DE102010012920A1 - Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

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Abstract

Die Vorrichtung dient zur Tieftemperaturzerlegung von Luft. Sie weist folgende Merkmale auf: einen Hauptwärmetauscher (6) und einen Unterkühlungs-Gegenströmer (2); ein Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (5), das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist; eine Mischsäule (1); Mittel zum Einleiten von Einsatzluft über den Hauptwärmetauscher in die Hochdrucksäule und in die Mischsäule; eine Flüssigsauerstoffleitung zum Einleiten von flüssigem Sauerstoff aus der Niederdrucksäule in den oberen Bereich der Mischsäule; eine Sauerstoffproduktleitung zum Abziehen von Sauerstoffgas aus dem oberen Bereich der Mischsäule durch den Hauptwärmetauscher. Die Mischsäule (1) und mindestens einer der beiden genannten Wärmetauscher (2, 6) sind in einer gemeinsamen Coldbox (3) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Luftzerlegungsverfahren mit Mischsäule sind seit den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts bekannt ( DE 2204376 = US 4022030 ). Außerdem sind solche Verfahren in US 5454227 , US 5490391 , DE 19803437 A1 , DE 19951521 A1 , EP 1139046 B1 (= US 2001052244 A1 ), EP 1284404 A1 (= US 6662595 B2 ), DE 10209421 A1 , DE 10217093 A1 , EP 1376037 B1 (= US 6776004 B2 ), EP 1387136 A1 und EP 1666824 A1 offenbart. Diese Schriften zeigen nur schematische Verfahrensdiagramme und enthalten keine Information über die räumliche Anordnung der Mischsäule in Bezug auf die übrigen Apparateteile.
  • Aus DE 19904526 A1 ist bekannt, Hochdrucksäule, Niederdrucksäule und Mischsäule nebeneinander auf dem Boden anzuordnen. In US 6167723 wird ebenfalls empfohlen, die Mischsäule auf dem Boden aufzustellen, hier ist die Niederdrucksäule oberhalb der Mischsäule angeordnet, die Hochdrucksäule steht daneben. Auch in DE 19919587 A1 steht die Mischsäule auf dem Boden; die Doppelsäule aus Hochdrucksäule und Niederdrucksäule ist oberhalb der Mischsäule aufgebaut.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung der Mischsäule zu finden.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Mischsäule und mindestens einer der beiden genannten Wärmetauscher in einer gemeinsamen Coldbox angeordnet sind.
  • Eine Coldbox dient zur thermischen Isolierung von Anlagenteilen (siehe zum Beispiel Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 1985, insbesondere Seiten 490 und 491). Unter einer ”Coldbox” wird hier eine isolierende Umhüllung verstanden, die einen wärmeisolierten Innenraum vollständig mit Außenwänden umfasst; in dem Innenraum sind zu isolierenden Anlagenteile angeordnet, zum Beispiel ein oder mehrere Trennsäulen und/oder Wärmetauscher. Die isolierende Wirkung kann durch entsprechende Ausgestaltung der Außenwände und/oder durch die Füllung des Zwischenraums zwischen Anlagenteilen und Außenwänden mit einer einem Isoliermaterial bewirkt werden. Bei der letzteren Variante wird vorzugsweise ein pulverförmiges Material wie zum Beispiel Perlite verwendet.
  • Für die erfindungsgemäße Vorrichtung gibt es drei Varianten
    • – Mischsäule, Hauptwärmetauscher und Unterkühlungs-Gegenströmer in einer gemeinsamen Coldbox
    • – Mischsäule und Unterkühlungs-Gegenströmer in einer gemeinsamen Coldbox; Hauptwärmetauscher in einer weiteren, separaten Coldbox
    • – Mischsäule und Hauptwärmetauscher in einer gemeinsamen Coldbox; Unterkühlungs-Gegenströmer in einer weiteren, separaten Coldbox
  • Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die ersten beiden Varianten, wobei die Mischsäule vorzugsweise oberhalb des Unterkühlungs-Gegenströmers angeordnet ist.
  • Alle Angaben zur räumlichen Orientierung beziehen sich hier auf Ausrichtung der Vorrichtung während des Betriebs der Kolonnen.
  • Ein Behälter (zum Beispiel eine Säule oder ein Wärmetauscher) befindet sich ”oberhalb” (beziehungsweise ”unterhalb”) eines anderen Behälters, wenn sich seine Unterkante (Oberkante) auf höherem (niedrigerem) geodätischen Niveau als die Oberkante (Unterkante) des anderen Behälters befindet. Dabei kann, muss aber nicht eine vertikale Linie existieren, die durch beide Behälter hindurchgeht. In der Projektion auf eine horizontale Ebene können sich die Querschnitte der beiden Behälter überschneiden, sie können aber auch vollständig versetzt zueinander angeordnet sein Analog ist der Begriff ”übereinander” zu verstehen.
  • Bei der Erfindung wird der – ansonsten ungenutzte – Raum über dem Wärmetauscher, auf günstige Weise verwendet, indem die Mischsäule dort platziert wird. Es ergibt sich eine besonders kompakte Vorrichtung.
  • Die Hochdrucksäule, die Niederdrucksäule und der Hauptwärmetauscher können bei der Erfindung grundsätzlich in einer oder mehreren weiteren Coldboxen angeordnet sein. Im einen Extremfall weisen sie jeweils eine eigene Coldbox auf, im anderen sind sie in einer gemeinsamen Coldbox mit Mischsäule und Unterkühlungs-Gegenströmer untergebracht, die insbesondere alle kalten Teile der Vorrichtung umschließt.
  • Der Unterkühlungs-Gegenströmer dient dazu, eine oder mehrere Flüssigkeiten aus einer der Säulen des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung oder der Mischsäule im Gegenstrom zu einem oder mehreren kalten gasförmigen Strömen, die in der Regel aus der Niederdrucksäule kommen, zu unterkühlen oder anzuwärmen. Insbesondere dient ein Unterkühlungs-Gegenströmer dazu, flüssige Ströme, die mit Siedetemperatur aus einer Säule mit höheren Druck (zum Beispiel der Hochdrucksäule) in eine Säule mit niedrigerem Druck (zum Beispiel die Niederdrucksäule) entspannt werden, möglichst bis zu Siedetemperatur abgekühlt werden, die dem niedrigeren Druckniveau entspricht. Dabei wird die Dampfmenge (Flash) bei der Entspannung vom höheren auf den niedrigeren Druck minimiert. Wenn der flüssige Sauerstoff aus der Niederdrucksäule vor der Einspeisung in die Mischsäule durch den Unterkühlungs-Gegenströmer geführt wird, wird dieser umgekehrt angewärmt, um möglichst nahe an den Siedepunkt unter dem – regelmäßig höheren – Druck der Mischsäule zu gelangen. Im Gegenzug dazu werden die kalten Ströme mit der Tautemperatur aus den Säulen mit dem niedrigeren Druck angewärmt. Da diese Ströme in den Hauptwärmetauscher gehen, wird die Prozessluft in die Hochdrucksäule ebenfalls wärmer, das heißt sie ist der Tautemperatur näher. Der Anteil der vorverflüssigten Luft wird minimiert. Bei den bisher bekannten Mischsäulenanlagen bleibt der Raum oberhalb dieses Wärmetauschers weitgehend ungenutzt, nicht so bei der Erfindung. In dieser Variante der Erfindung ist der Unterkühlungs-Gegenströmer durch ein vom Hauptwärmetauscher getrenntes Bauteil realisiert.
  • Die Mischsäule kann dabei durch geeignete Verbindungselemente auf dem Unterkühlungs-Gegenströmer befestigt sein. Insbesondere dann, wenn die Mischsäule seitlich versetzt zum Unterkühlungs-Gegenströmer angeordnet ist, wird die Mischsäule vorzugsweise auf einem Gestell angeordnet, gegebenenfalls mit zusätzlicher Abstützung an der Außenwand der Coldbox oder an anderen Apparaten, die von der Coldbox umschlossen werden. Dieses Gestellt stützt sich vorzugsweise auf dem Boden der Coldbox ab. Wenn auch die Doppelsäule aus Hochdrucksäule und Niederdrucksäule in derselben Coldbox angeordnet ist, kann es besonders günstig sein, wenn die Mischsäule an der Doppelsäule abgestützt ist.
  • Es ist günstig, wenn eine gemeinsame Coldbox Mischsäule, Unterkühlungs-Gegenströmer, Hochdrucksäule und Niederdrucksäule umschließt. Die Coldbox weist vorzugsweise eine rechteckige Grundfläche auf. Der Hauptwärmetauscher kann grundsätzlich ebenfalls in der gemeinsamen Coldbox untergebracht werden. Alternativ wird er in einer zweiten, separaten Coldbox angeordnet, insbesondere dann, wenn diese vorgefertigt werden kann und anschließend weitgehend komplett auf die Baustelle transportiert wird. Hochdrucksäule und Niederdrucksäule sind vorzugsweise als Doppelsäule gestaltet.
  • Die oben zuerst und zuletzt genannten Varianten können so realisiert werden, dass die Mischsäule und der Hauptwärmetauscher in der gemeinsamen Coldbox angeordnet sind. Hierbei ist es günstig, wenn eine erste Coldbox den Hauptwärmetauscher und die Mischsäule umschließt. Eine zweite Coldbox enthält dann die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, die vorzugsweise in Form einer klassischen Doppelsäule angeordnet sind. In dieser Variante der Erfindung kann der Unterkühlungs-Gegenströmer in den Hauptwärmetauscher integriert sein. Bei kleinen Anlagen können alle genannten kalten Teile in einer einzigen Coldbox angeordnet werden. Dies kann auch bei sehr großen Anlagen sinnvoll sein, bei denen die Coldbox auf der Baustelle zusammengesetzt wird.
  • In diesem Fall ist es günstig, wenn eine erste Coldbox den WT und die Mischsäule und eine zweite Coldbox die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule umschließen.
  • Hochdrucksäule und Niederdrucksäule sind vorzugsweise übereinander angeordnet.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Anordnung von Mischsäule und Unterkühlungs-Gegenströmer übereinander in horizontaler Querschnittsdarstellung,
  • 2 das erste Ausführungsbeispiel in vertikaler Querschnittsdarstellung,
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Anordnung von Mischsäule und Hauptwärmetauscher in einer gemeinsamen Coldbox in horizontaler Querschnittsdarstellung und
  • 4 das zweite Ausführungsbeispiel in vertikaler Querschnittsdarstellung,
  • In dem Beispiel von 1 sind eine Mischsäule 1 und ein Unterkühlungs-Gegenströmer 2 in einer gemeinsamen Coldbox 3 angeordnet. Hochdrucksäule und Niederdrucksäule des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung sind als klassische Doppelsäule 5 realisiert und ebenfalls in der Coldbox 3 untergebracht. 2 zeigt dieselbe Anordnung in anderer Ansicht.
  • Von der Coldbox 3 sind in beiden Zeichnungen nur die seitlichen Außenwände dargestellt. Details wie Rohrleitungen, Ventile und das Innere der Apparate 1, 2 sind nicht gezeigt. Der Zwischenraum zwischen den Apparaten 1, 2, 5 und der Außenwand der Coldbox 3 ist mit Perlite gefüllt. Die Unterseite der Coldbox 4 wird durch eine separate Außenwand gebildet. Die Doppelsäule 5 ist über ein nicht dargestelltes Gestell auf dem Boden 4 der Coldbox 3 abgestützt. Die Mischsäule 1 und der Unterkühlungs-Gegenströmer stützen sich über ebenfalls nicht dargestellte Verbindungselemente an der Doppelsäule 5 ab.
  • Ein Hauptwärmetauscher ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel in einer separaten Coldbox untergebracht (in 1 und 2 nicht dargestellt).
  • Die beiden gestrichelten Kreise 1a und 1b in 1 stellen zwei Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels dar, bei der die Mischsäule versetzt zum Unterkühlungs-Gegenströmer 2 angeordnet ist. Die Mischsäule ist jedoch auch hier oberhalb des Unterkühlungs-Gegenströmers angeordnet (analog zu 2); um diese geodätische Höhe zu erreichen muss sie auf ein eigenes Gestellt montiert sein.
  • In dem Beispiel von 3 sind eine Mischsäule 1 und ein Hauptwärmetauscher 6 in einer gemeinsamen Coldbox 3 angeordnet. 4 zeigt dieselbe Anordnung in anderer Ansicht. Von der Coldbox 3 sind in beiden Zeichnungen nur die seitlichen Außenwände dargestellt. Details wie Rohrleitungen, Ventile und das Innere der Apparate 1, 6 sind nicht gezeigt. Der Zwischenraum zwischen den Apparaten 1, 6 und der Außenwand der Coldbox 3 ist mit Perlite gefüllt. Die Unterseite der Coldbox 4 kann durch eine separate Außenwand oder eine Fundament gebildet werden. Die beiden Apparate 1, 6 werden von je einem Gestell unterstützt.
  • Ein Unterkühlungs-Gegenströmer und das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung sind bei dem zweiten Ausführungsbeispiel in einer oder mehreren separaten Coldboxen untergebracht (in den 3 und 4 nicht dargestellt).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 2204376 [0002]
    • US 4022030 [0002]
    • US 5454227 [0002]
    • US 5490391 [0002]
    • DE 19803437 A1 [0002]
    • DE 19951521 A1 [0002]
    • EP 1139046 B1 [0002]
    • US 2001052244 A1 [0002]
    • EP 1284404 A1 [0002]
    • US 6662595 B2 [0002]
    • DE 10209421 A1 [0002]
    • DE 10217093 A1 [0002]
    • EP 1376037 B1 [0002]
    • US 6776004 B2 [0002]
    • EP 1387136 A1 [0002]
    • EP 1666824 A1 [0002]
    • DE 19904526 A1 [0003]
    • US 6167723 [0003]
    • DE 19919587 A1 [0003]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 1985, insbesondere Seiten 490 und 491 [0006]

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Hauptwärmetauscher (6) und einem Unterkühlungs-Gegenströmer (2), mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (5), das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, und mit einer Mischsäule (1) und mit Mitteln zum Einleiten von Einsatzluft über den Hauptwärmetauscher in die Hochdrucksäule und in die Mischsäule, mit einer Flüssigsauerstoffleitung zum Einleiten von flüssigem Sauerstoff aus der Niederdrucksäule in den oberen Bereich der Mischsäule und mit einer Sauerstoffproduktleitung zum Abziehen von Sauerstoffgas aus dem oberen Bereich der Mischsäule durch den Hauptwärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischsäule (1) und mindestens einer der beiden genannten Wärmetauscher (2, 6) in einer gemeinsamen Coldbox (3) angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischsäule (1) und der Unterkühlungs-Gegenströmer (2) in der gemeinsamen Coldbox (3) angeordnet sind und die Mischsäule (1) oberhalb des Unterkühlungs-Gegenströmers (2) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischsäule (1) auf einem Gestell angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Coldbox (3) die Mischsäule (1), den Unterkühlungs-Gegenströmer (2), die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule umschließt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischsäule (1) und der Hauptwärmetauscher (6) in der gemeinsamen Coldbox (3) angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Coldbox (3) den Hauptwärmetauscher (6) und die Mischsäule (1) und eine zweite Coldbox die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule umschließen.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdrucksäule und Niederdrucksäule übereinander (5) angeordnet sind.
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