DE102011116498A1 - Doppelsäule für eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage - Google Patents

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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 Doppelsäule gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • 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 Hochdrucksäule und der Niederdrucksäule 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 Doppelsäulen 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 Doppelsäule. Es wurden schon verschiedene Vorschläge gemacht, die Höhe einer Doppelsäule zu verringern. Dabei beschränkte man sich bisher auf Maßnahmen im Inneren der Säulen. Zum Beispiel wurde vorgeschlagen, spezielle Stoffaustauschelemente wie besonders dichte Packungen einzusetzen ( WO 9319336 A1 = US 5613374 ).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Doppelsäule 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 der oberen Behälterböden von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule nach unten gewölbt ist.
  • Üblicherweise sind Behälterböden nach außen gewölbt, weil dadurch Druckkräfte aus dem Inneren besser kompensiert werden können. Bei Trennsäulen bis etwa 3000 mm Durchmesser werden außerdem ebene Platten als Behälterböden eingesetzt. Einen oberen Behälterboden nach unten zu wölben, erscheint zunächst widersinnig. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Maßnahme nicht nur sehr wohl möglich ist – und zwar mit vertretbarem zusätzlichem Aufwand für die Stabilität –, sondern auch den Investitionsaufwand für die Herstellung einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage 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 wird vorzugsweise bei Säulendurchmessern von mehr als 3000 mm eingesetzt.
  • Unabhängig von der Transportlänge ergeben sich auch Materialeinsparungen und 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
  • 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
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der obere Behälterboden der Niederdrucksäule beziehungsweise der Hochdrucksäule durch eine Kugelscheibe gebildet. 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 Kolonnendurchmessers (also des Außendurchmessers der entsprechenden zylindrischen Wand der Hochdrucksäule beziehungsweise Niederdrucksäule), 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.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, das eine Doppelsäule 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 Zwischenstück als Übergang zwischen den unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt.
  • Der obere Behälterboden 21 der Niederdrucksäule und der untere Behälterboden 12 der Hochdrucksäule sind konventionell ausgestaltet, also nach außen gewölbt. Der obere Behälterboden 11 der Hochdrucksäule ist dagegen erfindungsgemäß nach unten gewölbt (also nach außen aus Sicht der Hochdrucksäule nach innen). Er wird insbesondere durch eine Kugelscheibe mit Krümmungsradius 2786 mm gebildet.
  • 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 [0006]
    • US 5613374 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Monografie ”Tieftemperaturtechnik” von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) [0002]
    • Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No. 2, 1967, Seite 35) [0002]

Claims (5)

  1. Doppelsäule für eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit einer Hochdrucksäule (1) und einer Niederdrucksäule (2), wobei die Niederdrucksäule (2) oberhalb der Hochdrucksäule (1) angeordnet ist und die Hochdrucksäule (1) und die Niederdrucksäule (2) jeweils einen Behälter aufweisen, der jeweils 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 oberen Behälterböden von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule nach unten gewölbt ist.
  2. Doppelsäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Behälterböden von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule beide nach unten gewölbt sind.
  3. Doppelsäule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Behälterboden (11) der Hochdrucksäule (1) nach unten gewölbt ist und gleichzeitig den unteren Behälterboden der Niederdrucksäule (2) bildet.
  4. Doppelsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Behälterboden der Niederdrucksäule durch eine Kugelscheibe gebildet wird.
  5. Doppelsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Behälterboden (11) der Hochdrucksäule (1) durch eine Kugelscheibe gebildet wird.
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