DE60021224T2

DE60021224T2 - Gegenstromwärmetauscher und dessen Anwendung in Luftzerlegungsanlagen

Info

Publication number: DE60021224T2
Application number: DE60021224T
Authority: DE
Inventors: Christian Monereau
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1999-05-04
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2020-04-29
Also published as: EP1050733B1; FR2793312B1; FR2793312A1; DE60021224D1; US6311518B1; EP1050733A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftzerlegungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Kühlung atmosphärischer Luft, die dazu bestimmt ist, zerlegt zu werden, und allgemeiner Einheiten zur Verflüssigung, Trennung, Säuberung oder Kälteerzeugung, in denen ein Temperaturpegel angewendet wird, der merklich niedriger ist als die atmosphärische Temperatur, zum Beispiel unter –20°C.
Nachfolgend wird auf die Trennung von Gasen von Luft durch Zerlegung Bezug genommen.
Ein herkömmliches Verfahren zum Trennen von Gasen von der Luft umfasst das Komprimieren der atmosphärischen Luft, deren Reinigung in Wasser und in CO₂ und deren Kühlen und ihr anschließendes Einführen in eine Zerlegungsvorrichtung in der sie in mindestens ein stickstoffreiches Fluidum und mindestens ein sauerstoffreiches Fluidum getrennt wird. Mindestens ein Teil dieser Ausflüsse wird auf Umgebungstemperatur erwärmt, wobei die verfügbare Kälte verwendet wird, um die Temperatur der Luft abzusenken. Die notwendige Kälteleistung wird allgemein durch eine Expansionsturbine geliefert, die einen Teil der Luft behandelt. Zahlreiche Varianten dieses Verfahrens werden in der Literatur beschrieben.
Die Luftreinigungs- und Luftkühlungsmittel umfassen drei Typen:

(1) Regenerator-Reiniger, die einen regellos organisierten Füllkörper zur Wärmespeicherung umfassen. Sie können in Paaren oder in Gruppen durch Rotation verwendet werden. Die Beschreibung, die untenstehend vorgenommen wird, entspricht einer Funktionsweise in Paaren, um die Erklärung zu vereinfachen. In einer Halbperiode wird ein bestimmter Regenerator durch Zirkulieren in einer ersten Richtung eines Restgasflusses der Zerlegungsvorrichtung gekühlt. In der nachfolgenden Halbperiode wird der gleiche Regenerator in die andere Richtung durch die zu kühlende Luft, von der er das Wasser und das CO₂ durch Erstarren einfängt, durchflossen.
(2) Reversible Tauscher, von denen jeder Durchgang wechselweise durch einen kalten Gasfluss und die zu kühlende Luft durchflossen wird. Die Umkehrungen ermöglichen es, wie im vorhergehenden Fall, die festen Verunreinigungen, die sich in den durch die Luft durchflossenen Durchgängen abgelagert haben, durch Elution zu entfernen. Reversible Tauscher können ferner einen oder mehrere zusätzliche Wärmetauschstrahlen umfassen, die insbesondere das Erwärmen eines reinen Fluidums ermöglichen.
(3) Kopfreinigung: Die komprimierte Luft wird in der Nähe der Umgebungstemperatur durch selektive Adsorption des Wassers und des CO₂ gereinigt, dann wird die gereinigte Luft entweder in einem Regenerator oder in einem einfachen Wärmetauscher abgekühlt. Die Regenerator-Reiniger und die reinen Wärmeregeneratoren können des Weiteren ein oder mehrere zusätzliche Wärmetauschstrahlen umfassen, die das Erwärmen eines reinen Fluidums ermöglichen.

Auf jeden Fall wird mindestens eine Wärmetauschvorrichtung, allgemein mit Gegenstrom, verwendet, deren äußere Fläche eine große Ausdehnung hat, und die eine variable Temperatur zwischen der Eingangstemperatur des heißen Fluidums, das Luft ist, und einer sehr niedrigen Temperatur in der Größenordnung von –180 bis –200°C aufweist.
Um störenden Wärmetausch, der die Leistungen der Anlage verringert, einzuschränken, sind diese Wärmetauschvorrichtungen allgemein durch eine Cold-Box, die eine Metallumhüllung ist, die mit einem Isolierstoff unter Stickstoffatmosphäre gefüllt ist, um den Eintritt von Feuchtigkeit zu verhindern, von der äußeren Umgebung isoliert.
Trotz des Vorhandenseins dieser Cold-Box, die eine hohe Investition darstellt, bleibt der übrige Wärmetausch über den Isolierstoff zwischen den heißen Teilen und den kalten Teilen der Wärmetauschvorrichtung und zwischen den kalten Teilen und der Umgebung bedeutend. So stellen die thermischen Verluste der Wärmetauschreihe in Bezug auf die Umgebung oft 20 bis 25% der gesamten thermischen Verluste der Anlage dar.
US-A-2735278 beschreibt eine Anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der die Anordnung der Eingänge der Luft und des Gases aus der Trennung das Gegenteil von derjenigen der Erfindung darstellt.
Die Erfindung zielt darauf ab, störenden Wärmetausch der Gegenstromwärmetauscher zu reduzieren.
Aufgabe der Erfindung ist eine Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 1.
Aufgabe der Erfindung ist ebenfalls ein kryogenes Kühlungsverfahren gemäß Anspruch 9.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun mit Blick auf die beigefügte Zeichnung, von der die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Luftzerlegungsanlage gemäß der Erfindung ist, beschrieben werden.
Die in der Zeichnung dargestellte Anlage ist dazu bestimmt, durch Zerlegung ausgehend von atmosphärischer Luft gasförmigen Stickstoff zu erzeugen. Sie umfasst im Wesentlichen einen Luftkompressor 1, der an seinem Ausgang mit einem Luft- oder Wasserkühler 2, zwei identischen parallel befestigten Regeneratoren 3A, 3B, einer Vorrichtung 102 zur Reinigung von Luft durch Adsorption, einem Wärmetauscher 103 und einer doppelten Zerlegungskolonne 4 versehen ist.
Die Doppelkolonne 4 wird auf herkömmliche Art und Weise aus einer Mitteldruck-Zerlegungskolonne 5, über der eine Tiefdruck-Zerlegungskolonne 6 errichtet ist, mit einem Verdampfer-Kondensator 7, der das Verdampfen des Dampfs am Kolonnenkopf (nahezu reiner Stickstoff) der Kolonne 5 durch Verdampfen der Behälterflüssigkeit (nahezu reiner Sauerstoff) der Kolonne 6 ermöglicht, gebildet. Die Steigleitung 8 der „reichen Flüssigkeit" (mit Sauerstoff angereicherte Luft) des Behälters der Kolonne 5 auf einen Zwischenpegel der Kolonne 6 ist dargestellt, wobei diese Leitung mit einem Expansionsventil 9 versehen ist, und auch die Steigleitung 10 der „armen Flüssigkeit" (fast reiner Stickstoff) des Kolonnenkopfs zu derjenigen der Kolonne 6, wobei diese Leitung mit einem Expansionsventil 11 versehen ist. Der hergestellte gasförmige Sauerstoff wird über eine Entnahmeleitung 12, die den Behälter der Kolonne 6 unmittelbar über dem Flüssigsauerstoffbad 13 anzapft, befördert.
Nun wird die Struktur der Regeneratoren 3A und 3B beschrieben, wobei die verwendeten Bezugnahmen nicht mit einem Suffix versehen sind aber als jedem Regenerator mit Suffix A oder beziehungsweise Suffix B zugeordnet zu verstehen sind.
Jeder Regenerator 3 umfasst einen zylindrischen Mantel 14 mit vertikaler Achse X-X, der mit einem oberen Boden 15 und einem unteren Boden 16 versehen ist. Eine Leitung 17 mündet ungefähr auf halber Höhe in den Mantel 14, während eine Leitung 18 in den zentralen Bereich des Bodens 16 mündet.
Zwei zylindrische Gitter, d.h. ein äußeres Gitter 19 und ein inneres Gitter 20 erstrecken sich vom Boden 15 zum Boden 16, an dem sie fest befestigt sind. Das Gitter 19 umgrenzt mit dem Mantel 14 einen ringförmigen äußeren Raum 21, während das Gitter 20 einen zentralen zylindrischen Raum 22 umgibt. Zwischen den beiden Gittern ist ein weiterer ringförmiger Raum umgrenzt, der mit einem ringförmigen Bett 23 aus Granulat gefüllt ist.
Auf der Zeichnung wird ebenfalls schematisch eine Gruppe von Leitungen und Ventilen gezeigt, die selektiv das Ausführen der einen oder anderen der nachfolgenden Verbindungen ermöglichen:

(11) Verbindung des Ausgangs des Kühlers 2 mit der Leitung 17A, von der Leitung 18A zum Behälter der Kolonne 5, von der Spitze der Kolonne 6 zur Leitung 18B, und von der Leitung 178 zur Atmosphäre;
(12) Verbindung des Ausgangs des Kühlers 2 mit der Leitung 17B, von der Leitung 18B zum Behälter der Kolonne 5, von der Spitze der Kolonne 6 zur Leitung 18A, und von der Leitung 17A zur Atmosphäre.

Auf der Zeichnung wird mit dicken Strichen die Verbindung (11) angezeigt.
Die Anlage funktioniert auf die nachfolgende Weise.
Wenn die Verbindung (11) durch eine geeignete Betätigung der Ventile eingerichtet wird, dringt das restliche Gas des Kopfes der Kolonne 6, das durch unreinen Stickstoff gebildet wird, über die Leitung 18B in den zentralen Raum 22B des Regenerators 3B ein. Dieses Gas durchquert das Bett 23B im Ganzen radial in zentrifugaler Richtung, und kühlt dieses ab. Es erreicht dann den äußeren Raum 21B, verlässt den Regenerator über die Leitung 17B und wird in die Atmosphäre entlassen.
Gleichzeitig dringt ein Teil der eintretenden Luft, die in 21 komprimiert wurde und in 2 in die Nähe der Umgebungstemperatur gebracht wurde, in den ringförmigen Raum 21A ein, durchquert das Bett 23A, das vorhergehend wie vorhergehend beschrieben abgekühlt wurde, auf im Ganzen radiale Art in zentripetaler Richtung und kühlt sich so bis zur Nähe seines Taupunkts ab, und gelangt dann in den zentralen Raum 22A. Er verlässt dann den Regenerator 3A über die Leitung 18A und wird in den Behälter der Kolonne 5 geschickt.
Während dieser Kühlung verursacht das Erstarren des Wassers und des in der Luft enthaltenen CO₂ das Anhalten dieser Elemente durch das Bett 23A und somit die gleichzeitige Reinigung der Luft.
Der Rest der Luft, die in 2 komprimiert und vorgekühlt wurde, wird in der Adsorptionsvorrichtung 102 gereinigt, dann im indirekten Wärmetauscher 103 im Gegenstrom des in der Leitung 12 beförderten Sauerstoffs gekühlt, bevor er in den Behälter der Kolonne 5 eingeführt wird.
Diese Funktionsphase wird fortgesetzt bis einerseits im Bett 23B eine dünne ringförmige äußere Schicht 24B von vorbestimmter Dicke in der Nähe der Umgebungstemperatur T1 fortbesteht und andererseits im Bett 23A eine dünne ringförmige innere Schicht 25A vorbestimmter Dicke in der Nähe der kalten Temperatur T2 des restlichen Gases fortbesteht. Diese Phase dauert allgemein zwischen 1 und 15 Minuten.
Man geht dann von der Verbindung (11) weiter zur Verbindung (12). Die Luft kühlt sich dann, indem sie das Bett 23B auf zentripetale Art durchquert, bevor sie in die Kolonne 5 geschickt wird, während der unreine Stickstoff das Bett 23A durch zentrifugales Zirkulieren kühlt, während das vorher eingefangene Wasser und CO₂ durch Elution davon eliminiert wird.
Erneut wird diese Funktionsphase angehalten, wenn zwei dünne ringförmige äußere 24A und innere 25B Schichten in den beiden Betten in dieser Reihenfolge in der Nähe der Umgebungstemperatur und der kalten Temperatur T2 fortbestehen.
Somit tritt die Kaltfront während der Kühlung von jedem Bett durch den unreinen Stickstoff nie aus dem Bett aus und das gleiche gilt während seiner Erwärmung durch Luft für die Warmfront. Folglich bleiben die äußeren Räume 21A und 21B ständig in der Nähe der Umgebungstemperatur und die inneren Räume 22A und 22B bleiben ständig in der Nähe der kalten Temperatur T2.
Dank dieser Anordnung wird störender Wärmetausch von einem Bereich eines Regenerators zum anderen oder zwischen diesem und der ihn umgebenden Atmosphäre minimiert und die Wärmeisolierung der Mäntel 14A und 14B, die praktisch den wesentlichen Teil der äußeren Fläche der Regeneratoren ausmachen, ist nicht notwendig. Wie dargestellt genügt es, eine Wärmeisolierung 26 auf den beiden Böden von jedem Regenerator oder sogar lediglich auf dem Bereich radial innerhalb dieser Böden vorzusehen.
Die bekannten Technologien zur Ausführung der Vorrichtungen (Adsorber oder Reaktoren) mit ringförmigem Bett können hier, was die Verteilung der beiden Fluide und die Bildung und Befestigung der Gitter betrifft, verwendet werden. Wohlgemerkt sind die Drücke der beiden Fluide (zum Beispiel 5 bis 6 Bar absolut für die Luft und 1,1 bis 1,2 Bar absolut für den unreinen Stickstoff in den herkömmlichsten Strukturen), ihre Temperaturpegel und die Abwesenheit von Fluktuationen der Temperaturen der beiden Gitter zu berücksichtigen.
Desgleichen werden die Ventile des kalten Teils vorteilhafterweise auf herkömmliche Art und Weise durch Ventilgehäuse ersetzt, die nur unter der Einwirkung der Drücke der beiden Fluide funktionieren.
Es ist anzumerken, dass die ringförmigen Betten 23 den Fluiden einen sehr großen Durchgangsabschnitt bieten, was das Verwenden von Betten mit geringer Dicke ermöglicht. Der Gewinn aus dem sich ergebenden Druckverlust kann genutzt werden, um den Druck der Kompression der eintretenden Luft und somit die verbrauchte Energie zu reduzieren und/oder, um wirksamere Betten zu verwenden.
Insbesondere kann anstelle von Granulat mit einem Durchmesser, der 15 mm entspricht, das allgemein in Regeneratoren mit vertikalen Flüssen verwendet wird, kleineres Granulat mit einem Durchmesser, der zwischen 1 und 10 mm entspricht, zum Beispiel 5 mm, verwendet werden. Mit solchem Granulat wird die Tauschoberfläche für Gas/Teilchen mit gleichem Volumen um einen Faktor 3 vergrößert; für identische Strömungsgeschwindigkeiten nimmt der Wärmetauschkoeffizient um einen Faktor in der Größenordnung von 2 zu. Die Abmessungen des Regenerators können somit reduziert werden.
Als Variante kann das Granulat, das die ringförmigen Betten bildet, durch andere Arten von regellosen Teilchen oder auch durch organisierte Füllkörper ersetzt werden.
In einer anderen Ausführungsform können die Regeneratoren lediglich als Wärmeregeneratoren verwendet werden, und in diesem Fall steht vor ihnen eine unterschiedliche Reinigungsvorrichtung, insbesondere durch Adsorption. Ebenfalls als Variante kann jeder Regenera tor Reinigungsmittel, die sich von den Kühlungsmitteln unterscheiden, in der Form eines zweiten ringförmigen Betts von Teilchen, die das Wasser und das CO₂ adsorbieren, umfassen, wobei dieses zweite Bett das Bett 23 umgibt.
Diese Reinigungsmittel können entweder das gesamte Wasser und CO₂ anhalten oder den Wasserdampf nur teilweise anhalten, um jegliche Kondensation in flüssiger Form vor dem Einfangen in fester Form (Eis) zu vermeiden. Die Reinigungsmittel können angepasst werden, um auch das Anhalten von anderen sekundären Verschmutzungsstoffen der Luft zu gewährleisten.
Andere Anordnungen von reversiblen oder nicht-reversiblen Gegenstromwärmetauschern mit allgemein zentripetaler Zirkulation eines ersten Fluidums und allgemein zentrifugaler Zirkulation eines zweiten Fluidums können, zum Beispiel ausgehend von einem spiralenförmigen Aufrollen dünner, durch Wellverstrebungen getrennter Bleche in Betracht gezogen werden. Jedes Paar von Blechen definiert einen Durchgang dünner Dicke und Verschlussleisten schließen jeden Durchgang auf seinem Umfang hermetisch ab und lassen dabei Eingangs- und Ausgangsöffnungen für das Fluidum oder die Fluide, die dort zirkulieren, frei.
Eine andere Ausführung des Tauschers dieses Typs besteht aus einer Stapelung von Flachspulen, die parallel zwischen zwei zentralen Kollektoren mit kryogener Temperatur und zwei Randkollektoren in der Nähe der Umgebungstemperatur funktionieren, wobei jede Flachspule aus einer spiralförmig um sich selbst gewickelten Doppelröhre besteht.

Claims

Luftzerlegungsanlage des Typs, der Mittel (1) zur Luftkompression, Mittel (3) zur Kühlung und Reinigung der Luft und eine Luftzerlegungsvorrichtung (4), die mit gekühlter und gereinigter Luft versorgt wird, aufweist, wobei die Mittel zum Kühlen und Reinigen mindestens einen Wärmetauscher (3) aufweisen, der dazu bestimmt ist, atmosphärische Luft, die dazu bestimmt ist, zerlegt zu werden, durch Rückgewinnung der Kälte, die in einem aus der Luftzerlegungsvorrichtung (4) kommenden Fluidstrom enthalten ist, abzukühlen, wobei die Vorrichtung ein Gegenstromwärmetauscher ist zwischen der Luft, die bei einer Temperatur in der Nähe der Umgebungstemperatur verfügbar ist, und dem aus der Vorrichtung kommenden Fluidum, das bei einer kryogenen Temperatur unter –20°C verfügbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel, um die Luft auf im Ganzen zentripetale Art in Bezug auf eine allgemeine Mittelachse (X-X) der Vorrichtung (3), ausgehend von einem Eingang radial außerhalb (17) der Vorrichtung, zum Zirkulieren zu bringen, und Mittel, um das aus der Vorrichtung kommende Fluidum auf im Ganzen zentrifugale Art in Bezug auf diese Mittelachse, ausgehend von einem Eingang radial innerhalb (18) der Vorrichtung zum Zirkulieren zu bringen, aufweist, wobei die Vorrichtung mindestens einen Durchgang aufweist, der die beiden Eingänge (17, 18) verbindet und dazu bestimmt ist, abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen von den beiden Fluide durchflossen zu werden.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Durchgang mindestens auf einem Teil (23) von seiner Länge einen Füllkörper, insbesondere einen regellosen Füllkörper, zur Wärmespeicherung aufweist.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Durchgang mindestens auf einem Teil von seiner Länge, einen Füllkörper, insbesondere einen regellosen Füllkörper, zur selektiven Adsorption von bestimmten Bestandteilen von einem der Fluide aufweist.
Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Füllkörper einem ringförmigen Bett (23) folgend angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der oder mindestens ein Füllkörper aus Teilchen gebildet ist, die einen Durchmesser haben, der weniger als 15 mm entspricht und vorzugsweise zwischen 1 und 10 mm liegt.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Wärmeregenerator bildet.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren dazu bestimmt ist, die Luft bei der Abkühlung in Wasser und in CO₂ und gegebenenfalls in andere Verunreinigungen zu reinigen.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein äußeres ringförmiges Bett zur Adsorption von Wasser und von CO₂ und gegebenenfalls anderen Verunreinigungen, die in der zu behandelnden Luft enthalten sind, aufweist.
Verfahren zur kryogenen Kühlung eines ersten Fluidums, das in der Nähe der Umgebungstemperatur verfügbar ist, durch Gegenstromwärmetausch mit einem zweiten Fluidum, das bei einer kryogenen Temperatur unter –20°C verfügbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass man das erste Fluidum in einer Wärmetauschvorrichtung (3) auf im Ganzen zentripetale Art in Bezug auf eine allgemeine Mittelachse (X-X) dieser Vorrichtung, ausgehend von einem Eingang radial außerhalb (17) der Vorrichtung, zirkulieren lässt, und man das zweite Fluidum auf im Ganzen zentrifugale Art in Bezug auf diese Mittelachse ausgehend von einem Eingang radial innerhalb (18) der Vorrichtung, zirkulieren lässt, und dadurch, dass die Fluide abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen einen Durchgang der Vorrichtung (3) durchfließen, der diese Eingänge (17, 18) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Durchgang mindestens auf einem Teil (23) von seiner Länge einen Füllkörper, insbesondere einen regellosen Füllkörper, zur Wärmespeicherung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Durchgang mindestens auf einem Teil von seiner Länge einen Füllkörper, insbesondere einen regellosen Füllkörper, zur selektiven Adsorption von bestimmten Bestandteilen von einem der Fluide aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Füllkörper einem ringförmigen Bett (23) folgend angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulation des ersten Fluidums angehalten wird, wenn im ringförmigen Bett eine ringförmige äußere Schicht (26B) vorbestimmter Dicke in der Nähe der Umgebungstemperatur fortbesteht und die Zirkulation des zweiten Fluidums angehalten wird, wenn im ringförmigen Bett eine ringförmige innere Schicht (25A) vorbestimmter Dicke in der Nähe der kryogenen Temperatur fortbesteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluidum atmosphärische Luft ist, die dazu bestimmt ist, zerlegt zu werden und das zweite Fluidum ein Fluidstrom ist, der aus der Luftzerlegungsvorrichtung (4) stammt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor dieser Luftkühlung, insbesondere durch Adsorption, mindestens eine Teilreinigung dieser Luft in CO₂ und in Wasser durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung nur ein Teilanhalten des Wasserdampfes aufweist.