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Die
Erfindung betrifft ein Kolonnensystem gemäß dem Patentanspruch 1.
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Die
Betriebstemperatur von Gaszerlegungsanlagen ist im Allgemeinen nicht
gleich der Umgebungstemperatur. Beispielsweise werden Erdgas- oder
Luftzerlegungsanlagen bei niedrigen Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur
betrieben. Die in solchen Anlagen eingesetzten Trennkolonnen werden
mit einer isolierenden Hülle
versehen, einer so genannten Coldbox. Die Coldbox weist einen Mantel
auf, der ein- oder
mehrschichtig sein kann. Der Zwischenraum zwischen Coldbox-Mantel und
Außenwand
der Kolonne wird im Allgemeinen mit pulverförmigem Isoliermaterial (zum
Beispiel Perlite) gefüllt.
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Aus
DE 2947347 A1 ist
beispielsweise bekannt, eine Trennsäule in der Coldbox durch pendelnde
Aufhängung
zu befestigen. In
EP
913653 A1 wird vorgeschlagen, die Kolonne auf Schienen
rollend in die liegende Coldbox einzuführen. Eine Verspannung der
Kolonne mittels Seilen ist in
DE 19737520 A1 offenbart.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kolonnensystem anzugeben,
das den Ausgleich temperaturbedingter Maßänderungen erlaubt, während die
Kolonne auf Betriebstemperatur gebracht wird und das wirtschaftlich
besonders günstig
herzustellen ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei
der Erfindung wird die Verspannung zwischen Kolonnenbehälter und
Coldbox-Mantel durch radiale Verbindungsglieder ausgeführt. Diese
Verbindungsglieder sind jedoch so mit dem Kolonnenbehälter beziehungsweise
mit dem Coldbox-Mantel verbunden, dass die Kolonne während des
Betriebs, insbesondere beim Anfahren, der Anlage relativ zum Coldbox-Mantel
axial und/oder radial gleiten kann.
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Dies
dient der Vermeidung von mechanischen Spannungen, während die
Kolonne auf Betriebstemperatur gebracht wird. Vorzugsweise ist die Verbindung
sowohl radial als auch axial gleitend ausgeführt, sodass beim Kaltfahren
der Anlage die temperaturbedingte Schrumpfung der Kolonne in keiner Richtung
behindert ist.
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Trennkolonnen
und ihre Behälter
weisen üblicherweise
zylindrische oder ähnliche
Form auf. Die hier verwendeten Begriffe "Kolonnenachse", "axial", "radial" und "tangential" beziehen sich auf
die Zylinderachse oder eine vergleichbare Vorzugsrichtung der Kolonne.
Die Kolonnenachse liegt im Betrieb der Kolonne vertikal.
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Der "Kolonnenbehälter" kann ganz oder teilweise
durch die äußere Wand
der Trennkolonne gebildet sein. Er kann eine oder mehrere Kolonnen (zum
Beispiel Doppel- oder Mehrfachsäulen),
sowie zusätzlich
zu der oder den Kolonnen auch weitere Apparateteile wie Kondensatoren
oder Ähnliches umhüllen.
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Die
Erfindung ist grundsätzlich
unabhängig von
der Form des Coldbox-Mantels. Sie kann beispielsweise bei quader-
oder zylinderförmigen
Coldboxen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird sie angewendet
bei im Wesentlichen zylinderförmigen
Coldboxen. Solche Coldboxen werden insbesondere dann eingesetzt,
wenn ein Kolonnenbehälter, der
beispielsweise lediglich eine einzelne Säule (zum Beispiel die Hochdrucksäule oder
die Niederdrucksäule
eines Zwei-Säulen-Luftzerlegers),
gegebenenfalls mit einem dieser Säule zugeordneten Kondensator
oder Verdampfer, aufweist, separat von anderen Apparateteilen wie
dem Hauptwärmetauscher zur
Abkühlung
des zu trennenden Gases oder weiteren Trennkolonnen isoliert wird.
Bei der Erfindung wird die Last weitgehend tangential in die Kolonne beziehungsweise
in den Mantel eingeleitet.
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Vorzugsweise
sind die Verbindungsglieder bei der Erfindung aus einem oder mehreren
steifen Elementen aufgebaut. Als "steif" werden hier im Wesentlichen starre
Elemente wie Profile, Leisten, Platten, Rohre usw. in Abgrenzung
von Seilen oder ähnlichen
flexiblen Elementen bezeichnet.
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Die
Verbindungsglieder können
in axialer Richtung gleitend mit dem Kolonnenbehälter (und starr mit dem Coldbox-Mantel)
oder in axialer Richtung gleitend mit dem Coldbox-Mantel (und starr
mit dem Kolonnenbehälter)
oder in axialer Richtung gleitend mit beiden verbunden sein.
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Die
Verbindungsglieder können
in radialer Richtung gleitend mit dem Kolonnenbehälter (und starr
mit dem Coldbox-Mantel) oder in radialer Richtung gleitend mit dem
Coldbox-Mantel (und starr mit dem Kolonnenbehälter) oder in radialer Richtung gleitend
mit beiden verbunden sein.
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Vorzugsweise
sind die Verbindungsglieder in axialer und/oder radialer Richtung
gleitend mit dem Kolonnenbehälter
und in axialer beziehungsweise radialer Richtung kraftschlüssig mit
dem Coldbox-Mantel verbunden, das heißt die Kolonne kann axial beziehungsweise
radial gegenüber
den Verbindungsgliedern gleiten, die sich ihrerseits in axialer
beziehungsweise radialer Richtung nicht gegenüber dem Coldbox-Mantel bewegen.
In der Praxis ist beispielsweise günstig, wenn auf der einen Seite
eine sowohl in axialer als auch in radialer Richtung gleitende Verbindung
zwischen Kolonnenbehälter
und Verbindungsgliedern besteht und die Verbindungsglieder auf der
anderen Seite bezüglich
aller Richtungen kraftschlüssig
mit dem Coldbox-Mantel verbunden sind.
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Es
sind mindestens drei Verbindungsglieder in einer Ebene senkrecht
zur Kolonnenachse angeordnet, vorzugsweise sind es vier, die beispielsweise jeweils
um 90° versetzt
sind. Eine höhere
Zahl von Verbindungsgliedern in einer Ebene ist grundsätzlich möglich, führt aber
nicht zu einer wesentlichen Verbesserung.
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Es
ist günstig,
wenn die Verbindungsglieder jeweils zwei winklig zueinander angeordnete
Speichen aufweisen, die an ihrem Schnittpunkt dem Kolonnenbehälter und
an ihrem anderen Ende dem Coldbox-Mantel zugewandt sind. Die Speichen
werden beispielsweise durch Rohre, etwa Cr-Ni-Rundrohre gebildet.
Beide Speichen eines Verbindungsgliedes liegen vorzugsweise in einer
axialen Ebene. Der Winkel zwischen ihnen beträgt beispielsweise 0° bis 160°, vorzugsweise
90° bis
140°.
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Die
gleitende Verbindung zwischen Kolonnenbehälter (beziehungsweise Coldbox-Mantel) und Verbindungsglied
kann durch eine kraftschlüssig
mit dem Kolonnenbehälter
(beziehungsweise dem Coldbox-Mantel) verbundene Leiste in Kombination
mit einer kraftschlüssig
mit dem jeweiligen Verbindungsglied verbundenen, die Leiste umgreifenden
Führung gebildet
werden. Die Leiste verläuft
vorzugsweise in axialer Richtung und kann zum Beispiel einen rechtwinkligen
Querschnitt aufweisen, der von einer entsprechend u-förmig ausgebildeten
Führung
an drei Seiten umschlossen wird. An den beiden gegenüberliegenden
Seiten weist die Führung
vorzugsweise einen geringförmigen
Abstand von 0 bis 3 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mm auf. Alternativ
oder zusätzlich
können
die Führung
oder die Leiste gleitend beschichtet sein, beispielsweise durch
PTFE-Beilagen.
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Wenn
die Führung
kraftschlüssig
mit dem Schnittpunkt der Speichen verbunden ist, wird nur eine entsprechende
Gleitlagerung pro Verbindungsglied benötigt.
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Vorzugsweise
ist außerdem
mindestens ein Teil der Verbindungsglieder in radialer Richtung
justierbar mit dem Coldbox-Mantel verbunden. Diese Maßnahme dient
zum Ausgleich von Toleranzen und zur Vermeidung aufwändiger Anpassarbeiten
für den Fall,
dass der Coldbox-Mantel keine perfekte Zylinderform aufweist. Bei
rohrförmigen
Speichen kann diese Verbindungsart dadurch hergestellt werden, dass
das Rohr axial geschlitzt wird und in den Schlitz ein mit dem Coldbox-Mantel
kraftschlüssig
verbundenes Blech eingeführt
wird. Nach der Montage der Kolonne wird diese Verbindung vorzugsweise
kraftschlüssig
gemacht, beispielsweise durch Verschweißen. Der Ausgleich von temperaturbedingten
Längenänderungen
findet dann unabhängig
vom Ausgleich der radialen Fertigungstoleranzen statt. (Alternativ könnte eine
entsprechende justierbare Verbindung zwischen Verbindungsgliedern
und Kolonnenbehälter
hergestellt werden, falls zwischen Verbindungsglieder und Coldbox-Mantel gleitend verbunden sind.)
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Insbesondere
für den
liegenden Transport des Kolonnensystems kann es günstig sein,
wenn das System eine im Wesentlichen tangential zum Kolonnenbehälter verlaufende
Abstützung
aufweist, welche mindestens ein radiales Verbindungsglied mit dem
Coldbox-Mantel verbindet. Eine Transportsicherung dieser Art muss
nach dem Aufstellen der Kolonne nicht entfernt werden, wenn erfindungsgemäß eine gleitende
Verbindung zwischen Kolonnenbehälter
einerseits und Verbindungsglied und Abstützung andererseits besteht.
Dies vereinfacht und verbilligt die Aufstellung des Kolonnensystems.
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Unter "im Wesentlichen tangential" wird hier eine Richtung
verstanden, die nicht mehr als 45°,
vorzugsweise nicht mehr als 30°,
höchst
vorzugsweise nicht mehr als 15° von
der geometrischen Tangentialen abweicht.
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Vorzugsweise
ist die Abstützung
mit einem dem Kolonnenbehälter
zugewandten Abschnitt des entsprechenden Verbindungsglieds verbunden.
Dies erhöht
die Stabilität
der Transportsicherung.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zur Herstellung eines Kolonnensystems gemäß Patentanspruch
13 beziehungsweise 14. Das Verfahren nach Anspruch 13 eignet sich
insbesondere für die
stehende Montage des Kolonnensystems, kann aber auch bei liegender
Montage eingesetzt werden. Außerdem
betrifft die Erfindung eine Anwendung dieser Verfahren gemäß Patentanspruch
15.
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Die
Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden
anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 einen Querschnitt durch
die Coldbox im montierten Zustand (erste Ausführungsform),
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2 eine Draufsicht auf ein
Verbindungsglied,
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3 dasselbe Verbindungsglied
in Seitenansicht im Betriebszustand,
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4 die seitliche Teilansicht
eines Verbindungsglieds während
der Montage,
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5 die dem Coldbox-Mantel
zugewandte Seite des Verbindungsglieds,
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6 das Verbindungsglied einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung und
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7 die Ausführungsform
der 1 mit Transport-Abstützung.
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Gemäß 1 ist ein Kolonnenbehälter 1 im Inneren
einer Coldbox angeordnet, die einen Coldbox-Mantel 2 aufweist.
(Das Kolonneninnere ist in der Zeichnung nicht dargestellt, ebenso
wie andere Einzelheiten wie Rohrleitungen und deren Anschlüsse.) Der
Coldbox-Mantel 2 besteht in dem Beispiel aus einer Blechhülle 2A,
die auf ein Gerüst
geschweißt
ist oder durch ringförmige
Versteifungen verstärkt
wird (Gerüst
beziehungsweise Versteifungen sind in 1 und 2 als 2B angedeutet).
Zwischen der Innenseite des Coldbox-Mantels und der Außenseite
des Kolonnenbehälters
befinden sich vier Verbindungsglieder 3a, 3b, 3c, 3d,
die jeweils zwei Speichen aufweisen. Die Verbindungsglieder 3a, 3b, 3c, 3d sind
in der Zeichenebene angeordnet und in diesem Beispiel um jeweils
90° gegeneinander
versetzt. Ihr im Wesentlichen identischer Aufbau wird in den Detailzeichnungen
vorgestellt.
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Das
Kolonnensystem weist vorzugsweise genau einen derartigen Kranz von
Verbindungsgliedern auf, der in der Nähe des oberen Kolonnen-Endes
angeordnet ist. Alternativ können
ein oder mehrere identische oder ähnliche Kränze axial versetzt angeordnet
sein.
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2 weist dieselbe Blickrichtung
wie 1 auf. Links ist
der Coldbox-Mantel 2 mit Hülle 2A und Ringsteifen 2B dargestellt,
rechts die Außenwand des
Kolonnenbehälters 1.
Die beiden Schenkel 4, 5 des Verbindungsglieds 3 sind
aus Cr-Ni-Rundrohren gefertigt. Sie treffen sich an ihrem kolonnenseitigen Ende
in einem Winkel α von
etwa 30° (jeweils α/2 = 15° zum Radius
der Kolonne). Drei rechtwinklig zueinander angeordnete Cr-Ni-Bleche 6, 7, 8 mit
Aussteifungen 9, 10 bilden eine Führung, die
eine durch eine rechteckige Aluminium-Knagge 11 gebildete Leiste
umschließt.
Die Leiste 11 ist über
ein Verstärkungsblech 12 fest
mit dem Kolonnenbehälter 1 verbunden.
Entlang der Leiste 11 kann die Führung 6, 7, 8 senkrecht
zur Zeichenebene gleiten. Damit wird eine Relativbewegung zwischen
Coldbox-Mantel 2 und Kolonnenbehälter 1 in axialer
Richtung ermöglicht,
das heißt
die Kolonne kann temperaturinduzierte Längen- und Durchmesseränderungen
ungehindert ausführen,
insbesondere unabhängig
vom Coldbox-Mantel. Gleichzeitig besteht insgesamt eine kraftübertragende
Verbindung senkrecht zur radialen und zur axialen Schrumpfung zwischen
Kolonnenbehälter
und Coldbox. Über
diese Verbindung unterstützen
sich diese beiden Apparateteile gegenseitig bei der Lastabtragung.
Es ergibt sich damit eine harmonische Lasteinleitung in Säule und
Coldbox-Mantel und eine mechanische Verbindung zwischen Kolonnenbehälter und
Coldbox-Mantel zur Abtragung von horizontalen Kräften, zum Beispiel aus Erdbeben (Kolonne
am Mantel) beziehungsweise von Windkräften (Mantel an Kolonne).
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Am
entgegensetzten Ende des Verbindungsglieds ist nur eine der beiden
Speichen 4, 5 beispielhaft dargestellt, die andere
ist analog aufgebaut. Das Rohrende ist geschlitzt. Der Spalt 13 verläuft in dem Beispiel
vertikal und nimmt ein stehendes Cr-Ni-Blech 14 auf, das
mit dem Coldbox-Mantel 2 verschweißt ist. Die justierbare Lagerung
zwischen Speiche 5 und Blech 14 ermöglicht einen
Ausgleich radialer Toleranzen. Nachdem die Kolonne bei der Montage
ausgerichtet ist, wird das Blech 14 mit der Speiche 5 verschweißt. 5 zeigt die Verbindung zwischen
Speiche 5 über
das Blech 14 mit dem mittels Rippen 17 verstärkten Coldbox-Mantel
in Seitenansicht.
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Die übrigen Verbindungsglieder
sind im Wesentlichen identisch mit den in den 2 und 3 dargestellten.
Die Coldbox kann die Kolonne konzentrisch umschließen. Alternativ
ist eine exzentrische Anordnung möglich, wie sie in 1 – quantitativ übertrieben – dargestellt
ist; die Kolonnenachse 15 und die Coldbox-Achse 16 sind
hier nicht identisch. Durch mehr oder weniger weites Einschieben
des Blechs 14 in den Spalt 13 können die
entsprechend unterschiedlichen Abstände zwischen Kolonnenbehälter 1 und
Coldbox-Mantel 1 ausgeglichen werden.
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In
der Seitenansicht von 3 ist
die Verbindung mit der Kolonnenwand 1 während des Betriebs der Anlage
dargestellt. 4 zeigt
dagegen dieselbe Anordnung unmittelbar nach der Montage bei Umgebungstemperatur.
Beim Kaltfahren der Anlage schrumpft die Kolonne und gleitet relativ
zur Coldbox entlang der Führung 6, 7, 8 nach
unten, bis die Leiste 11 die in 3 dargestellte Position erreicht hat.
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6 zeigt eine zweite Ausführungsform
der Erfindung, bei der der Winkel α zwischen den beiden Schenkeln 4, 5 des
dargestellten Verbindungsglieds 3 zwischen Kolonnenbehälter 1 und
Coldbox-Mantel 2 wesentlich höher als bei dem ersten Ausführungsbeispiel
ist. Er beträgt
hier etwa 125°.
Die Führung 6' um die Leiste 11 ist
hier einteilig ausgebildet und besteht aus einem mehrfach gekanteten
Blech.
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Dies
ergibt eine besonders vorteilhafte Lasteinleitung in den Coldbox-Mantel,
insbesondere dann, wenn der Coldbox-Mantel als Flächentragwerk ausgebildet
ist. Lokale Verstärkungsmaßnahmen sind
in diesem Fall in der Regel nicht erforderlich. Außerdem weisen
die Verbindungsglieder eine besonders geringe Baugröße auf.
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Ein
Paar von im Wesentlichen tangential verlaufenden Abstützungen 18, 18' als Transportsicherung
bei liegender Kolonne des Kolonnensystems ist in 7 dargestellt. Ansonsten unterscheidet
sich 7 nicht von 1. Die Abstützung 18 ist
nahe dem kolonnenseitigen Ende mit dem Verbindungsglied 3 verbunden.
Die in 2 dargestellte
Führung dient
gleichzeitig als Widerlager für
die Abstützung 18.
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Die
Abstützungen 18, 18' können – im Gegensatz
zu bekannten Transportsicherungen – nach dem Aufstellen der Einheit
in der Coldbox verbleiben. Auf einen aufwändigen Arbeitsschritt zum Ausbau der
Transportsicherungen kann verzichtet werden.