DE69630262T2

DE69630262T2 - Vorrichtung für zum kombiniertem Wärme- und Stoffaustausch

Info

Publication number: DE69630262T2
Application number: DE69630262T
Authority: DE
Inventors: William Harrold Essex Aitken
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1995-07-28
Filing date: 1996-07-24
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2016-07-25
Also published as: JPH09119783A; EP0759317A1; JPH09206588A; DE69630262D1; EP0759317B1; GB9515492D0; US5722258A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Flüssigkeits-Dampf-Kontakt zur Bereitstellung eines Massetransports mit gleichzeitigem Wärmetransport zu den kontaktierenden Fluiden.
Durch die fraktionierende Destillierung gibt es Trennbereiche, bei denen man durch einen kombinierten oder gleichzeitigen Masse- und Wärmetransport Energieeinsparungen erzielt. Diese sind bisher in keinem wesentlichen Ausmaß angenommen worden, da keine geeignete, leicht herzustellende Einrichtung zur Verfügung steht. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung, die zum gleichzeitigen Wärme- und Massetransport in der Lage ist, und die durch gut bewährte Techniken hergestellt werden kann.
Ein Hauptbereich, bei dem über den kombinierten Wärme- und Massetransport Energieanforderungen reduziert werden können, liegt bei der Herstellung von Sauerstoff durch Lufttrennung. Das normale Trennverfahren ist in einer doppelten Kolonne, die aus einer Hochdruck- und einer Niederdruckkolonne besteht. Die in die Hochdruckkolonne eintretende Luft steigt in der Kolonne auf, und wenn sie die Oberseite erreicht hat, hat man im wesentlichen reinen Stickstoff erhalten. Der Stickstoff wird durch Wärmeaustausch, der normalerweise in einem einzigen Kondensator-Reboiler oben in der Hochdruck- und der Niederdruckkolonne stattfindet, kondensiert in dem obengenannten Kondensator-Reboilder durch Wärmeaustausch mit dem kondensierenden Stickstoff teilweise oder vollständig verdampft.
GB-A-759 176 beschreibt einen Prozeß für die Herstellung von Sauerstoff, wobei ein Teil des Wärmeaustauschs zwischen der Hochdruckkolonne und der Niederdruckkolonne vom Lufteinlaß bis zum Stickstoffauslaß der Hochdruckkolonne einerseits und vom Reboiler bis zu einer Stelle entlang der Niederdruckkolonne andererseits kontinuierlich stattfindet. Eine derartige Anordnung führt dazu, daß die in die Hochdruckkolonne eintretende Luft einen niedrigeren Druck als auf herkömmliche Weise aufweist, wodurch sich eine Einsparung bei der Verdichtungsleistung der Luft ergibt. Bei der Anwendung des beschriebenen Prinzips besteht ein Problem in der Verfügbarkeit einer Einrichtung, die einen gleichzeitigen Wärme- und Massetransport bereitstellt und die leicht hergestellt werden kann. Das Problem besteht insbesondere in der Bereitstellung einer ausreichenden, dem Massetransportprozeß zugeordneten Wärmetransportoberfläche. In der eigenen europäischen Patentveröffentlichung EP-A-0748644 wird eine Flüssigkeits-Dampf-Kontaktvorrichtung beschrieben, die auf die Art und Weise eines berippten Plattenwärmetauschers oder Matrixtauschers hergestellt ist. Die Rippen sind in Form strukturierter Packungselemente konstruiert.
Durch die europäische Patentveröffentlichung EP-A-0748644 wird insbesondere eine Flüssigkeits-Dampf-Kontaktvorrichtung mit vertikalen Außenwänden bereitgestellt, die wie die vertikalen Außenwände eines Quaders angeordnet sind, wobei die Vorrichtung mehrere voneinander beabstandete, parallele, vertikale Platten enthält, wobei zwischen jedem Paar benachbarter Platten eine gewellte Packung mit gewählten Flüssigkeits- und Dampfströmungseigenschaften vorgesehen ist und wobei die äußersten Platten ein Paar einander gegenüberliegender, vertikaler Außenwände der Vorrichtung bereitstellen und das andere Paar solcher Wände abwechselnde Plattenrandteile und vertikale Abstandsglieder umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Packung eine vertikale Anordnung gewellter Flüssigkeits-Dampf-Kontaktelemente umfaßt, die übereinander angeordnet sind, wobei sich die Wellungen in jedem Flüssigkeits-Dampf-Kontaktelement von oben nach unten in einer Richtung zu einer Seite der Packung hin und die Wellungen in dem oder jedem daran angrenzenden Flüssigkeits-Dampf-Kontaktelement sich von oben nach unten in einer anderen Richtung zur gegenüberliegenden Seite der Packung hin neigen.
Falls anstelle jedes Durchgangs der obenerwähnten Einrichtung, die im wesentlichen die gleichen Ströme der gleichen Fluide führt, verschiedene Durchgänge für verschiedene Trennaufgaben verwendet würden, wenn ein Wärmetransport zwischen einem Trennsystem und dem anderen erforderlich wäre, dann würden die Anforderungen eines gleichzeitigen Masse- und Wärmetransports erreicht werden. Die Einrichtung würde die Wärmetransporteigenschaften von berippten Plattenwärmetauschern und die Massetransporteigenschaften einer strukturierten Packung aufweisen. Die vorliegende Erfindung stellt dementsprechend eine Vorrichtung gemäß der europäischen Patentveröffentlichung EP-A-0748644 bereit, bei der die Platten zwei Sätze Durchgänge definieren, wobei ein Satz Durchgänge einem Einlaß für ein zu fraktionierendes erstes Fluid und der andere Satz Durchgänge einem Einlaß für ein zweites Fluid zugeordnet ist. In der Regel wird auch das zweite Fluid fraktioniert.
Im Fall der Lufttrennung würde ein Satz Durchgänge einer Hochdruckkolonnenaufgabe und die anderen der Niederdruckkolonnenaufgabe zugeordnet werden. Die ideale Anordnung der vertikalen Durchgänge wäre jeweils abwechselnd für das Hochdruckkolonnensystem und die anderen für das Niederdruckkolonnensystem, doch ist dies nicht notwendig. Eine individuelle Durchgangsinnenkonfiguration und Durchgangszuordnung würde durch die Strömungseigenschaften und physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit und des Dampfs, der getrennt wird, bestimmt werden.
Im Fall beispielsweise von Lufttrennung, bei der gleichzeitiger Wärme- und Massetransport nur auf einen Teil der Niederdruckkolonne zutrifft und der Rest der Niederdruckkolonne eine Fraktionierung ohne Wärmeaustausch von außerhalb des Systems darstellt, dann kann es sich bei diesem Teil um jede herkömmliche Art von Dampf-Flüssigkeits-Kontakteinrichtung handeln, doch könnte er zweckmäßigerweise als die in der europäischen Patentveröffentlichung EP-A-0748644 beschriebene berippte Platteneinrichtung ausgeführt werden. Er könnte außerdem als eine einstückige Konstruktion mit dem Teil hergestellt werden, der das Prinzip des gleichzeitigen Wärme- und Massetransports verwendet, das Gegenstand der vorliegenden Patentschrift ist. Alle erforderlichen herkömmlichen Kondensator-Verdampfer könnten den berippten Plattenaufbau aufweisen und ebenfalls eine einstückige Konstruktion mit einer beliebigen Kombination aus gleichzeitiger Wärme- und Massetransporteinrichtung und herkömmlicher Flüssigkeits-Dampf-Kontakteinrichtung, hergestellt gemäß der europäischen Patentveröffentlichung EP-A-0748644, sein.
Eine weitere Ausführungsform des Prinzips des kontinuierlichen Wärme- und Massetransports ist der Rücklaufkondensator oder Dephlegmator. Hierbei wird mit einem Kühlmittel, das sich normalerweise auf einer konstanten Temperatur befindet, eine Kondensierung für eine aus mehreren Komponenten bestehende Mischung bereitgestellt, die getrennt wird. Indem ein Satz Durchgänge der trennenden Mischung unter Verwendung der beschriebenen Einrichtung zugeordnet wird und der andere Satz Durchgänge als herkömmliche berippte Plattenwärmetransportoberfläche, wird dieser Effekt erzielt. Eine weitere Variante dieses Prinzips wäre, wenn sich in den Wärmeaustauschdurchgängen ein Wärmefluid befinden würde.
Die Energieeinsparungen bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist das beschriebene ist erzielt, indem eine Mindestmenge der kondensierenden Dämpfe bei der niedrigsten Temperatur kondensiert wird und indem man eine geringe Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sätzen von Durchgängen hat. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist deshalb in der Lage, in anderen Wärmeintegrierungssituationen als der Lufttrennung verwendet zu werden.
Eine Vorrichtung für den kombinierten Wärme- und Massetransport wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Form einer herkömmlichen Lufttrennungsanlage,
2 eine schematische Darstellung einer Art von Lufttrennungsanlage, bei der die Vorrichtung für den kombinierten Wärme- und Massetransport verwendet werden kann,
3 eine schematische Perspektivansicht der kombinierten Wärme- und Massetransporteinrichtung.
In 1 tritt ein Luftstrom 2, der komprimiert worden ist, dessen Wasser- und Kohlendioxidgehalt entfernt worden ist und der durch Wärmeaustausch mit zurückgeleiteten kalten Produkten 4 und 6 von einer Niederdruckfraktionierungskolonne 8 gekühlt worden ist, bei einem in der Regel bei etwa 5 bar liegenden Druck und in der Nähe seines Taupunkts in eine Hochdruckkolonne 10 ein. Die Luft wird in der Hochdruckfraktionierungskolonne 10 in eine sauerstoffreiche Flüssigkeit an ihrer Basis und einen im wesentlichen reinen Stickstoffdampf an ihrem oberen Ende getrennt. Die sauerstoffreiche Flüssigkeit wird zum Eintrag zu der Niederdruckfraktionierungskolonne 8 über die Leitung 12. Der Stickstoffdampf wird in einem Kondensator kondensiert, der sich am oberen Ende der Hochdruckkolonne 10 befindet, und durch siedenden flüssigen Sauerstoff gekühlt, der sich an der Basis der Niederdruckkolonne 8 sammelt. Der Kondensator ist nicht gezeigt, doch weisen die Pfeile an der Grenzfläche zwischen der Hochdruckkolonne 10 und der Niederdruckkolonne 8 auf die Richtung des Wärmeaustauschs zwischen den beiden Kolonnen hin. Ein Teil des durch die Kondensation am oberen Ende der Kolonne 10 erzeugten flüssigen Stickstoffs fließt in dieser als Rücklauf hinunter, und der andere Teil wird über die Leitung 14 zum oberen Ende der Kolonne 8 geleitet, wo er als Rücklauf für die Kolonne 8 verwendet wird. In der Niederdruckkolonne 8 findet eine Trennung statt in ein Sauerstoffprodukt, das die Kolonne über die Leitung 4 normalerweise als Gas verläßt, aber auch eine Flüssigkeit (ein kann, und einen im wesentlichen reinen gasförmigen Stickstoff. Der Stickstoff verläßt die Kolonne über die Leitung 6. Eine derartige Anlage würde normalerweise hier nicht gezeigte Wärmetauscher zum Kühlen der Flüssigkeitsströme 12 und 14 aufweisen, wobei in der Regel Strom 6 verwendet wird, damit die Trennungseffizienz vergrößert wird.
2 zeigt eine Version einer Lufttrennungsanlage, die so ausgelegt ist, daß sie im wesentlichen die gleichen Produkte wie die in 1 erzeugt, wobei aber das Prinzip des kombinierten Wärme- und Massetransports verwendet wird. Das Funktionsprinzip dieser Art von Anlage ist nicht neu und wird beispielsweise in GB-A-759 176 beschrieben. Der Gegenstand dieser Patentschrift besteht in der Beschreibung einer neuen Art von Vorrichtung, um den gleichzeitigen Wärme- und Massetransport zu erzielen. Die Fraktionierungskolonne 18 in 2 ist die äquivalente Niederdruckfraktionierungskolonne zur Fraktionierungskolonne 8 in 1, und die Fraktionierungskolonne 16 ist das Äquivalent der Hochdruckfraktionierungskolonne 10. Ein Luftstrom 20, aus dem Wasser und Kohlendioxid entfernt worden ist und der durch Wärmeaustausch gegen abgehende kalte Produkte 22 und 24 in die Nähe seines Taupunkts abgekühlt worden ist, wird in zwei Ströme aufgeteilt, einen Hauptstrom 26 und einen Nebenstrom 28. Der Nebenstrom 28 wird dazu verwendet, einen Teil des flüssigen Sauerstoffs zu verdampfen, der sich an der Basis der Niederdruckkolonne 18 im Kondensator-Verdampfer 32 ansammelt. Die Leitung 30 verbindet die Basis der Kolonne 18 mit dem Kondensator-Verdampfer 32. Die durch die Leitung 28 in den Kondensator-Verdampfer 32 eintretende Luft tritt als flüssige Luft über die Leitung 34 aus und ist einer der Einträge zu der Niederdruckkolonne 18. Der verdampfte flüssige Sauerstoff 22 wird das gasförmige Sauerstoffprodukt aus der Anlage, nachdem es durch die eintretende Luft erwärmt worden ist.
Der Hauptteil der komprimierten und abgekühlten Luft 26 tritt in der Nähe der Basis der Hochdruckkolonne 16 ein, wo er in eine sauerstoffreiche Flüssigkeit am Boden und einen im wesentlichen reinen Stickstoffdampf am oberen Ende getrennt wird. Die sauerstoffreiche Flüssigkeit wird ein Eintrag über die Leitung 36 zur Niederdruckkolonne 18. Bei einer Anordnung wird der Stickstoffdampf in einem Kondensator-Verdampfer 38 kondensiert, der bevorzugt am oberen Ende der Hochdruckkolonne 16 angeordnet ist. Der Stickstoffdampf tritt über die Leitung 40 in den Kondensator-Verdampfer 38 ein. Der 38 verlassende flüssige Stickstoff wird über die Leitung 42 zum oberen Ende der Kolonne 18 geleitet, wo er den Rücklauf für die Kolonne 18 bereitstellt. Die Kondensation im Kondensator-Verdampfer 38 wird bereitgestellt, indem Flüssigkeit von der Niederdruckkolonne 18 durch die Leitung 44 abgenommen und sie als Dampf durch die Leitung 46 zur Niederdruckkolonne 18 zurückgeführt wird. Die Kondensator-Verdampfer 32 und 38 sind nur schematisch gezeigt. Die vielfältigen eigentlichen Konfigurationen stellen den gut etablierten Stand der Technik dar.
Die Kondensator-Verdampfer 32 und 38 stellen nur einen Teil der Wärmeaustauschaufgabe zwischen den Kolonnen 16 und 18 bereit. Die Fraktionierung in der Hochdruckkolonne 16 findet unter gleichzeitigem Wärmetransport zu einem Teil der Niederdruckkolonne 18 statt. Der Abschnitt der Niederdruckkolonne, über den der gleichzeitige Wärme- und Massetransport stattfindet, hängt davon ab, ob zwischen den Fluiden in den Kolonnen 16 und 18 eine positive und kleine Temperaturdifferenz vorliegt.
In 1 findet der Wärmeaustausch zwischen dem Stickstoffdampf und dem flüssigen Sauerstoff statt, und dies bestimmt den Kondensierdruck und somit den Druck der Luft. Aufgrund des Charakters des Kreislaufs in 2 ist es Luft auf ihrem Taupunkt, die Wärme mit flüssigem Steuerstoff austauscht, und dies bestimmt den Druck der Luft. Gemäß den physikalischen Eigenschaften von Stickstoff und Luft erhält man dadurch einen niedrigeren Druck für die Kondensierung der Luft. Der Druck der Luft zu einer durch 2 dargestellten Anlage beträgt etwa 4 bar.
3 zeigt eine Vorrichtung 50 zum Durchführen des obenerwähnten kombinierten Wärme- und Massetransports. Die Vorrichtung 50 ist allgemein quaderförmig mit einem ersten Paar einander gegenüberliegender, vertikaler Außenwände 64 und einem zweiten Paar einander gegenüberliegender, vertikaler Außenwände 66. Die Vorrichtung 50 weist mehrere vertikale unperforierte Platten 68 aus einem wärmeleitenden Metall auf, die gleichmäßig voneinander beabstandet sind und parallel zueinander verlaufen. Die Enden der Platten 68 sind durch vertikale Abstandsstäbe oder -gliedern 70 abgedichtet, die vom oberen Ende bis zum Boden der Vorrichtung 50 verlaufen. Die beiden äußersten Platten 68 bilden die Wände der Vorrichtung 2. Die Wände 66 werden aus den Randteilen der vertikalen Platten 68 und den vertikalen Abstandsstäben oder -gliedern 70 gebildet. Jedes Paar angrenzender Platten 68 definiert einen vertikalen Fraktionierungsdurchgang. In 3 ist ein Satz von Durchgängen durch die Referenzzahl 58 identifiziert, der andere Satz durch die Referenzzahl 60. Jeder vertikale Durchgang weist eine Packung auf, die aus Elementen 52 besteht, die in der Regel in Form von Abschnitten aus Wellblech bestehen. Die gewellten Abschnitte weisen in der Regel Perforationen 54 auf. Perforationen sind nur in einer Schicht gezeigt, liegen aber auch in den anderen vor. Die Wellungen in jedem Abschnitt verlaufen in einem Winkel zur Horizontalen. Ein typischer Winkel beträgt 45 Grad zur Horizontalen. Abwechselnde Abschnitte in der vertikalen Richtung weisen Wellungen auf, die sich in entgegengesetzte Richtungen neigen, wie durch die Elemente 52 und 56 gezeigt, wobei 52 sich nach rechts und 56 nach links neigt (wie gezeigt). Die abwechselnden sich neigenden Elemente verlaufen normalerweise vom oberen Ende zum Boden der Vorrichtung. Jedes einzelne Element kann die gleiche Konfiguration wie ein einzelnes Element einer strukturierten Packung aufweisen, wie beispielsweise in US-A-4,296,050 dargestellt. 3 ist schematisch, und in der Praxis besteht die Vorrichtung aus vielen Schichten aus derartigen vertikalen Durchgängen. Die Vorrichtung ist zweckmäßigerweise in der Art eines berippten Plattentauschers aufgebaut. Während in der in der europäischen Patentveröffentlichung EP-A-0748644 dargestellten Vorrichtung alle Durchgänge im wesentlichen die gleichen Flüssigkeits-Dampf-Strömungen und -Zusammensetzungen aufweisen und ein einziges Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsystem bilden, führen bei der vorliegenden Anwendung abwechselnde vertikale Durchgänge ein anderes Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsystem, und zwischen einem kontaktierenden System und dem anderen findet ein Wärmeaustausch statt.
Die Wellungen fungieren als Rippen, um die Wärmetransportfläche zu vergrößern.
Es wird nun gezeigt, wie diese Einrichtung ihre Funktion erfüllen kann, indem sie zu der Hochdruckkolonne 16 und der Niederdruckkolonne 18 in Beziehung gesetzt wird, wie diese in 2 gezeigt sind. Die Durchgänge 58 können beispielsweise diejenigen bilden, die die Flüssigkeits-Dampf-Kontaktaufgabe der Hochdruckkolonne 16 führen, und die Durchgänge 60 diejenigen, die die Flüssigkeits-Dampf-Kontaktaufgabe des Teils der Niederdruckkolonne 18 ausführen, wo der Wärmeaustausch mit der Hochdruckkolonne erforderlich ist. Alle ähnlichen vertikalen Durchgänge 58 sind am oberen Ende und am Boden wie die ähnlichen Durchgänge 60 verbunden. Es existiert eine nicht gezeigte Anordnung, um eine im wesentlichen, gleichförmige Verteilung von nach unten strömender Flüssigkeit zwischen den verschiedenen Durchgängen 58 sicherzustellen, und eine weitere für die Durchgänge 60. Die Anzahl der Durchgänge 58 kann von der Anzahl der Durchgänge 60 differieren. Die Durchgangszuordnung erfolgt passend für die verschiedenen Ströme, Zusammensetzungen, Drücke und Temperaturen der Einzelsysteme. Aus dem gleichen Grund können die Konfiguration und die Abmessungen der Elemente für die Einzelsysteme 58 und 60 verschieden sein.

Claims

Flüssigkeits-Dampf-Kontaktvorrichtung mit vertikalen Außenwänden, die wie die vertikalen Außenwände eines Quaders angeordnet sind, wobei die Vorrichtung mehrere voneinander beabstandete, parallele, vertikale Platten (68) aufweist, die zwei Sätze Durchgänge definieren, wobei ein Satz Durchgänge einem Einlass für ein zu fraktionierendes erstes Fluid und der andere Satz Durchgänge einem Einlass für ein zweites Fluid zugeordnet ist und zwischen jedem Paar benachbarter Platten (68) eine gewellte Packung mit gewählten Flüssigkeits- und Dampfströmungseigenschaften vorgesehen ist und wobei die äußersten Platten ein Paar einander gegenüberliegender, vertikaler Außenwände der Vorrichtung bereitstellen und das andere Paar solcher Wände abwechselnde Platten(68)-Randteile und vertikale Abstandsglieder (70) umfassen, wobei jede Packung eine vertikale Anordnung einzelner, gewellter Flüssigkeits-Dampf-Kontaktelemente (52, 56) umfasst, die übereinander angeordnet sind, wobei sich die Wellungen in jedem Flüssigkeits-Dampf-Kontaktelement (52) von oben nach unten in einer Richtung zu einer Seite der Packung hin neigen und die Wellungen in dem oder jedem daran angrenzenden Flüssigkeits-Dampf-Kontaktelement (56) sich von oben nach unten in einer anderen Richtung zur gegenüberliegenden Seite der Packung (52) hin neigen.
Flüssigkeits-Dampf-Kontaktvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Neigungswinkel jeder Wellung 45° zur Horizontalen beträgt.
Flüssigkeits-Dampf-Kontaktvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die Teil einer einstückigen Vor richtung bildet, die zusätzlich einen Kondensator-Verdampfer enthält.
Flüssigkeits-Dampf-Kontaktvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der andere Satz von Durchgängen auch ein Satz fraktionierender Durchgänge ist.
Flüssigkeits-Dampf-Kontaktvorrichtung nach Anspruch 4, bei der einer der Sätze von Durchgängen so angeordnet ist, daß er die Aufgabe einer Hochdruck-Lufttrennungsfraktionierungskolonne ausführt, und der andere Satz von Durchgängen so angeordnet ist, daß er die Aufgabe eines Teils einer Niederdruck-Lufttrennungsfraktionierungskolonne ausführt.