werden als gasförmiger Reinstickstoff 15 aus der Rektifikationseinheit 11 abgezogen. Die Wärmetauscherblöcke 23 sind so bemessen, daß sich für den gasförmigen Sauerstoffstrom 14 und den Unreinstickstoffstrom 16 jeweils Blöcke 23a, 23e mit Maximalabmessungen ergeben, d. h. die Blöcke 23a und 23e sind genau auf die erwarteten Sauerstoff- bzw. Stickstoffmengen ausgelegt. Aus herstellungstechnischen Gründen werden alle Blöcke 23a-23e mit identischer Größe ausgeführt, sodaß für den Reinstickstoffstrom 15 drei Wärmetauscherblöcke 23b-23d benötigt werden.

Durch den Wärmetauscherblock 23a wird somit lediglich Sauerstoff 14 gegen die Luftströme 2 und 7 geführt, durch die Blöcke 23b bis 23d Reinstickstoff 15 gegen Luft 2, 7 und durch den Wärmetauscherblock 23e Unreinstickstoff 16 gegen Luft 2, 7. Die Anzahl der Wärmetauscherblöcke 23 bleibt somit gegenüber dem Verfahren nach Fig. 1 gleich, da bei beiden Verfahren dieselben Produktmengen mit denselben Luftmengen ihre Wärme austauschen müssen.

Die Blockkonfiguration vereinfacht sich jedoch wesentlich. Jedem Wärmetauscherblock 23 werden nur noch drei Ströme, zwei Luftströme 2, 7 und ein Gasstrom 14, 15 oder 16, zugeführt, wodurch jeder Block 23 lediglich sechs Sammler/Verteiler mit den entsprechenden Anschlußstutzen benötigt.

Die Wärmeaustauscherblöcke 23 werden erfindungsgemäß entsprechend den Fig. 7 und 8 ausgeführt. Zum Vergleich ist in den Fig. 3 bis 6 der Aufbau eines Wärmetauscherblocks 3 der bisher üblichen Art dargestellt. Fig. 3 zeigt die Lamellenanordnung in den Verteilzonen 31 für die Sauerstoffpassagen 34, Fig. 4 für die Reinstickstoffpassagen 35 und Fig. 5 entsprechend für die Unreinstickstoffpassagen 36. In Fig. 6 ist die Anordnung aller Ein- und Austrittsstutzen zu sehen.

Bei dem Verfahren gemäß Fig. 1 werden in dem Wärmetauscherblock 3 drei unterschiedliche Produkte 14, 15, 16 gegen den Luftstrom 2 und den Turbinenluftstrom 7 geführt. Die Verteilung des jeweiligen gasförmigen Produktes auf die entsprechenden Wärmeaustauschpassagen 34, 35, 36 erfolgt über Verteilzonen 31, 32, 33, die schräg angeordnete Lamellen aufweisen, um das Gas 14, 15, 16 aus der Zufuhrleitung 37a, 38a, 39a auf die Passagen 31, 32, 33 zu verteilen beziehungsweise um das aus den Passagen 31, 32, 33 austretende Gas in die Abzugsleitung 37b, 38b, 39b zusammenzuführen.

Die Verteilzonen 31, 32, 33 führen sowohl zu einer Änderung der Strömungsrichtung als auch zu Querschnittsveränderungen, welche wiederum Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit verursachen. Beides wirkt sich negativ auf die Blockdurchströmung aus und erzeugt einen unerwünschten Druckabfall über dem Wärmetauscherblock 3. Der Druckabfall wirkt sich insbesondere bei den Gasströmen, die einen relativ niedrigen Druck zwischen 1,1 und 1,8 bar besitzen, negativ aus. Auch eine Vertauschung der Passagen 34, 35, 36 für die Gasströme 14, 15, 16 mit denen für die Luft 2 oder die Turbinenluft 7, welche seitlich angeordnete Ein- und Austrittsstutzen 40a, 40b, 41a, 41b besitzen (siehe Fig. 6), bringt keine Verbesserung, da die Verteilung der Luft 2, 7 auf die zugehörigen Wärmeaustauschpassagen über ähnliche Verteilpassagen, wie die in den Fig. 3 bis 5 dargestellten, erfolgt und damit ähnliche Strömungsknicke und Querschnittsänderungen auftreten.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die neue Blockkonfiguration. Ein Hauptmerkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß in jedem Wärmetauscherblock 23 nur noch einer der Gasströme 14, 15, 16 im Gegenstrom mit Luft 2, 7 geführt wird. Mit den Stirnflächen des Wärmetauscherblocks 23 werden Sammler/Verteiler 43, auch als Domheader bezeichnet, als Ein- und Austritte für den jeweiligen Gasstrom 14, 15, 16 verbunden. Die Sammler/Verteiler 43 sind halbzylindrisch ausgeführt und besitzen einen Anschlußstutzen für die Produktzu- bzw. -ableitung. Der in den neuen Wärmetauscherblock 23 eingeleitete Gasstrom erfährt keinerlei Querschnittsveränderung und keine wesentliche Stromrichtungsänderung. Der Druckabfall über dem Wärmetauscherblock 23 ist gegenüber dem Druckabfall über einem üblichen Block 3, wie er anhand der Fig. 3 bis 6 erläutert wurde, um etwa 30% verringert. Ferner werden die Kosten für die Wärmetauscherblöcke 23 reduziert, da auf die aufwendigen Lamellenzuschnitte für die Verteilzonen 32 in den Fig. 3 bis 5 verzichtet werden kann.

Anstelle der aufwendigen Verteilzonen 32 mit schrägen Lamellen in den bekannten Wärmetauscherblöcken (siehe Fig. 3 bis 5) ist bei den neuen Wärmetauscherblöcken bevorzugt lediglich eine schmale Verteilzone 42 am Eintritts- und Austrittsbereich der Wärmeaustauschpassagen vorgesehen. Die Lamellen in der schmalen Verteilzone 42 sind parallel zu den darunter bzw. darüberliegenden Lamellen der Wärmeaustauschpassagen angeordnet, besitzen jedoch einen geringeren Abstand voneinander. Das in den Sammler 41 eintretende Gas staut sich dadurch leicht vor der Verteilzone 42, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Gases auf alle Passagen der Verteilzone 42 und damit auf alle Wärmeaustauschpassagen erreicht wird.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich. Zusätzlich zu dem deutlich verringerten Druckabfall über den Wärmertauscherblöcken 23 stellt sich bei dem neuen Verfahren die Verrohrung wesentlich einfacher dar. Neben der Reduzierung der Blockstutzenzahl von zehn auf sechs pro Wärmetauscherblock sind auch weniger Sammelleitungen und Rohrverzeigungen notwendig, um die Gasströme 14, 15, 16 den Blöcken 23 zuzuführen.

In Fig. 1 ist zu erkennen, daß beispielsweise von der Stickstoffproduktleitung 15 vier Rohrverzweigungen 17a-17d abgehen, um den Stickstoff auf die fünf Wärmetauscherblöcke 3 zu verteilen. Umgekehrt sind vier Rohrverzeigungen 18a- 18d notwendig, um den angewärmten Stickstoff wieder in die Sammelleitung 19 zusammenzuführen. Für jeden der fünf durch die Wärmetauscherblöcke geleiteten Ströme müssen somit acht Rohrverzweigungen vorgesehen werden, insgesamt also 40 Rohrverzweigungen beziehungsweise Rohrvereinigungen.

Im Gegensatz dazu werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Fig. 2 lediglich der Luftstrom 2 und der Turbinenluftstrom 7 auf alle fünf Wärmetauscherblöcke 23 verteilt, wofür entsprechend 16 Rohrverzweigungen notwendig sind. Hierzu kommen zwei Verzweigungen 20a, b und zwei Rohrvereinigungen 21a, b zur Verteilung des Stickstoffstromes 15 auf die Blöcke 23b, c, e und anschließenden Zusammenführung in die Abzugsleitung 19.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren stehen an Verrohrungsaufwand insgesamt 20 Verzweigungen einem Aufwand von 40 Verzweigungen bei dem herkömmlichen Verfahren gemäß Fig. 1 gegenüber. Diese Reduktion um 50% ist ein deutlicher Beleg für die Vereinfachung der Verrohrungskomplexität.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur auf solche Prozesse beschränkt, bei denen alle Produkte gasförmig gewonnen werden, sondern beispielsweise auch auf Innenverdichtungsverfahren, bei denen Flüssigprodukte aus der Rektifikationseinheit abgezogen werden.

Fig. 9 zeigt das Schema eines Luftzerlegungsverfahrens, bei dem neben gasförmigem Reinstickstoff 15 und gasförmigem Unreinstickstoff 16 flüssiger Stickstoff 51 aus dem Hauptkondensator der Rektifikationseinheit 11 entnommen und mittels einer Innenverdichtungspumpe 52 auf erhöhten Druck gebracht wird. Der flüssige und auf erhöhten Druck gebrachte Stickstoff 51 wird dann im Wärmetauscherblock 56 gegen Luft 7 und mittels des Verdichters 59 komprimierte Hochdruckluft verdampft und erwärmt.

Der Sauerstoff 12 wird bei diesem Verfahren ebenfalls in flüssiger Form aus der Niederdrucksäule 10 abgezogen und mit Hilfe der beiden Pumpen 54 und 55 innenverdichtet. Der Reinstickstoffstrom 15 und der Unreinstickstoffstrom 16 werden in den Wärmetauscherblöcken 23b, c, d bzw. dem Block 23e, die jeweils entsprechend den Fig. 7 und 8 aufgebaut sind, erwärmt. Zur Verdampfung und Erwärmung der innenverdichteten Ströme 57, 58 findet dagegen ein Hochdruckwärmetauscherblock 56 Anwendung. Der Hochdruckwärmetauscherblock 56 entspricht auf den ersten Blick dem anhand der Fig. 3 bis 6 erläuterteten Wärmetauscherblock, besitzt jedoch eine deutlich höhere Festigkeit, um den hohen Drücken der Innenverdichtungsströme standhalten zu können. Die in dem Wärmetauscherblock 56 auftretenden Druckverluste wirken sich bei den Innenverdichtungsströmen 57, 58 weitaus weniger negativ aus als bei den gasförmigen Gasströmen 15, 16 aus der Niederdrucksäule 10.

Ein ähnliches Verfahren wie in Fig. 9 ist in Fig. 10 dargestellt, bei dem ebenfalls flüssiger Sauerstoff 12 innenverdichtet wird 54, 55, jedoch nicht gegen Hochdruckluft, sondern gegen Hochdruckstickstoff verdampft und erwärmt wird. Hierzu wird der Drucksäule 9 gasförmiger Stickstoff bei 61 entnommen, durch den Wärmetauscherblock 62 geführt, mittels des Verdichters 63 verdichtet und im Gegenstrom durch den Wärmetauscherblock 62 zurück in die Drucksäule 9 geleitet. Der Wärmetauscherblock 62 entspricht in seinem Aufbau im wesentlichen dem Wärmetauscherblock 56 in Fig. 9. Eine Innenverdichtung von Stickstoff entfällt bei dieser Variante, da nach dem Verdichter 63 Hochdruckstickstoff 64 abgezogen werden kann.

Fig. 11 zeigt eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird flüssiger Sauerstoff bei 12 der Rektifikationssäule 11 entnommen und mittels der beiden Pumpen 54, 55 innenverdichtet. Die Verdampfung des Flüssigsauerstoffs erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel gegen Kreislaufstickstoff, der bei 61 aus der Drucksäule 9 abgezogen, im Wärmetauscherblock 77 angewärmt, mit den Verdichtern 71, 72, 73 verdichtet und im Wärmetauscherblock 77 gegen die Innenverdichtungsprodukte abgekühlt und in die Drucksäule 9 geleitet wird 76. Ein Teil des Stickstoffs wird nach dem Verdichter 71 entspannt (74) und in den Stickstoffkreislauf zurückgeführt. Ein weiterer Teil des Stickstoffs wird nach Verdichtung in den Verdichtern 71, 72, 73 und anschließender Abkühlung im Wärmetauscherblock 77 an einer Zwischenstelle aus dem Wärmetauscherblock 77 abgezogen, bei 75 entspannt und in den Stickstoffkreislauf zurückgeleitet.

Claims (12)

1. Verfahren zum indirekten Wärmeaustausch von mehreren Gasströmen mit einem Wärme-/Kälteträger in Wärmetauscherblöcken, in denen die Gasströme durch eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen geleitet werden, wobei durch mindestens einen Wärmetauscherblock nur einer der Gasströme geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschpassagen für den einen Gasstrom (14, 15, 16) des mindestens einen Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e) an zwei Stirnflächen des Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e) enden und der eine Gasstrom (14, 15, 16) den Wärmeaustauschpassagen des mindestens einen Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e) über jeweils einen mit dem Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) verbundenen Sammler/Verteiler (41) zugeführt und entnommen wird, welcher sich jeweils über die gesamte Stirnfläche des Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e) erstreckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Gasströme (14, 15, 169 durch einen separaten Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) geleitet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Gasstrom (14, 15, 16) mit einem Druck von weniger als 3,5 bar, vorzugsweise 1,1 bis 1,8 bar, durch den Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) geleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme (14, 15, 16) jeweils einen Druck von weniger als 3,5 bar, bevorzugt zwischen 1,1 und 1,8 bar, aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Strom mit einem Druck von mehr als 4 bar durch den mindestens einen Wärmetauscherblock geleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme durch Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft (1) gewonnen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme (14, 15, 16) mit der Einsatzluft (2, 7) in indirekten Wärmeaustausch gebracht werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Gasstrom so durch den Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) geleitet wird, daß der Druckabfall im Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) weniger als 100 mbar, bevorzugt weniger als 80 mbar beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Gasstrom (14, 15, 16) so durch den Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) geleitet wird, daß der Druckabfall im Wärmetauscherblock zwischen 80 und 300 mbar, bevorzugt zwischen 100 und 250 mbar beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als 50.000 Nm³/h Einsatzluft, bevorzugt mehr als 100.000 Nm³/h Einsatzluft verarbeitet werden.

11. Wärmeaustauschvorrichtung zum indirekten Wärmeaustausch von mindestens zwei Gasströmen mit einem Wärme-/Kälteträger in Wärmetauscherblöcken, welche eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschpassagen eines Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e), die für einen der Gasströme (14, 154, 16) vorgesehen sind, an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen des Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e) enden und jeweils mit einem Sammler/Verteiler (41) in Strömungsverbindung stehen, wobei sich die Sammler/Verteiler jeweils über die gesamte Stirnfläche des Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e) erstrecken.

12. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler/Verteiler (41) im wesentlichen halbzylindrisch ausgebildet ist und einen Anschlußstutzen aufweist.