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Die Erfindung betrifft eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne sowie ein Verfahren zur Behandlung eines ersten Fluids und eines zweiten Fluids unter Verwendung einer entsprechenden Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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In unterschiedlichen Bereichen der chemischen Industrie werden Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonnen zur verfahrenstechnischen Behandlung, insbesondere zur stofflichen Trennung, von Fluiden eingesetzt. Beispielsweise können zur Tieftemperaturzerlegung von Luft Stoffaustauschkolonnen in Form von Rektifikations- bzw. Destillationskolonnen zum Einsatz kommen. Verfahren und Anlagen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind aus der allgemeinen Fachliteratur bekannt, beispielsweise aus H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, „Cryogenic Rectification“.
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Luftzerlegungsanlagen weisen typischerweise Anordnungen mit zumindest zwei Rektifikationskolonnen zur Bereitstellung von stickstoff- und sauerstoffreichen Luftprodukten auf. Typischerweise sind dabei zumindest eine sogenannte Hochdrucksäule, auch als Drucksäule bezeichnet, und eine sogenannte Niederdrucksäule vorgesehen. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Betriebsdruck von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar, betrieben. Es können auch beispielsweise sogenannte Mitteldrucksäulen verwendet werden, die bei einem Betriebsdruck betrieben werden, der zwischen den genannten Werten liegt. Insbesondere die Niederdrucksäule kann zweiteilig ausgebildet sein.
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Bei Luftzerlegungsanlagen, die zur Gewinnung weiterer Luftprodukte dienen, ist außer den genannten Rektifikationskolonnen typischerweise zumindest eine weitere Rektifikationskolonne vorhanden. Im Falle der Gewinnung von Argon sind zumindest eine sogenannte Rohargonsäule und typischerweise außerdem eine sogenannte Reinargonsäule vorgesehen.
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Neben Luftzerlegungsanlagen profitieren beliebige weitere Verfahren, bei denen ein Stoff- und/oder Wärmeaustausch unter Verwendung von Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonnen durchgeführt wird, von den in der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagenen Maßnahmen. Beispiele hierfür sind die kryogene Zerlegung von Erdgas, Trennverfahren zur Aufbereitung von Gasgemischen, die durch stoffumwandelnde Prozesse bereitgestellt werden, Trennkolonnen in Raffinerieprozessen und dergleichen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf spezifische Verfahren, insbesondere nicht auf die Luftzerlegung, beschränkt.
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Ist nachfolgend von einer „Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne“ die Rede, sei hierunter ein Apparat verstanden, der typischerweise zylindrisch aufgebaut ist und insbesondere mit einer oder mehreren geeigneten Packungen oder Einbauten ausgestattet sein kann. Beispielsweise handelt es sich bei einer zum Stoffaustausch ausgebildeten Rektifikationskolonne um eine Trenneinheit, die dafür eingerichtet ist, ein gasförmig oder flüssig oder in Form eines Zweiphasengemischs mit flüssigen und gasförmigen Anteilen, ggf. auch im überkritischen Zustand, eingespeistes Komponentengemisch durch Rektifikation zumindest teilweise aufzutrennen, also aus den Komponentengemisch jeweils Reinstoffe oder Stoffgemische mit zumindest anderer Zusammensetzung zu erzeugen. Eine Rektifikation umfasst dabei bekanntermaßen wiederholte Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge, insbesondere auf bzw. unter Verwendung von hierfür geeigneten Einbauten, beispielsweise Trennböden oder geordneten oder ungeordneten Packungen. Grundsätzlich kann eine Rektifikationskolonne als eine im Gegenstrom kaskadierte Anordnung von Destillationsstufen verstanden werden.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich grundsätzlich jedoch auch für andere Typen von Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonnen, beispielsweise Waschkolonnen, Absorptionskolonnen, Flashkolonnen, Strippkolonnen und dergleichen. Derartige Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonnen können sich baulich von Rektifikationskolonnen unterscheiden, insbesondere dadurch, dass andere oder keine zusätzlichen Apparate wie Kondensatoren oder Verdampfer vorgesehen sind.
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Zur Auslegung und spezifischen Ausgestaltung von entsprechenden Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonnen sei auf einschlägige Lehrbücher verwiesen (siehe beispielsweise K. Sattler, „Thermische Trennverfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate“, 3. Auflage 2001, Wiley-VCH, Weinheim).
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Häufig ist es beim Betrieb von Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonnen erforderlich, an definierten Positionen Fluidgemische einzuspeisen, die unter Bildung mehrerer Fluidströme unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet werden. Neben unterschiedlichen Zusammensetzungen können entsprechende Fluidströme jedoch auch andere unterschiedliche Fluideigenschaften, beispielsweise unterschiedliche Temperaturen, aufweisen. Sollen dabei mehrere Fluidströme einer entsprechenden Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne auf derselben Höhe zugeführt werden, wird herkömmlicherweise im Allgemeinen eine Mischung dieser Fluidströme vor der Zuspeisung durchgeführt. Auf diese Weise kann eine durch die unterschiedlichen Zusammensetzungen und/oder anderen Fluideigenschaften bewirkte inhomogene Verteilung über den Querschnitt der Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne verhindert werden, welche sich nachteilig auf den jeweils durchgeführten Stoff- und/oder Wärmeaustauschprozess auswirken könnte. Im Stand der Technik wird daher eine Vermischung entsprechender Fluidströme auf einer definierten Kolonnenhöhe über eine zusätzliche Verrohrung außerhalb des Kolonnenkörpers durchgeführt.
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Unterschiedliche Randbedingungen, beispielsweise Platzmangel, können die Vermischung der Gasströme vor der Zuspeisung in die Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne erschweren oder unmöglich machen. Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, auch in solchen Fällen eine Durchmischung von Fluiden, die in eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne eingespeist werden, effizient durchführen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne sowie ein Verfahren zur Behandlung eines ersten Fluids und eines zweiten Fluids unter Verwendung einer entsprechenden Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Liegen die zuvor erläuterten Randbedingungen vor, die eine Vermischung von Gasströmen vor der Zuspeisung in eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne erschweren oder unmöglich machen, ist es von entscheidender Bedeutung für eine effiziente Funktionsweise der Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne, dass die Vermischung innerhalb des Kolonnenkörpers mit hoher Mischgüte, d.h. Homogenität, bei möglichst geringer zusätzlicher Verdeckung des Kolonnenquerschnitts erzielt werden kann. Anderenfalls kann beispielsweise eine inhomogene Verteilung der Fluidströme bzw. ihrer Komponenten zu einer verminderten Trennleistung führen. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch Maßnahmen, die eine effiziente Vermischung innerhalb des Kolonnenkörpers ermöglichen.
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Die vorliegende Erfindung geht von einer Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne mit einer Außenhülle aus, die einen Kolonneninnenraum einschließt. Durch die Außenhülle führen ein ersten Fluideinlass und ein zweiter Fluideinlass in den Kolonneninnenraum. Der erste Fluideinlass und der zweite Fluideinlass sind dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere zur Kopplung mit Leitungen eingerichtet oder mit entsprechenden Leitungen gekoppelt, mittels derer ein erstes Fluid und ein zweites Fluid in den Kolonneninnenraum eingespeist werden können.
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Der Begriff „Kolonneninnenraum“ bezeichnet dabei insbesondere den Raum, innerhalb dessen sich in der Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne Einbauten befinden, die einen Stoff- und/oder Wärmeaustausch begünstigen. Der Kolonneninnenraum unterscheidet sich von den Fluideinlässen (und ebenfalls vorhandenen Fluidauslässen) durch seine größere lichte Weite, die durch die Außenhülle definiert wird.
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Innerhalb des Kolonneninnenraums, d.h. nicht in Form einer Außenverrohrung sondern in Form von innerhalb des Kolonneninnenraums angeordneten Strukturen, sind eine erste Fluidleiteinheit und eine zweite Fluidleiteinheit bereitgestellt, wobei die erste Fluidleiteinheit mit dem ersten Fluideinlass und die zweite Fluidleiteinheit mit dem zweiten Fluideinlass gekoppelt bzw. fluidisch verbunden ist.
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Unter einer „Fluidleiteinheit“ kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine geschlossene, rohrartige Anordnung verstanden werden, es ist jedoch insbesondere auch möglich, entsprechende Fluidleiteinheiten lediglich in Form von Fluidleitstrukturen auszubilden, die zumindest den überwiegenden Teil des jeweiligen (ersten oder zweiten) Fluids in eine bestimmte Richtung lenken. Da die Fluidleiteinheiten innerhalb des Kolonneninnenraums ausgebildet sind, geht auch bei einer nicht völlig dichten Ausbildung der Fluidleiteinheiten Fluid, das die Fluidleiteinheiten verlässt, nicht verloren sondern strömt in den weiteren Kolonneninnenraum ab und kann dort ebenfalls einem Stoff- und/oder Wärmeaustausch unterworfen werden.
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Erfindungsgemäß ist in dem Kolonneninnenraum eine Fluidmischeinheit bereitgestellt, wobei die erste Fluidleiteinheit dafür eingerichtet ist, ein über den ersten Fluideinlass in den Kolonneninnenraum eingespeistes erstes Fluid zumindest teilweise der Fluidmischeinheit zuzuleiten und wobei die zweite Fluidleiteinheit dafür eingerichtet ist, ein über den zweiten Fluideinlass in den Kolonneninnenraum eingespeistes zweites Fluid zumindest teilweise der Fluidmischeinheit zuzuleiten.
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Die Fluidmischeinheit ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung dafür eingerichtet, entsprechende Fluide miteinander zu vermischen, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf die Vermischung lediglich zweier Fluide beschränkt ist. Ist daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einem ersten Fluideinlass und einem zweiten Fluideinlass bzw. einer ersten Fluidleiteinheit und einer zweiten Fluidleiteinheit die Rede, ist hierdurch nicht ausgeschlossen, dass auch weitere Fluideinlässe, Fluidleiteinheiten und dergleichen bereitgestellt werden können. In einem derartigen Fall kann die Fluidmischeinheit insbesondere dazu eingerichtet sein, auch entsprechende weitere Fluide zu vermischen.
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Die Vermischung in der Fluidmischeinheit muss dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht vollständig erfolgen, vielmehr kann auch lediglich eine Vormischung in der Fluidmischeinheit durchgeführt werden. Eine endgültige Durchmischung kann dann durch eine Verteilung eines entsprechend gebildeten und ggf. noch inhomogen durchmischten Mischfluids auf Stoff- und/oder Wärmeaustauschbereiche der Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne bzw. in entsprechenden Bereichen erzielt werden. Auch durch eine entsprechende Vormischung können ggf. Inhomogenitäten in der Fluidverteilung innerhalb einer entsprechenden Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne verhindert werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der Fluidmischeinheit eine oder mehrere Fluidverteileinheiten zugeordnet, die dafür eingerichtet sind, ein in der Fluidmischeinheit unter Vermischen zumindest des ersten Fluids und des zweiten Fluids gebildetes Mischfluid in einem Bereich des Kolonneninnenraums zu verteilen. Entsprechende Fluidverteileinheiten können dabei, wie insbesondere auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert, ausgehend von der Fluidmischeinheit, die insbesondere an oder in der Nähe der Außenhülle in dem Kolonneninnenraum angeordnet sein kann, in Richtung des Kolonneninnenraums bzw. entlang der Außenhülle verlaufen. Entsprechende Fluidverteileinheiten können insbesondere auch als Distributoren ausgebildet sein, bzw. mit solchen Distributoren gekoppelt sein.
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Einrichtungen zum Einspeisen von Fluiden in eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne und zum Verteilen des Fluids in der Kolonne sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So kann beispielsweise im Mündungsbereich einer Einspeiseleitung ein Prallblech oder eine strukturierte bzw. geordnete Packung (engl. Structured Packing) vorgesehen sein, die eine Feinverteilung des entsprechenden Fluids bzw. einer Verteilung über den Querschnitt der Kolonne bewirkt. Entsprechende Verteileinrichtungen können insbesondere auch eine Fluidströmung in eine bestimmte Richtung, beispielsweise in Richtung des Säulensumpfs, bewirken. Zum Einspeisen von Gasen in entsprechende Kolonnen sind beispielsweise tangentiale Gasleiteinrichtungen bekannt. Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung mit sämtlichen dieser bekannten Vorrichtungen verwendet werden, wobei die Fluidmischeinheit mit derartigen Vorrichtungen gekoppelt sein kann.
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Wie bereits zuvor erläutert, sind Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonnen grundsätzlich in Form von zumindest abschnittsweise zylindrischen Einheiten bzw. Apparaten ausgebildet. Mit anderen Worten ist der Kolonneninnenraum insbesondere zumindest in einem Abschnitt in Form eines Zylinders mit einer Zylinderachse ausgebildet. Die Zylinderachse verläuft dabei der Verwendung einer entsprechenden Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht, so dass sich, beispielsweise im Fall einer Rektifikationskolonne, Fluid in flüssigem Zustand im Sumpf der Kolonne ansammelt bzw. in Richtung des Sumpfs abfließt und Fluid in gasförmigem Zustand in der Kolonne in Richtung des Kopfs aufsteigt.
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Wie bereits erläutert, ist es in bestimmten Fällen erforderlich, Fluid auf gleicher Höhe in eine entsprechende Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne einzuspeisen. Genau hier setzt die vorliegende Erfindung an und ermöglicht für derartige Fälle eine besonders homogene Vermischung der entsprechenden Fluide, auch bei unterschiedlichen Fluideigenschaften, wie bereits erläutert.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind daher der erste Fluideinlass und der zweite Fluideinlass insbesondere in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die senkrecht zu der Zylinderachse steht. Diese gemeinsame Ebene entspricht dabei einer gemeinsamen Höhe bei Verwendung der Säule, bei der, wie bereits erwähnt, die Zylinderachse senkrecht angeordnet ist.
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Die vorliegende Erfindung kann sich in der Fluidmischeinheit zur Vermischung der Fluide insbesondere der bereits erwähnten strukturierten bzw. geordneten Packungen bedienen. Strukturierte bzw. geordnete Packungen sind umfangreich in der Fachliteratur beschrieben, beispielsweise bei M. Kraume, Packungskolonnen, In: Transportvorgänge in der Verfahrenstechnik, VDI-Buch, Springer 2012. Der Fachmann wählt aus dem Bekannten dabei je nach den geforderten technischen Wirkungen bzw. den vorliegenden Randbedingungen aus.
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Eine strukturierte bzw. geordnete Packung kann insbesondere aus dünnen, gewellten und optional gelochten Metallplatten bzw. Drahtnetzen bestehen. Bei strukturierten bzw. geordneten Packungen aus gewellten Metallplatten können die durch die Wellung gebildeten Rippen in unterschiedlichen Winkeln relativ zu einer Bezugsrichtung, insbesondere der Mittelachse einer Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne, angeordnet sein, wobei die Rippen benachbarter Platten beispielsweise in einem Winkel von 90° zueinander stehen können. Entsprechende Rippen können in unterschiedlichen Bereichen auch eine unterschiedliche Ausrichtung zu der Bezugsrichtung aufweisen.
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Die in derartigen strukturierten bzw. geordneten Packungen verwendeten Metallplatten können glatte oder dessinierte (weiter strukturierte) Oberflächen aufweisen, wobei jeweils optional eine Lochung vorgesehen sein kann. Die Metallplatten können insbesondere aus unterschiedlichen Materialien wie C-Stahl oder Edelstahl gefertigt sein und je nach geforderter Belastbarkeit unterschiedliche Wandstärken aufweisen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung, können auch strukturierte bzw. geordnete Packungen aus Kunststoff eingesetzt werden, die in ihrem Aufbau grundsätzlich den erwähnten strukturierten bzw. geordneten Packungen aus gewellten Metallplatten entsprechen können, aber auch abweichend hierzu aufgebaut sein können wie nachfolgend noch weiter erläutert. Insbesondere können in entsprechenden Packungen Materialien wie Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylidenfluorid und/oder Polytetrafluorethylen eingesetzt werden. Auch die Verwendung von strukturierten bzw. geordneten Packungen aus Keramik ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.
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Anstelle der zuvor erläuterten Strukturierung in Form von gewellten (Metall-, Kunststoff- oder Keramik-)Platten können auch beispielsweise Gitterstrukturen aus den entsprechenden Materialien verwendet werden. Gitterstrukturpackungen eignen sich insbesonder für Anwendungen mit großen Ansprüchen an die Kapazität.
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In strukturierten bzw. geordneten Packungen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, können je nach Bedarf beispielsweise auch Metallgitter, Streckmetall oder Metallgewebe bzw. entsprechende Strukturen aus anderen Materialien zum Einsatz kommen. Sämtliche der im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Elemente können mittels generativer bzw. additiver Fertigungsverfahren (engl. Additive Manufacturing, AM) hergestellt werden. Die Fertigung erfolgt in diesem Fall direkt auf der Basis von Rechnermodellen aus formlosem oder formneutralem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse. Es sind keine speziellen Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstückes gespeichert haben wie beispielsweise Guss- oder Prägeformen.
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Zur besonders effektiven Vermischung des ersten und des zweiten Fluids in der Fluidmischeinheit ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Fluidmischeinheit erste Fluidführungsstrukturen und zweite Fluidführungsstrukturen aufweist, wobei die ersten Fluidführungsstrukturen und die zweiten Fluidführungsstrukturen zumindest teilweise alternierend zueinander in der Fluidmischeinheit angeordnet und zumindest teilweise fluidisch miteinander verbunden sind. Diese Ausführungsform liegt insbesondere dann vor, wenn eine aus gewellten Platten gebildete strukturierte bzw. geordnete Packung eingesetzt wird. In diesem Fall werden unter den „Fluidführungsstrukturen“ die Zwischenräume zwischen den Platten bzw. die durch die Wellung gebildeten Kanäle verstanden. Die Platten werden nachfolgend auch als „Trenner“ zwischen den Fluidführungsstrukturen bezeichnet.
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Die Fluidführungsstrukturen sind dabei insbesondere in Form flacher Kammern ausgebildet, die eine größte Erstreckung in Ebenen aufweisen, die parallel zu der bereits erwähnten gemeinsamen Ebene des Fluideinlasses angeordnet sind. Der Begriff „flach“ bezeichnet dabei eine Ausgestaltung, bei der eine Erstreckung in zwei Raumrichtungen deutlich größer ist als eine Erstreckung in einer dritten Raumrichtung, insbesondere wenigstens das Doppelte, Dreifache, Vierfache, Fünffache, Zehnfache, Zwanzigfache, Fünfzigfache oder Einhundertfache, beträgt. Die Fluide werden im Rahmen dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung insbesondere auf die horizontalen Strömungskanäle (die entsprechenden Fluidführungsstrukturen) aufgeteilt. Aufgrund der alternierenden Ausrichtung der Strömungskanäle pro Packungslage kommte es zu einer fluiddynamischen Interaktion benachbarter Strömungskanäle, was zu einer Vermischung innerhalb der Packungsgeometrie führt. Ferner kommt es beim Austritt der Gasströme aus den Strömungskanälen in dieser Ausgestaltung der Erfindung zu einer weiteren intensiven Nachvermischung.
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Entsprechende Fluidführungsstrukturen können dabei die bereits erwähnten Trenner, die insbesondere strukturiert und beispielsweise in Form von Blechen ausgebildet sein können, gebildet sein. Entsprechende Trenner können dabei insbesondere Fluiddurchtritte aufweisen, so dass Fluid aus einer Fluidführungsstruktur in die andere Fluidführungsstruktur übertreten kann und umgekehrt. Das erste und das zweite Fluid werden dabei vorteilhafterweise im Gegenstrom durch die jeweils alternierenden Fluidführungsstrukturen geführt.
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An den jeweiligen Austritten aus den Fluidführungsstrukturen sind dabei vorteilhafterweise die bereits erwähnten Fluidverteileinheiten angebracht bzw. bestehen mit diesem Auslass in fluidischer Verbindung. Somit kann über die Fluidverteileinheiten der Fluidmischeinheit mittels der Fluidführungsstrukturen vermischtes Fluid entnommen werden. Durch eine geeignete Strukturierung entsprechender Trenner, die die Fluidführungsstrukturen definieren, kann dabei die Vermischung begünstigt und in bestimmten Bereichen verstärkt werden.
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Wie bereits erwähnt, sind die ersten Fluidführungsstrukturen und die zweiten Fluidführungsstrukturen in der Fluidmischeinheit insbesondere in Ebenen angeordnet, die senkrecht zur Zylinderachse stehen. Auf diese Weise kann die Fluidströmung im Wesentlichen auf den Bereich der Fluidmischeinheit begrenzt werden und entsprechendes Fluid tritt nicht unvermischt in angrenzende Stoff- und/oder Wärmeaustauschbereiche der Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne über. Mischfluid kann auf diese Weise definiert der Fluidmischeinheit entnommen und die entsprechenden Bereiche verteilt werden.
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Allgemein erweist es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft, wenn die Fluidmischeinheit, wie bereits erwähnt, eine strukturierte bzw. geordnete Packung aufweist, wobei eine Strukturierung insbesondere durch die bereits erwähnten Trenner oder durch andere bekannte Maßnahmen aus dem Gebiet der Kolonnentechnik gebildet werden kann. Eine strukturierte bzw. geordnete Packung muss dabei nicht notwendigerweise eine homogene Strukturierung in der gesamten Fluidmischeinheit aufweisen, vielmehr ist es auch möglich, in bestimmten Bereichen durch eine geeignete Anpassung der Strukturierung eine besonders vorteilhafte Vermischung zu erzielen. Eine Strukturierung kann beispielsweise in Form von strukturierten Blechen, aber auch mittels Füllkörpern oder irregulären Packungselementen erzielt werden.
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Um den Säulenquerschnitt nicht in übermäßigem Umfang zu verlegen, ist gemäß einer besonders bevorzugen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Fluidmischeinheit, die erste Fluidleiteinheit und/oder die zweite Fluideinheit an der Außenhülle der Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne, d.h. in einem peripheren Bereich von deren Innenraum, angeordnet sind.
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Beispielsweise können die Fluidmischeinheit, die erste Fluidleiteinheit und/oder die zweite Fluidleiteinheit an die Außenhülle angelegt sein oder einen definierten Abstand zu dieser aufweisen, der geringer ist als ein Abstand zu der bereits erwähnten Zylinderachse bzw. dem Mittelpunkt des Säulenquerschnitts. Beispielsweise kann der Abstand von der Außenhülle zu den genannten Einheiten höchstens ein Zehntel, ein Fünftel oder ein Viertel des Abstands zu der Zylinderachse bzw. dem Mittelpunkt des Säulenquerschnitts darstellen. Die Fluidverteileinheiten können hingegen insbesondere in den Kolonneninnenraum ragen, um Fluid definiert und besonders homogen auf den gesamten Säulenquerschnitt verteilen zu können.
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Wie bereits mehrfach erläutert, kann die vorliegende Erfindung insbesondere in Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonnen eingesetzt werden, die einen oder mehrere Stofftrenn- und/oder Wärmeaustauschbereiche aufweisen. Entsprechende Stofftrenn- und/oder Wärmeaustauschbereiche können dabei reguläre oder irreguläre Packungen oder andere Einbauten aufweisen, wie sie grundsätzlich aus dem Bereich der Kolonnentechnik bekannt sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bearbeitung eines ersten Fluids und eines zweiten Fluids, wobei das erste Fluid und das zweite Fluid unterschiedliche Fluideigenschaften aufweisen. Wie bereits erwähnt, können derartige unterschiedliche Fluideigenschaften beispielsweise unterschiedliche Fluidzusammensetzungen bezogen auf die jeweils enthaltenen Komponenten und/oder unterschiedliche Fluidtemperaturen darstellen.
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Erfindungsgemäß ist in einem derartigen Verfahren vorgesehen, dass eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne verwendet wird, wie sie zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei das erste Fluid über den ersten Fluideinlass und das zweite Fluid über den zweiten Fluideinlass in den Innenraum des Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne eingespeist. Das erste Fluid und das zweite Fluid werden in der Fluidmischeinheit unter Bildung eines Mischfluids zumindest teilweise miteinander vermischt. Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen des erfindungsgemäß folgenden Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen bezüglich der Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne und der jeweiligen Ausgestaltungen ausdrücklich verwiesen, da auch das erfindungsgemäße Verfahren von den jeweiligen Merkmalen profitiert.
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Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Mischfluid, das in der Fluidmischeinheit durch die Vermischung des ersten Fluids und des zweiten Fluids gebildet wird, auf wenigstens eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschbereich der Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne verteilt werden. Insbesondere können dabei das erste Fluid und das zweite Fluid im flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand eingespeist werden. In beiden Fällen kann eine besonders vorteilhafte Vermischung durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Fluidmischeinheit erzielt werden.
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In besonderer Weise eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für die Vermischung von Fluiden, die Stickstoff und Argon in unterschiedlichen Konzentrationen aufweisen, beispielsweise für Anwendungen im Bereich der Luftzerlegung.
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Die Erfindung im nachfolgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Form unterschiedlicher Darstellungen veranschaulichen.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in pseudoperspektivischer Teilansicht.
- 2 veranschaulicht eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
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Die 3A und 3B zeigen eine Fluidmischeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Teildarstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt und erläutert.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in pseudoperspektivischer Teilansicht dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. In 2 ist die Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne 100 im Querschnitt dargestellt. Die 1 und 2 zeigen dieselbe Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne 100, es sind jedoch nicht jeweils sämtliche Elemente veranschaulicht, beispielsweise weil diese verdeckt und/oder aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen sind. Die 1 und 2 werden nachfolgend gemeinsam beschrieben.
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Die Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne 100 weist eine punktiert dargestellte Außenhülle 1 auf, die hier insbesondere in 1 nur abschnittsweise dargestellt ist, und welche einen Kolonneninnenraum 2 einschließt. Durch die Außenhülle 1 führen ein erster Fluideinlass 3 und ein zweiter Fluideinlass 4 in den Kolonneninnenraum 2, wobei dem ersten Fluideinlass 3 eine in dem Kolonneninnenraum 2 angeordnete, hier an die Außenhülle 1 angelegte erste Fluidleiteinheit 5 zugeordnet ist. Dem zweiten Fluideinlass 4 ist entsprechend eine hier der Außenhülle 1 angelegte zweite Fluidleiteinheit 6 zugeordnet. Im dargestellten Beispiel stehen der erste Fluideinlass 3 mit der ersten Fluidleiteinheit 5 und der zweite Fluideinlass 4 mit der zweiten Fluidleiteinheit 6 jeweils in direkter fluidischer Verbindung. Die Fluidleiteinheit 5 und 6 sind hier als gebogene, kastenförmige Kammern veranschaulicht, es ist jedoch grundsätzlich auch eine beliebige andere Ausgestaltung möglich.
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In der in den 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine in dem Kolonneninnenraum 2 angeordnete und hier ebenfalls in der Nähe der Außenhülle 1 der Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne 100 angeordnete Fluidmischeinheit 7 bereitgestellt, die im dargestellten Beispiel mit den Fluidleiteinheiten 5 und 6 verbunden ist. Die erste Fluidleiteinheit 5 ist damit dafür eingerichtet, ein über den ersten Fluideinlass 3 in den Kolonneninnenraum 2 eingespeistes erstes Fluid der Fluidmischeinheit 7 zuzuleiten und die zweite Fluidleiteinheit ist dafür eingerichtet, ein über den zweiten Fluideinlass 4 in den Kolonneninnenraum 2 eingespeistes zweites Fluid der Fluidmischeinheit 7 zuzuleiten. Die Fluidmischeinheit 7 ist dafür eingerichtet, das erste und das zweite Fluid zumindest teilweise miteinander zu vermischen.
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Die Fluidmischeinheit 7 weist zur Vermischung des erste und des zweiten Fluids in dem dargestellten Beispiel alternierend übereinander angeordnete erste und zweite Fluidführungsstrukturen 8, 9 auf, die im dargestellten Beispiel durch entsprechende Packungselemente bzw. strukturierte Trenner 10 gebildet sind. Die Trenner 10 können beispielsweise die Vermischung der Fluide begünstigenden Strukturen aufweisenden Blechen ausgebildet sein. Sie sind hier der Übersichtlichkeit halber und zur Vereinfachung unstrukturiert gezeigt.
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Nach dem Durchströmen der Fluidmischeinheit 7 liegen die beiden Fluide, die über den ersten Fluideinlass 3 und dem zweiten Fluideinlass 4 in die Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne 100 eingespeist wurden, in Form eines zumindest teilweise homogenen Mischfluids vor. Wie bereits erwähnt, kann in der Fluidmischeinheit 7 jedoch auch nur eine Vorvermischung erfolgen.
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Entsprechende zumindest teilvermischte Fluide können anschließend über hier mit 11 bezeichnete wobei beispielsweise mit entsprechenden Zusatzstrukturen versehene Fluidverteileinheiten auf nicht dargestellte Stoff- und/oder Wärmeaustauschbereiche der Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne 100 aufgebracht und insbesondere homogen über den gesamten Querschnitt verteilt werden. Eine Zuleitung von der Fluidmischeinheit 7 kann mittels entsprechender Strukturen 12, die nur in 2 veranschaulicht sind, erfolgen. Die Fluidverteileinheiten 11 können in einer Ebene oberhalb oder, wie hier veranschaulicht, unterhalb der Fluidmischeinheit und der Fluidleiteinheiten 5 und 6 angeordnet sein.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich, können die Fluidleiteinheiten 5 und 6 an der Außenhülle 1 der Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne 100 angelegt sein, um hierdurch eine möglichst geringe Verlegung des Säulenquerschnitts zu erzielen.
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In den 3A und 3B ist eine wie zuvor mit 7 bezeichnete Fluidmischeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Teildarstellung gezeigt.
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Wie erwähnt, kann sich die vorliegende Erfindung in der Fluidmischeinheit 7 insbesondere einer strukturierten bzw. geordneten Packung aus gewellten und optional weiter strukturierten und/oder gelochten Metallplatten bedienen. Dieser Fall ist in den 3A und 3B veranschaulicht. Die Fluidführungsstrukturen 8, 9 stellen hier die Zwischenräume zwischen den entsprechenden Platten, also den Trennern 10, bzw. die durch die Wellung der Platten gebildeten Kanäle dar. Zur besseren Veranschaulichung zeigt die 3A die Trenner 10 mit einem (in der Praxis typischerweise nicht verwendeten) Zwischenraum zwischeneinander, wohingegen gemäß der Darstellung gemäß 3B die Trenner direkt aufeinanderliegen (wie beim Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung typischerweise der Fall).
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Wie erwähnt, können die durch die Wellung der Trenner 10 gebildeten Rippen in unterschiedlichen Winkeln relativ zu einer Bezugsrichtung, insbesondere der Mittelachse einer Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne, angeordnet sein, wobei die Rippen benachbarter Trenner 10, wie in den 3A und 3B veranschaulicht, typischerweise in einem Winkel von 90° zueinander stehen. Entsprechende Rippen können, wie hier jedoch nicht gesondert veranschaulicht, in einem ersten und einem zweiten Abschnitt eines jeweiligen Trenners 10 unterschiedliche Winkel mit der Mittelachse der Kolonne einschließen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den 3A und 3B eine optionale weitere Strukturierung der Trenner 10 und eine optionale Lochung nicht veranschaulicht.
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Es sei nochmals betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von strukturierten bzw. geordneten Packungen aus gewellten und optional weiter strukturierten und/oder gelochten Metallplatten beschränkt ist, sondern sich sämtlicher der zuvor erläuterten und ggf. auch weiterer, nicht erläuterter Strukturierungen in der Fluidmischeinheit 7 bedienen kann.
