DE102011116496A1

DE102011116496A1 - Trennsäule mit Kugelscheibe

Info

Publication number: DE102011116496A1
Application number: DE201110116496
Authority: DE
Inventors: Josef Göpperl; Karlmann Kanzler; Sepp Schuhbeck
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Doppelsäule für eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit einer Hochdrucksäule (1) und einer Niederdrucksäule (2). Die Niederdrucksäule (2) ist oberhalb der Hochdrucksäule (1) angeordnet. Die Hochdrucksäule (1) und die Niederdrucksäule (2) weisen jeweils einen Behälter auf, der jeweils durch eine zylindrische Wand (10, 20) und einen oberen und einen unteren Behälterboden (21, 11, 12) gebildet wird. Mindestens einer (11) der oberen Behälterböden von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule ist nach unten gewölbt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Trennsäule gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Unter dem Begriff ”Trennsäule” wird hier jede Säule verstanden, die zum Stoffaustausch zwischen einem aufsteigenden Gas und einer herabrieselnden Flüssigkeit dient, beispielsweise in Wasch- oder Destillierprozessen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Destilliersäulen, insbesondere in der Tieftemperatur-Destillation, speziell in der Tieftemperaturzerlegung von Luft.
Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der Aufbau von Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlagen und Doppelsäulen im Speziellen sind in der Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No. 2, 1967, Seite 35) beschrieben. Im Sumpf der Niederdrucksäule einer Doppelsäule ist üblicherweise eine Kondensator-Verdampfer, der so genannte Hauptkondensator, angeordnet, über den Hochdrucksäule und Niederdrucksäule in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
Räumliche Angaben wie oben/unten und oberhalb/unterhalb beziehen sich hier auf die Ausrichtung der Doppelsäule während des Betriebs einer Anlage.
Im Inneren der Trennsäule befinden sich Stoffaustauschelemente, die den intensiven Stoff- und Wärmetauschtausch zwischen aufsteigendem Dampf und herabrieselnder Flüssigkeit und damit die Stofftrennung durch Destillation bewirken. Diese können durch konventionelle Rektifizierböden gebildet sein (zum Beispiel Siebböden), durch Füllkörper oder durch geordnete Packung oder auch durch eine Kombination verschiedener Typen von Stoffaustauschelementen.
Es ist günstig, derartige Trennsäulen, insbesondere Doppelsäulen für die Luftzerlegung, in der Werkstatt vorzufertigen, häufig sogar mit einem Großteil der isolierenden Umhüllung (Coldbox), und dann die vorgefertigte Doppelsäule als Ganzes liegend auf die Baustelle zu transportieren und dort aufzustellen. Alternativ werden Teile der Doppelsäule, zum Beispiel die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule, separat vorgefertigt, getrennt auf die Baustelle gebracht und dort zusammengebaut.
Die Transportmaße sind dabei beschränkt, insbesondere die Länge des transportierenden Pakets, also die Höhe der Trennsäule. Es wurden schon verschiedene Vorschläge gemacht, die Höhe einer Trennsäule zu verringern. Dabei beschränkte man sich bisher auf Maßnahmen im Inneren der Säulen. Zum Beispiel wurde vorgeschlagen, spezielle Stoffaustauschelemente wie besonders dichten Packungen einzusetzen ( WO 9319336 A1 = US 5613374 ).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trennsäule der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass mit kostengünstigen Maßnahmen eine relativ geringe Bauhöhe bei gleich bleibender Kapazität erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens einer Behälterböden der Trennsäule als Kugelscheibe ausgebildet ist.
Unter einer ”Kugelscheibe” wird hier ein Werkstück verstanden, das die Form eines kreisförmigen Ausschnitts aus einer Kugeloberfläche aufweist.
Der Krümmungsradius der Kugelscheibe liegt in der Größenordnung des Kolonnendurchmesser (also des Außendurchmessers der entsprechenden zylindrischen Wand der Trennsäule), insbesondere etwas darunter. Vorzugsweise liegt das Verhältnis zwischen Krümmungsradius und Kolonnendurchmesser zwischen 0,6 und 1,2, höchst vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,0.
Üblicherweise sind Behälterböden bei größeren Säulendurchmessern stark nach außen gewölbt, weil dadurch Druckkräfte aus dem Inneren besser kompensiert werden können. Allerdings wird dadurch ein spürbarer Teil der Säulenhöhe durch den Boden belegt, der selbst keine Wirkung hinsichtlich des Stoffaustauschs in der Trennsäule, alos ihres eigentlichen Zwecks, liefert. Im Rahmen der Erfindung wird dagegen eine Kugelscheibe als Boden eingesetzt, die weniger hoch baut als die konventionellen Bodenformen. Die Erfindung wird vorzugsweise bei Säulendurchmessern von 3000 mm und mehr eingesetzt.
Unabhängig von der verringerten Transportlänge ergeben sich auch Materialeinsparungen und bei einer Luftzerleger-Doppelsäule auch verfahrenstechnische Vorteile durch die Verringerung der Bauhöhe im Rahmen der Erfindung. Zum Beispiel müssen bei nach unten gewölbtem oberem Behälterboden der Hochdrucksäule die Flüssigkeiten, die von der Hochdrucksäule in die Niederdrucksäule übergeführt werden, nur einen relativ geringen Höhenunterschied überwinden Im Rahmen der Erfindung können der obere Behälterboden, der untere Behälterboden oder beide Behälterböden der Trennsäule als Kugelscheibe ausgebildet sein. Vorzugsweise ist mindestens der obere Behälterböden der Trennsäule als Kugelscheibe ausgebildet.
Dabei ist der als Kugelscheibe ausgebildete obere Behälterboden vorzugsweise nach unten gewölbt. Einen oberen Behälterboden nach unten zu wölben, erscheint zunächst widersinnig. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, dass mit vertretbarem zusätzlichem Aufwand für die Stabilität diese Maßnahme sehr wohl möglich ist und außerdem den Investitionsaufwand für die Herstellung einer Gaszerlegungsanlage insgesamt verringert, insbesondere bei Problemen mit der Einhaltung der zulässigen Transportlängen. Zum Beispiel kann durch die erfindungsgemäße Maßnahme eine besonders hohe Kapazität der Trennsäule bei Einhaltung der vorgegebenen Transportmaße erreicht werden.
Die Erfindung kann insbesondere bei einer Doppelsäule für eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit einer Hochdrucksäule und einer Niederdrucksäule angewendet werden. Die Niederdrucksäule ist dabei oberhalb der Hochdrucksäule angeordnet. Mindestens eine der beiden Säule ist wie oben beschrieben mit mindestens einer Kugelscheibe als Behälterboden ausgestattet. Sowohl die Doppelsäule als Ganzes als auch die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule jeweils für sich können als ”Trennsäule” im Sinne der Erfindung angesehen werden.
Es ist besonders günstig, wenn die oberen Behälterböden von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule beide nach unten gewölbt sind. Damit wird die maximale Bauhöheneinsparung erreicht. In vielen Fällen genügt es auch, einen der beiden oberen Behälterböden nach unten und den anderen nach oben zu wölben.
Wenn der obere Behälterboden der Hochdrucksäule nach unten gewölbt ist, kann er gleichzeitig den unteren Behälterboden der Niederdrucksäule bilden. Hierdurch wird eine besonders hohe Materialeinsparung erreicht Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, das eine als Doppelsäule ausgebildete Trennsäule im Längsschnitt zeigt, wobei die Kolonneneinbauten im Inneren wie Stoffaustauschelemente und Verteiler sowie der Hauptkondensator nicht dargestellt sind.
Eine Doppelsäule wird durch eine Hochdrucksäule 1 und eine Niederdrucksäule 2 gebildet. (Hochdrucksäule und Niederdrucksäule sind in der Zeichnung nicht in voller Länge dargestellt.) Beide weisen eine Behälter auf, der jeweils durch eine zylindrische Wand 10/20, einen oberen Behälterboden und 11/21 einen unteren Behälterboden 12/11 auf. Der obere Behälterboden 11 der Hochdrucksäule bildet hier gleichzeitig den unteren Behälterboden der Niederdrucksäule.
Beide Behälter weisen einen Durchmesser von 3400 mm senkrecht zur Zylinderachse 3 auf. Die Dicke der zylindrischen Wand 10 beträgt 30 mm, diejenige der zylindrischen Wand 20 16 mm. Die Dicke der Wände beziehungsweise der Behälterböden hängt vom Durchmesser des Behälters, vom Druck und dem angewandten Regelwerk ab.
In einem von der Zeichnung abweichenden Ausführungsbeispiel können die Durchmesser der Behälter von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann der Durchmesser der Niederdrucksäule um 5 bis 15% größer als derjenige der Hochdrucksäule sein. In diesem Fall wird unmittelbar oberhalb der Kugelscheibe 11 ein kegelringförmiges (Kann man das so sagen?) Zwischenstück als Übergang zwischen den unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt.
Der obere Behälterboden 21 der Niederdrucksäule und der untere Behälterboden 12 der Hochdrucksäule sind konventionell ausgestaltet. Der obere Behälterboden 11 der Hochdrucksäule wird dagegen erfindungsgemäß durch eine Kugelscheibe mit Krümmungsradius 2786 mm gebildet. Außerdem ist er nach unten gewölbt (also nach außen aus Sicht der Hochdrucksäule nach innen).
Die zylindrische Wand 10 und die Kugelscheibe 11 sind mittels eines Übergangsrings 13 miteinander verbunden. Die Verbindungen zwischen der zylindrischen Wand 10 und dem Übergangsring 13 sowie zwischen dem Übergangsring 13 und der Kugelscheibe 11 sind als Schweißverbindungen ausgeführt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel weicht von dem in der Zeichnung dargestellten dadurch ab, dass zusätzlich der obere Behälterboden der Niederdrucksäule mit einer nach unten gewölbten Kugelscheibe mit Übergangsring verbunden ist, analog zu den in der Zeichnung dargestellten Elementen 11 und 13.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 9319336 A1 [0007]
US 5613374 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Monografie ”Tieftemperaturtechnik” von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) [0003]
Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No. 2, 1967, Seite 35) [0003]

Claims

Trennsäule (1, 2) mit einem Behälter, der durch eine zylindrische Wand (10, 20) und einen oberen und einen unteren Behälterboden (21, 11, 12) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer (11) der Behälterböden als Kugelscheibe ausgebildet ist.
Trennsäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Behälterböden (11) der Trennsäule (1) als Kugelscheibe ausgebildet ist.
Trennsäule nach Ansüruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Behälterboden nach unten gewölbt ist.
Doppelsäule für eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit einer Hochdrucksäule (1) und einer Niederdrucksäule (2), wobei die Niederdrucksäule (2) oberhalb der Hochdrucksäule (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdrucksäule (1) und/oder die Niederdrucksäule (2) als Trennsäule gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist.
Doppelsäule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Behälterböden von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule beide nach unten gewölbt sind.
Trennsäule nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Behälterboden (11) der Hochdrucksäule (1) nach unten gewölbt ist und gleichzeitig den unteren Behälterboden der Niederdrucksäule (2) bildet.