DE19919587A1 - Luftdestillationsanlage und Kältebox - Google Patents

Luftdestillationsanlage und Kältebox

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Abstract

Eine Luftdestillationsanlage (1) umfaßt eine Doppelsäule mit einer Mitteldrucksäule und einer Niederdrucksäule sowie eine Mischsäule (5), wobei die Mitteldrucksäule (2), die Niederdrucksäule (3) und die Mischsäule (5) übereinander angeordnet sind und betriebsfertig errichtet eine einzige Anordnung bilden. DOLLAR A Die Anlage ist zur Bereitstellung von Rohstickstoff in der Eisen- und Stahlindustrie verwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftdestillationsanlage mit einer Doppelsäule und einer Mischsäule zum Mischen eines Gases und einer Flüssigkeit, wobei die Doppelsäule eine Mitteldrucksäule, eine Niederdrucksäule und einen Aufkocher umfaßt, der einen Wärmeaustausch zwischen einem Gas aus dem Kopf der Mitteldrucksäule und einer Flüssigkeit aus dem Sumpf der Niederdrucksäule bewirkt, und die Anlage Mittel zum Einleiten gasförmiger Luft in den Sumpf der Mischsäule, Mittel zum Einleiten einer sauerstoffreichen Flüssigkeit in den Kopf der Mischsäule sowie eine Produktionsleitung für aus dem Kopf der Mischsäule abgezogenen, gasförmigen Rohsau­ erstoff umfaßt.
Die Erfindung ist insbesondere bei der Bereitstellung von Rohsauerstoff anwendbar, z. B. zur Beschickung von Hochöfen in der Eisen- und Stahlindustrie.
Es ist bekannt, hierzu eine Anlage der einleitend genannten Gattung zu verwenden. Die Mischsäule arbeitet unter einem Druck, der etwa gleich dem oder geringer als der Mitteldruck ist. Sie wird an der Basis mit gereinigter und verdichteter Luft und am Kopf mit flüssigem Rohsauerstoff gespeist, der aus dem Sumpf der Niederdrucksäule abgezogen und durch Pumpen auf den Druck der Mischsäule gebracht wird. Der bereitzustellende gasförmige Rohsauerstoff wird aus dem Kopf einer solchen Mischsäule abgezogen, uzw. etwa unter dem Druck der Mischsäule.
Im allgemeinen sitzt die Niederdrucksäule auf dem Aufkocher, welcher wiederum oberhalb der Mitteldrucksäule angeordnet ist. Die Doppelsäule bildet eine erste am Standort aufge­ stellte Anordnung. Die Mischsäule ist neben der Doppelsäule angeordnet und bildet eine zweite Anordnung. Jede Anordnung hat eine thermisch isolierende Ummantelung, die mit Perlit rings um der jeweiligen Anordnung gefüllt ist und eine Käl­ tebox bildet.
Es ist zweckmäßig Luftdestillationsanlagen in Modulen vor­ zufertigen, die jeweils eine Anordnung und die thermisch isolierende Ummantelung einer Kältebox umfassen. Jedes Modul wird einzeln an einen Standort gebracht und dort aufgestellt. Dann werden die aufgestellten Anordnungen funk­ tionsmäßig verbunden und die Kälteboxen werden mit Perlit befüllt, um den Aufbau der Luftdestillationsanlage fertigzu­ stellen.
Dieses Verfahren verringert die Aufbauschritte an dem Stand­ ort, an dem gegebenenfalls die erforderliche Infrastruktur nicht vorhanden ist und/oder die Umgebungsbedingungen den Aufbau behindern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftdestilla­ tionsanlage der einleitend genannten Gattung bereitzustel­ len, die im Vergleich zu den Anlagen nach dem Stand der Technik in einem höheren Maße vorgefertigt sein kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mitteldrucksäule, die Niederdrucksäule und die Mischsäule übereinander angeordnet sind und aufgestellt eine einzige Anordnung bilden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung können mindestens eines der folgenden Merkmale aufweisen:
  • - die Anlage umfaßt Mittel, um dem Sumpf der Mischsäule gasförmige Luft zuzuführen, Mittel, um dem Kopf der Mischsäule sauerstoffreiche Flüssigkeit zuzuführen und eine Produktionsleitung für aus dem Kopf der Misch­ säule abgezogenen gasförmigen Rohsauerstoff;
  • - die aufgestellte Anordnung umfaßt den Aufkocher;
  • - die Mischsäule liegt unterhalb der Mitteldruck- und der Niederdrucksäule;
  • - die Mitteldrucksäule liegt unterhalb der Niederdruck­ säule; und
  • - der Aufkocher ist zumindest teilweise auf einer Höhe angeordnet, die zwischen dem Kopf der Mitteldrucksäule und dem Sumpf der Niederdrucksäule liegt.
Die Erfindung hat auch eine Kältebox zum Aufbau einer sol­ chen Anlage zum Gegenstand, umfassend die aufgestellte Anordnung und eine die Anordnung umgebende Ummantelung zur thermischen Isolierung.
Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist in der Zeich­ nung schematisch vereinfacht dargestellt.
Die einzige Figur zeigt eine Luftdestillationsanlage 1, umfassend im wesentlichen:
  • - eine Destillationsdoppelsäule mit einer Mitteldruck­ säule 2, einer Niederdrucksäule 3 und einem Aufkocher 4;
  • - eine Mischsäule 5;
  • - eine Hauptwärmeaustauschleitung 6;
  • - zwei Hilfswärmeaustauscher 7 und 8; einen Hauptluftverdichter 9;
  • - eine Vorrichtung 10 zur adsorptiven Reinigung von Luft;
  • - einen Hilfsluftverdichter 11, der mit einer Luftent­ spannungsturbine 12 gekuppelt ist; und
  • - eine Pumpe 13.
Die Niederdrucksäule 3 steht auf dem Aufkochers 4. Der Aufkocher 4 sitzt auf dem Kopf der Mitteldrucksäule 2, die wiederum auf dem Kopf der Mischsäule 5 sitzt.
Eine Verbindungsschürze 5 verbindet die Säule 2 und die Säu­ le 5, so daß der Kopf der Säule 5 von dem Sumpf oder Boden der Säule 2 beabstandet ist. Die Säulen 2, 3 und 5 und der Aufkocher 4 bilden so eine einzige Anordnung 16, deren obe­ rer Bereich aus der Niederdrucksäule 2 und deren unterer Bereich aus der Mischsäule 5 besteht.
Die Anordnung 16 ist von einer thermisch isolierenden Umman­ telung 17 umgeben, die mit (nicht dargestelltem) Perlit rings um der Anordnung 16 gefüllt ist, so daß eine Kältebox entsteht. Diese hat ebenfalls das Bezugszeichen 17.
Der Betrieb der Anlage 1 zur Bereitstellung von unter mitt­ lerem Druck stehendem Rohstickstoff läuft wie folgt ab.
Die zu destillierende Luft wird mittels des Verdichters 9 vorverdichtet, mittels der Vorrichtung 10 gereinigt und dann in zwei Ströme aufgeteilt.
Ein erster Strom durchströmt die Hauptwärmeaustauschleitung 6 und wird dabei bis nahe an den Taupunkt gekühlt.
Dann wird der erste Strom selbst in zwei Ströme aufgeteilt, von denen einer in den Sumpf der Mitteldrucksäule 2 und der andere nach Entspannung in einem Druckminderventil 22 in den Sumpf der Mischsäule 5 eingeleitet wird.
Der zweite Strom verdichteter und gereinigter Luft wird mit­ tels des Verdichters 11 verdichtet und dann beim teilweisen Durchströmen der Wärmeaustauschleitung 6 auf eine Zwischen­ temperatur gekühlt und schließlich beim Durchströmen der Turbine 12 entspannt. Danach wird der zweite Strom auf einem oberen Zwischenniveau in die Niederdrucksaule 3 eingeleitet.
In dem Aufkocher 4 wird der flüssige Sauerstoff, der eine Reinheit von etwa 98% hat und aus dem Sumpf der Nieder­ drucksäule 3 stammt, dadurch verdampft, daß der Stickstoff im Kopf der Mitteldrucksäule 2 kondensiert wird.
"Reiche Flüssigkeit" LR (sauerstoffreiche Luft), die dem Sumpf der Mitteldrucksäule 2 entnommen wird, wird beim Durchströmen des Hilfswärmeaustauschers 7 unterkühlt, dann in einem Druckminderventil 26 entspannt und schließlich auf dem vorgenannten oberen Zwischenniveau in die Niederdruck­ säule 3 eingeleitet.
"Arme Flüssigkeit" LP (nahezu reiner Stickstoff), die dem Kopf der Mitteldrucksäule 2 entnommen wird, wird beim Durch­ strömen des Hilfswärmeaustauschers 7 unterkühlt, dann in einem Druckminderventil 27 entspannt und schließlich in den Kopf der Niederdrucksäule 3 eingeleitet.
Aus dem Kopf der Niederdrucksäule 3 abgezogener Roh- oder "Rest"-Stickstoff NR wird zunächst beim Durchströmen des Hilfswärmeaustauschers 7 und dann beim Durchströmen der Hauptwärmeaustauschleitung 6 erwärmt.
Der Betrieb der Mischsäule 5 läuft wie folgt ab.
Eine Mischsäule ist eine Säule, die den gleichen Aufbau wie eine Destillationssäule hat, jedoch zum nahezu reversiblen Mischen eines an der Basis der Säule eingeleiteten, relativ flüchtigen Gases und einer am Kopf der Säule eingeleiteten, weniger flüchtigen Flüssigkeit verwendet wird. Ein solches Mischen erzeugt die Kühlleistung und ermöglicht es deshalb, den mit der Destillation verknüpften Energieverbrauch zu senken. Eine solche Säule ist beispielsweise in der FR-A-2 143 986 beschrieben. Im vorliegenden Fall wird dieser Misch­ vorgang zudem ausgenutzt, um Rohstickstoff unmittelbar unter einem Druck zu erzeugen, der etwas unterhalb des in der Mitteldrucksäule 2 herrschenden Drucks liegt.
Flüssiger Sauerstoff wird aus dem Sumpf der Niederdrucksäu­ le 3 abgezogen, dann mittels der Pumpe 13 gepumpt und beim Durchströmen des Hilfswärmeaustauschers 6 erwärmt. Dann wird der flüssige Sauerstoff in den Kopf der Mischsäule 5 einge­ leitet.
Eine zweite sauerstoffreiche Flüssigkeit wird dem Sumpf der Mischsäule 5 entnommen und dann beim Durchströmen des Hilfs­ wärmeaustauschers 8 unterkühlt. Schließlich wird die zweite reiche Flüssigkeit in einem Druckminderventil 29 entspannt und dann auf einem unteren Zwischenniveau in die Nieder­ drucksäule 3 eingeleitet.
Sauerstoffreiche Luft wird in flüssiger Form auf einem Zwischenniveau der Mischsäule 5 abgezogen und dann beim Durchströmen des Hilfswärmeaustauschers 8 unterkühlt. Schließlich wird diese Flüssigkeit in einem Druckminderven­ til 30 entspannt und dann auf dem oben genannten oberen Zwischennieveau in die Niederdrucksäule 3 eingeleitet.
Gasförmiger Rohsauerstoff OG mit einer Reinheit von etwa 95% wird aus dem Kopf der Mischsäule abgezogen, beim Durchströ­ men der Hauptaustauschleitung 6 erwärmt und dann über eine Produktionsleitung 31 bereitgestellt.
Die Kältebox 17 wird werkseitig als Modul vorgefertigt, dann transportiert, aufgestellt, mit den anderen Bestandteilen der Anlage am Standort funktionsmäßig verbunden und dann mit Perlit befüllt, so daß die Anlage 1 entsteht.
Die Höhe der Kältebox 17 beträgt weniger als 40 m. Daher kann das korrespondierende Modul mit herkömmlichen Trans­ portmitteln transportiert werden.
Die relativ geringe Höhe ist auf das Verfahren zurückzufüh­ ren, mit dem die Anlage 1 betrieben wird. Die Zahl der the­ oretischen Böden der Mitteldrucksäule 2 und der Niederdruck­ säule 3 ist relativ gering, so daß die jeweilige Höhe der Säulen 2 und 3 etwa 10 m bzw. etwa 15 m beträgt.
Zudem ist die Zahl der theoretischen Böden der Mischsäule 5 relativ gering, deren Höhe etwa 15 m beträgt.
Die Anlage 1 nach der Erfindung kann als transportfähiges Modul vorgefertigt werden, das sowohl die Destillations­ doppelsäule als auch die Mischsäule 5 umfaßt.
Die Anordnung der Mitteldrucksäule 2, der Niederdrucksäule 3 und der Mischsäule 5 relativ zueinander ermöglicht es, daß durch Anordnung des Aufkochers 4 zwischen der Mitteldruck­ säule 2 und der Niederdrucksäule 3 die Flüssigkeiten ohne Verwendung von Pumpmitteln zu dem Aufkocher 4 und von diesem weg strömen.
Bei alternativen Ausführungsformen kann die Anordnung neben den Säulen 2, 3 und 5 einen Tank zur Lagerung einer aus dem Sumpf der Mitteldrucksäule abgezogenen kryogenen Flüssig­ keit, insbesondere flüssigen Sauerstoffs, einen Abschnitt einer Rohrargonproduktionssäule, die als Mischsäule bezeich­ net wird, oder jedes andere eine kryogene Flüssigkeit auf­ nehmende Bauteil umfassen, wobei darauf zu achten ist, daß die Größe nicht die Größe der verwendeten Transportmittel übersteigt.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Mischsäule einen Sumpfkondensator umfassen; die Anlage 1 entspricht dann derjenigen, die in der EP-A-732 556 beschrieben ist.
Zudem kann die Reihenfolge der Säulen 2, 3 und 5 und des Aufkochers 4 der Anordnung 16 von der nach Fig. 1 abweichen.
Des weiteren kann der Aufkocher 4 auch neben der aufge­ stellten Anordnung 16 liegen.
In beiden Fällen ist der Aufkocher 4 vorzugsweise auf einer Höhe angeordnet, die zwischen dem Kopf der Mitteldrucksäule 2 und dem Sumpf der Niederdrucksäule 3 liegt.
Eine solche Anordnung ermöglicht es, die Pumpmittel zu minimieren, die einerseits zur Förderung von flüssigen Sauerstoff aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 3 zu dem Aufkocher 4 und andererseits von kondensiertem gasförmigem Stickstoff von dem Aufkocher 4 zu dem Kopf der Mitteldruck­ säule 2 erforderlich sind, uzw. unabhängig vom Typ des Auf­ kochers 4, der vom Badtyp, Flüssigsauerstoffrieselfilmtyp (sogenannter Filmaufkocher), etc. sein kann.
Wenn der Aufkocher 4 nicht Teil der aufgestellten Anordnung 16 ist, kann die genannte Charakteristik dadurch erreicht werden, daß der Aufkocher 4 auf den Kopf einer weiteren aufgestellten Anordnung angeordnet ist. Die weitere aufge­ stellte Anordnung umfaßt z. B. ein Bauteil zur Speicherung einer kryogenen Flüssigkeit, z. B. eine Rohargonproduktions­ säule, auf dem der Aufkocher 4 angeordnet ist.
Eine solche Abwandlung hat zudem den Vorteil, daß die Vor­ fertigung der Kältebox 17 unabhängig von der des Aufkochers 4 ist.

Claims (7)

1. Luftdestillationsanlage (1) mit einer Doppelsäule und einer Mischsäule (5) zum Mischen eines Gases und einer Flüssigkeit, wobei die Doppelsäule eine Mitteldruck­ säule (2), eine Niederdrucksäule (3) und einen Aufko­ cher (4) umfaßt, der einen Wärmeaustausch zwischen ei­ nem Gas aus dem Kopf der Mitteldrucksäule und einer Flüssigkeit aus dem Sumpf der Niederdrucksäule be­ wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitteldruck­ säule (2), die Niederdrucksäule (3) und die Mischsäule (5) übereinander angeordnet sind und, aufgestellt, eine einzige Anordnung (16) bilden.
2. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel, um dem Sumpf der Mischsäule gasförmige Luft zuzufüh­ ren, Mittel, um dem Kopf der Mischsäule eine sauer­ stoffreiche Flüssigkeit zuzuführen und eine Produk­ tionsleitung für aus dem Kopf der Mischsäule abgezoge­ nen gasförmigen Rohsauerstoff.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgestellte Anordnung (16) den Aufkocher (4) umfaßt.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mischsäule (5) unterhalb der Mitteldrucksäule (2) und der Niederdrucksäule (3) an­ geordnet ist.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mitteldrucksäule (2) unterhalb der Niederdrucksäule (3) angeordnet ist.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Aufkocher (4) zumindest teil­ weise auf einer Höhe angeordnet ist, die zwischen dem Kopf der Mitteldrucksäule (2) und dem Sumpf der Nie­ derdrucksäule (3) liegt.
7. Kältebox (17) zum Bau einer Anlage nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie die aufgestellte Anordnung (16) und eine die Anordnung umgebende Ummantelung (17) zur thermischen Isolierung umfaßt.
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