-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 bis 4, der aus US-A-4 599 097 bekannt ist. Ein solcher Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator
des Plattenrippentyps wird geeigneterweise in einer Doppeldestillationskolonne
einer Lufttrennanlage verwendet.
-
STAND DER
TECHNIK
-
Bei
der Lufttrennung unter Verwendung einer Doppeldestillationskolonne
wird flüssiger
Sauerstoff, der am Boden einer Niederdruck-Destillationskolonne
(nachstehend als Niederdruckkolonne bezeichnet) oder in einem Gefäß, das mit
der Niederdruckkolonne in Verbindung steht, vorliegt, einem indirekten Wärmeaustausch
mit einem Kopfstickstoffgas einer Hochdruck-Destillationskolonne
(nachstehend als Hochdruckkolonne bezeichnet) in einem Wärmetauscher
unterzogen, der sich im mittleren Teil der Doppeldestillationskolonne
befindet, um eine Verdampfung eines Teils des flüssigen Sauerstoffs, um ein aufsteigendes
Gas in der Niederdruckkolonne zu bilden, und auch eine Kondensation
des Stickstoffgases in eine Flüssigkeit,
um einen Rückfluss
in diesen zwei Destillationskolonnen zu bilden, zu bewirken. Ein
solcher Wärmetauscher
wird im Allgemeinen als Aufkocher-Kondensator bezeichnet.
-
Als
Aufkocher-Kondensator werden im Allgemeinen diejenigen, die Wärmetauscherkerne
des Plattenrippentyps verwenden, verwendet. Der Wärmetauscherkern
des Plattenrippentyps besitzt eine Mehrzahl von Wärmeaustauschkanälen, die
im Wesentlichen aus Kondensationskanälen und Verdampfungskanälen bestehen,
die zueinander benachbart über
Trennbleche angeordnet sind, und ein zu kondensierendes Fluid oder
ein kondensierendes Fluid (d. h. Stickstoffgas), das in Form von
Gas eingeleitet wird, und ein zu verdampfendes Fluid oder ein verdampfendes
Fluid (d. h. flüssiger
Sauerstoff), das in Form einer Flüssigkeit eingeleitet wird,
werden einem indirekten Wärmeaustausch
miteinander unterzogen, um eine Kondensation des ersteren Fluids
in eine Flüssigkeit
zu bewirken, die zu einem unteren Teil des Wärmetauschers abgesaugt wird,
und auch eine Verdampfung oder Vergasung eines Teils des letzteren
Fluids in ein Gas zu bewirken, das zu einem unteren Teil und einem
oberen Teil des Wärmetauschers
abgesaugt wird.
-
1 zeigt
einen Aufkocher-Kondensator unter Verwendung eines untergetauchten
Wärmetauscherkerns
des Plattenrippentyps (d. h. einen untergetauchten Aufkocher-Kondensator)
unter Verwendung des Thermosiphoneffekts. Dieser Aufkocher-Kondensator 1 wird
als in einem verdampfenden Fluid (flüssiger Sauerstoff LO) untergetaucht
verwendet, welcher sich in einem Vorratsbehälter 2a sammelt, der
sich am Boden einer Niederdruckkolonne 2 befindet. Im Aufkocher-Kondensator 1 sind
die Einlassenden und Auslassenden (die oberen Enden und die unteren
Enden) von Wärmeaustauschkanälen (Verdampfungskanälen) für das verdampfende Fluid
(flüssiger
Sauerstoff LO) offen und ein Kopfstickstoffgas GN in einer Hochdruckkolonne 3 wird über ein
Kopfstück 1a in
die Kondensationskanäle eingeleitet.
Der durch die Kondensation im Kondensationskanal gebildete flüssige Stickstoff
wird aus einem unteren Kopfstück 1b abgesaugt.
-
Der
flüssige
Sauerstoff in den Verdampfungskanälen wird einem indirekten Wärmeaustausch
mit dem kondensierenden Fluid (Stickstoffgas GN) in den benachbarten
Kondensationskanälen
unterzogen, damit er teilweise verdampft wird, um Sauerstoffblasen
zu bilden, die entlang der Verdampfungskanäle aufsteigen. Die Aufstiegskraft
dieses Sauerstoffgases und die Differenz in der Dichte des Dampfs
und jener der Flüssigkeit
in dem Dampf-Flüssigkeits-Gemisch
führen
den Thermosiphoneffekt herbei und bilden eine zirkulierende Strömung im flüssigen Sauerstoff
LO innerhalb und außerhalb
des Aufkocher-Kondensators 1.
Von dem Sauerstoff, der die Form eines Dampf-Flüssigkeits-Gemisches annimmt, das als aufsteigender
Strom abgesaugt wird, kehrt der flüssige Sauerstoff, der nicht
verdampft ist, in den Vorratsbehälter 2a zurück, wohingegen
das Sauerstoffgas ein aufsteigendes Gas in der Niederdruckkolonne 2 bildet,
und ein Teil des Gases wird als Produkt durch eine Leitung 4 abgesaugt.
-
Unterdessen
wird das Stickstoffgas GN, das in die Kondensationskanäle eingeleitet
wird, durch den indirekten Wärmeaustausch
mit dem flüssigen Sauerstoff
in flüssigen
Stickstoff kondensiert und wird aus dem Boden des Aufkocher-Kondensators 1 abgesaugt.
Während
der so abgesaugte flüssige
Stickstoff als Rückfluss
in die obigen zwei Kolonnen eingeleitet wird, wird er gelegentlich teilweise
als flüssiges
Produkt abgesaugt.
-
Der
untergetauchte Aufkocher-Kondensator 1, der den Thermosiphoneffekt
verwendet, wie vorstehend beschrieben, ist ein Wärmetauscher des Gegenstromtyps,
bei dem das kondensierende Fluid und das verdampfende Fluid eine
Abwärtsströmung bzw.
eine Aufwärtsströmung bilden.
Da der Aufkocher-Kondensator 1 als vollständig in
flüssigen
Sauerstoff eingetaucht verwendet wird, unterkühlt der flüssige Kopf des flüssigen Sauerstoffs
den flüssigen Sauerstoff,
der vom Boden des Aufkocher-Kondensators 1 zu den Verdampfungskanälen strömt.
-
Folglich
ist ein gewisser Abstand für
den flüssigen
Sauerstoff erforderlich, bis er zu sieden beginnt oder bis die Temperatur
des flüssigen
Sauerstoffs durch den indirekten Wärmeaustausch mit dem kondensierenden
Stickstoffgas erwärmt
ist, um die gesättigte
Temperatur zu erreichen. Dieser Abstand beläuft sich gelegentlich auf 20
bis 30 % der Höhe
des Wärmetauschers.
Das heißt,
der untergetauchte Aufkocher-Kondensator 1 genügt nicht,
um die Wärmeübertragungsoberfläche über die
gesamte Höhe
des Wärmetauschers
zu nutzen.
-
Ferner
verursacht der flüssige
Kopf des flüssigen
Sauerstoffs als verdampfendes Fluid einen Anstieg des Siedepunkts
des flüssigen
Sauerstoffs als verdampfendes Fluid und die Temperaturdifferenz ΔT zwischen
dem Sauerstoff und dem Stickstoff wird verringert (Temperaturverengung),
wie in 2 gezeigt, so dass die Menge an auszutauschender
Wärme an
der konstruierten Wärmeübertragungsoberfläche verringert
wird. Daher ist es nun erforderlich, die Temperaturdifferenz ΔT auf einem
festen Niveau zu halten, um die Wärmelast aufrechtzuerhalten.
Als Verfahren, um dies zu erreichen, wird der Druck des kondensierenden
Stickstoffgases oder der Betriebsdruck der Hochdruckkolonne im Allgemeinen
in einem solchen Ausmaß erhöht, dass
mit der Erhöhung des
Siedepunkts des flüssigen
Sauerstoffs zurechtgekommen wird, was zur Steigerung des Leistungsverbrauchs
führt.
-
Außerdem muss
eine große
Menge an flüssigem
Sauerstoff gespeichert werden, um zu ermöglichen, dass der Aufkocher-Kondensator 1 ordnungsgemäß funktioniert,
und es dauert eine lange Zeit, um das System anzufahren, oder eine
große
Menge an flüssigem
Sauerstoff wird ausgelassen, wenn der Aufkocher-Kondensator 1 gestoppt wird,
was eine Verschwendung von Leistung und Per sonalkosten verursacht.
-
Um
eine solche Unzweckmäßigkeit
im untergetauchten Aufkocher-Kondensator unter Verwendung des Thermosiphoneffekts
zu beseitigen, wie vorstehend beschrieben, wird ein Aufkocher-Kondensator
unter Verwendung eines Mitstrom-Wärmetauschers vorgeschlagen,
in dem ein verdampfendes Fluid verdampft wird, wenn es von der Oberseite
jedes Verdampfungskanals im Wärmetauscher
abwärts
strömt.
Diese Art von Aufkocher-Kondensator wird im Allgemeinen als Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator
bezeichnet.
-
3 zeigt
einen Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator 5 unter
Verwendung eines Wärmetauschers
des Plattenrippentyps. Ein flüssiger Sauerstoff
LO, der von einem Destillationsabschnitt 2b einer Niederdruckkolonne 2 abwärts strömt, strömt von der
Oberseite des Aufkocher-Kondensators 5 zusammen mit dem
flüssigen
Sauerstoff, der durch eine Pumpe 6 von einem Vorratsbehälter 2a geliefert
wird, der sich am Boden der Niederdruckkolonne befindet, weiter
abwärts
und wird einem indirekten Wärmeaustausch
mit einem Stickstoffgas unterzogen, das in benachbarten Kondensationskanälen mitströmt, um teilweise
verdampft zu werden. Das so erhaltene Sauerstoffgas wird aus den
Unterseiten der Verdampfungskanäle
in die Niederdruckkolonne 2 abgesaugt, während der
flüssige
Sauerstoff, der nicht verdampft ist, aus den Unterseiten der Verdampfungskanäle abgesaugt
wird, um ihn im Vorratsbehälter 2a zu
sammeln, der sich am Boden der Niederdruckkolonne befindet. Der
so gesammelte flüssige
Sauerstoff wird zur Oberseite des Aufkocher-Kondensators 5 zur
Zirkulation durch die Pumpe 6 zurückgeführt. Da die Stickstoffseite
dieselbe Konfiguration wie vorstehend beschrieben besitzt, sind
den gleichen und ähnlichen
Elementen jeweils dieselben Bezugszeichen beigefügt und auf eine ausführliche Beschreibung
von ihnen wird verzichtet.
-
Da,
wie vorstehend beschrieben, der Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator 5 keinen
flüssigen
Kopf im zu verdampfenden flüssigen
Sauerstoff bildet, besitzt der Wärmetauscher
eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturdifferenz ΔT über dessen
gesamte Höhe,
was bewirkt, dass die Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs im ganzen
Wärmetauscher
stattfindet. Dies erreicht eine Verbesserung der Wärmetauscherwirksamkeit,
eine Verkleinerung und Kostenverringerung des Wärmetauschers sowie eine Verringerung
des Leistungsverbrauchs, der Startzeit usw.
-
Mit
Bezug auf den obigen Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator
wurden jene mit verschiedenen Strukturen oder Aufbauten bisher beispielsweise
in der japanischen Patentveröffentlichung
Nrn. Hei 5-31042 und Hei 7-31015 und in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung
Nr. Hei 8-61868 (die dem US-Patent US-A-5 438 836 entspricht) vorgeschlagen.
In diesen Aufkocher-Kondensatoren,
die in den obigen offiziellen Amtsblättern beschrieben sind, sind
Flüssigkeitsverteilungsmittel zum
Ausführen
einer schrittweisen Flüssigkeitsverteilung
als Flüssigkeitsverteilungsstrukturen
zum gleichmäßigen Liefern
von zu verdampfenden flüssigen
Fluiden zu Verdampfungskanälen
vorgeschlagen.
-
In
dem Aufkocher-Kondensator, der in der japanischen Patentveröffentlichung
Nr. Hei 5-31042 offenbart ist, besteht das Flüssigkeitsverteilungsmittel zum
Ausführen
der schrittweisen Flüssigkeitserteilung
beispielsweise aus einem Vorverteilungsabschnitt und einem Feinverteilungsabschnitt;
der erstere besteht aus Öffnungen
und der letztere verwendet Verteilungswirkungen einer Schwergang-Verrippung
(gezahnten Verrippung). Unterdessen besteht in der japanischen Patentveröffentlichung
Nr. Hei 7-31015 das Flüssigkeitsverteilungsmittel
aus einem Vorverteilungsabschnitt und einem Feinverteilungsabschnitt;
der erstere besteht aus Rohröffnungen
und der letztere verwendet Verteilungswirkungen einer Schwergang-Verrippung
(gezahnten Verrippung). Ferner wird in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung
Nr. Hei 8-61868 (die dem US-Patent US-A-5 438 836 entspricht) der
Flächenbruchteil
der perforierten Verrippung, der als Schwergang-Verrippung verwendet
wird, schrittweise geändert.
Jedes von diesen Flüssigkeitsverteilungsmitteln,
das in diesen offiziellen Amtsblättern
offenbart ist, ist durch Hartlöten
in einen Wärmetauscherkern
integriert, um einen Aufkocher-Kondensator zu bilden.
-
Das
Flüssigkeitsverteilungsmittel,
das in einem oberen Teil eines Wärmetauschers
des Plattenrippentyps im herkömmlichen
Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator untergebracht
ist, wie vorstehend beschrieben, beinhaltet insofern ein Problem,
als die Herstellung des Wärmetauschers
viel kostet, da er aus einem Vorverteilungsabschnitt und einem Feinverteilungsabschnitt
besteht, und als er eine komplizierte Struktur aufweist, bei der
ein verdampfendes Fluid, das die flüssige Form annimmt und das
aus dem Feinverteilungsabschnitt abgesaugt werden soll, Verdampfungskanäle hinabströmen lassen
wird, die benachbart zu jedem Kondensationskanal über Führungsplatten
wie z. B. Seitenstäbe
ausgebildet sind, die sich an den Oberseiten der Kondensationskanäle befinden.
-
US 4 599 097 A beschreibt
einen Wärmetauscher
mit einer Anordnung von parallelen vertikalen Platten, die dazwischen
eine Mehrzahl von flachen Kanälen
mit im Allgemeinen vertikal gerippten Rippen darin definieren. Das
verdampfende Fluid wird in zwei Stufen mit einer groben Vorverteilung
der Flüssigkeit
unter Verwendung einer horizontalen Reihe von Öffnungen und dann einer Feinverteilung
der so vorverteilten Flüssigkeit
unter Verwendung einer Verrippung verteilt. Die zwei Verteilungsstufen
werden über
einem oberen Ende von Kanälen
mit im Allgemeinen vertikal gerippten Rippen durchgeführt.
-
EP 0 952 419 A1 beschreibt
einen Plattenrippen-Wärmetauscher
oder einen Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator
mit optimalen Wärmeübertragungs-Rippenabmessungen,
um den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung
zwischen verdampfenden und kondensierenden Fluiden zu erhöhen. Hierbei wird
verdampfendes Fluid in eine Gruppe von Kanälen eingeleitet. Die Gruppe
von Kanälen
besitzt mehrere Rippen. Die Rippen umfassen Schwergang-Rippen, die
Perforationen zur Fluidverteilung des verdampfenden Fluids enthalten,
und Leichtgang-Wärmeübertragungsrippen
stromabwärts
von den Schwergang-Rippen. Die Leichtgang-Wärmeübertragungsrippen bilden einen
oder mehrere Wärmeübertragungsabschnitte
mit einer fortschreitend abnehmenden Oberfläche.
-
EP 0 501 471 A1 beschreibt
einen Wärmetauscher,
in dem das verdampfende Fluid Flüssigkeitseinleitungsrohren
mittels Kopfstücken
zugeführt wird.
Der Wärmetauscher
umfasst ein Mittel zum Vorsehen eines im Wesentlichen gleichmäßigen Films von
Flüssigkeit
auf im Allgemeinen vertikalen gerippten Rippen in der Gruppe von
Kanälen.
Das Mittel ist vorzugsweise eine Schwergang-Verrippung, insbesondere
eine perforierte gerippte Verrippung.
-
GB 2 316 478 A1 beschreibt
einen Fallströmungs-Wärmetauscher
zur Verwendung bei der Stickstoffverflüssigung, welcher einen Verteiler
für flüssigen Sauerstoff
umfasst. Der flüssige
Sauerstoff fließt über den
Rand eines Wehrs auf Schwergang-Verteilungselemente, so dass der
Sauerstoff über
die Tiefe des Wärmetauschers
verteilt wird und über
die Oberflächen
von Platten, die den Sauerstoff und den Stickstoff trennen, abwärts strömt.
-
US 5 438 836 A beschreibt
einen Fallströmungs-Wärmetauscher
mit Platten und Rippen für die
Tieftemperatur-Rektifizierung. Nach dem Durchgang durch eine Schwergang-Verrippung
durchströmt
die gut verteilte Flüssigkeit
eine geneigte Dichtungsstange und wird in zweite Kanäle an einem
Abschnitt, der Brückenrippen
enthält,
geleitet. Die Brückenrippen
sind vorzugsweise flache Rippenwellen und sind in rechten Winkeln
zu den Schwergang-Rippen der Länge
nach orientiert und sind vorgesehen, um die feine Flüssigkeitsverteilung,
die in den ersten Kanälen
erhalten wird, zu unterkanalisieren und aufrechtzuerhalten, während die
Flüssigkeit
zu den zweiten Kanälen überführt wird.
-
OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator mit
einem Flüssigkeitsverteiler
an den Oberseiten von Verdampfungskanälen in einem Wärmetauscherkern
zu schaffen, wodurch die gleichmäßige und
sichere Verteilung und Einleitung eines verdampfenden Fluids in
die Verdampfungskanäle
ermöglicht
wird und auch eine Vereinfachung der Struktur und eine Verringerung
der Herstellungskosten erreicht werden.
-
Die
obige Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal der Ansprüche 1 bis
4 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
enthalten.
-
Es
sollte hier beachtet werden, dass eine Art von Verrippung vorzugsweise
integral die Schwergang-Verrippung, die als oberer Flüssigkeitseinlassabschnitt
dient, und jene, die als Zwischenflüssigkeitsverteilungsabschnitt
dient, bildet. Die Zahnungslänge der
Schwergang-Verrippung ist vorzugsweise nicht länger als die Rippenschrittweite
der Verrippung, die sich in jedem Verdampfungskanal befindet. Die Leichtgang-Verrippung
in jedem Flüssigkeitsleitungsabschnitt
ist vorzugsweise eine gezahnte Verrippung. Die Leichtgang-Verrippung
im Flüssigkeitsleitungsabschnitt
kann eine Rippenschrittweite gleich oder 1/2 der Schrittweite der
Verrippung aufweisen, die sich in jedem Verdampfungskanal befindet.
Die oberen Endabschnitte der Kondensationskanäle, die benachbart zu den Flüssigkeitsverteilern
vorliegen, sowie die Kondensationskanäle, die niedriger liegen als das
kondensierende Fluid absaugende Kopfstück in dem Fall, in dem das
verdampfende Fluid absaugende Kopfstück auf einer unteren Querseite
des Wärmetauscherkerns
liegt, sind vorzugsweise als Scheinkanäle definiert, in denen kein
Fluid strömt.
-
Wie
vorstehend beschrieben wurde, kann gemäß dem Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator der
vorliegenden Erfindung eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung sicher
unter Verwendung einer einfachen Struktur erreicht werden, wobei
somit eine Verringerung der Herstellungskosten und eine Verbesserung
der Wärmeaustauschwirksamkeit
erreicht werden.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein Systemdiagramm, das ein Beispiel des herkömmlichen untergetauchten Aufkocher-Kondensators
zeigt;
-
2 ist
ein Diagramm, das schematisch die Temperaturverteilung in dem in 1 gezeigten
untergetauchten Aufkocher-Kondensator zeigt;
-
3 ist
eine Systemzeichnung, die ein Beispiel des herkömmlichen Fallströmungs-Aufkocher-Kondensators
zeigt;
-
4 ist
ein Diagramm, das schematisch die Temperaturverteilung in dem in 3 gezeigten
Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator
zeigt;
-
5 ist
eine Systemzeichnung, die ein Beispiel zeigt, in dem der Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator
der vorliegenden Erfindung auf eine Doppeldestillationskolonne einer
Lufttrennanlage angewendet wird;
-
6 ist
eine perspektivische Ansicht des relevanten Abschnitts des Fallströmungs-Aufkocher-Kondensators
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung teilweise im Querschnitt;
-
7 zeigt
schematisch die Strömung
eines verdampfenden Fluids, das die flüssige Form annimmt, vom Vorratsbehälter in
die Verdampfungskanäle
im Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator
der vorliegenden Erfindung;
-
8 ist
eine perspektivische Ansicht des relevanten Abschnitts des Fallströ mungs-Aufkocher-Kondensators
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung teilweise im Querschnitt; und
-
9 ist
eine perspektivische Ansicht des relevanten Abschnitts des Fallströmungs-Aufkocher-Kondensators
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung teilweise im Querschnitt.
-
BESTE ART
ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
-
5 ist
eine Systemzeichnung, die ein Beispiel zeigt, in dem der Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator
der vorliegenden Erfindung auf eine Doppeldestillationskolonne einer
Lufttrennanlage angewendet wird. Der Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator
(nachstehend einfach als Aufkocher-Kondensator bezeichnet) 11 befindet
sich in einem mittleren Teil der Doppeldestillationskolonne, d.
h. zwischen einer Hochdruckkolonne 12 und einer Niederdruckkolonne 13.
Luft, die als Rohgas zugeführt
wird, wird komprimiert und dann gereinigt, indem Verunreinigungsinhalte,
einschließlich
Kohlendioxid, Feuchtigkeit usw., entfernt werden, und die so gereinigte
Luft strömt
durch einen Hauptwärmetauscher
und wird durch eine Leitung 14 in den Boden der Hochdruckkolonne 12 eingeleitet.
Die Speiseluft, die in die Hochdruckkolonne 12 eingeleitet
wird, wird in der Hochdruckkolonne 12 durch Tieftemperaturdestillationsprozeduren,
die auf dem Fachgebiet gut bekannt sind, in ein Kopfstickstoffgas
und eine mit Sauerstoff angereicherte flüssige Bodenluft getrennt.
-
Das
Kopfstickstoffgas in der Hochdruckkolonne 12 wird in eine
Leitung 15 abgesaugt und wird von einem oberen Kopfstück 11a des
Aufkocher-Kondensators 11 in die Oberseiten von Kondensationskanälen eingeleitet,
damit es durch indirekten Wärmeaustausch
mit dem flüssigen
Sauerstoff, der in Verdampfungskanälen mitströmt, die sich benachbart zu
jedem Kondensationskanal befinden, zu einer Flüssigkeit kondensiert wird.
Der resultierende flüssige
Stickstoff wird aus einem unteren Kopfstück 11b in eine Leitung 16 abgesaugt
und ein Teil von ihm wird in die Oberseite der Hochdruckkolonne 12 eingeleitet,
während
der Rest von ihm jeweils durch eine Leitung 17 und ein
Ventil 18 in die Oberseite der Niederdruckkolonne 13 als
Rückfluss
eingeleitet wird.
-
Unterdessen
wird der flüssige
Sauerstoff, der den Destillationsabschnitt der Niederdruckkolonne 13 hinabströmt, aus
dem Boden der Niederdruckkolonne 13 abgesaugt, damit er
zusammen mit dem flüssigen
Sauerstoff, der von einer Pumpe 19 in einen Vorratsbehälter 21 zugeführt wird,
der sich über
dem Wärmetauscherkern 20 befindet,
welcher den Aufkocher-Kondensator 11 bildet, gesammelt
wird, und wird dann in einen Flüssigkeitsverteiler
eingeleitet, der über
jedem Verdampfungskanal liegt. Im Flüssigkeitsverteiler 22 wird
der flüssige
Sauerstoff gleichmäßig verteilt,
so dass er jeden Verdampfungskanal des Wärmetauscherkerns 20 hinabströmt.
-
Der
flüssige
Sauerstoff, der die Verdampfungskanäle hinabströmt, wird durch indirekten Wärmeaustausch
mit dem Stickstoffgas, das entlang der Kondensationskanäle mitströmt, die
benachbart zu jedem Verdampfungskanal ausgebildet sind, teilweise
verdampft und das resultierende Sauerstoffgas, das durch Verdampfung
erhalten wird, wird aus den unteren Enden der Verdampfungskanäle abgesaugt, damit
es ein aufsteigendes Gas in der Niederdruckkolonne annimmt. Ein
Teil des Sauerstoffgases wird als Produktsauerstoffgas von einer
unteren Leitung 23 der Niederdruckkolonne 13 abgesaugt.
Unterdessen wird der flüssige
Sauerstoff, der nicht verdampft ist, aus den unteren Enden der Verdampfungskanäle abgesaugt,
damit er zum Boden der Niederdruckkolonne 13 gesammelt
wird, und wird durch die Pumpe 19 zur Zirkulation wieder
in den Vorratsbehälter 21 eingeleitet.
-
6 ist
eine perspektivische Ansicht des relevanten Abschnitts des Fallströmungs-Aufkocher-Kondensators
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung teilweise im Querschnitt. In diesem Aufkocher-Kondensator 30 befindet
sich ein Vorratsbehälter 36 an
der Oberseite eines Wärmetauscherkerns 34 des
Plattenrippentyps, in dem mehrere Kondensationskanäle 32 und mehrere
Verdampfungskanäle 33 abwechselnd
und aufeinander folgend in Räumen
ausgebildet sind, die jeweils durch mehrere parallele und vertikale
Trennbleche 31 definiert sind. Der Vorratsbehälter 36 ist von
Wehrplatten 35 umgeben. Ein Flüssigkeitsverteiler 37 ist
auch an der Oberseite von jedem Verdampfungskanal 33 angeordnet,
um das verdampfende Fluid, das im Vorratsbehälter 36 gesammelt
wird, zum Verdampfungskanal 33 zu verteilen.
-
Der
Flüssigkeitsverteiler 37 besteht
aus einem oberen Flüssigkeitsverteilungsabschnitt 38 und einem
unteren Flüssigkeitsverteilungsabschnitt 39. Eine
Schwergang-Verrippung, die so angeordnet ist, dass sie den maximalen
Strö mungswiderstand
gegen den Hauptstrom aufbringt, bildet den Flüssigkeitsverteilungsabschnitt 38.
Die Schwergang-Verrippung ist unter Verwendung einer gezahnten Verrippung
ausgebildet, während
der Flüssigkeitsleitungsabschnitt 39 durch
eine Leichtgang-Verrippung definiert ist, die so angeordnet ist,
dass sie den minimalen Strömungswiderstand
gegen den Hauptstrom vorsieht. Die Leichtgang-Verrippung ist unter
Verwendung einer gezahnten Verrippung ausgebildet.
-
Unterdessen
befinden sich zwei Seitenstäbe 40a und 40b über jedem
Kondensationskanal 32 in einer vertikalen Beziehung in
Positionen, in denen sie über
die Trennbleche 31 den Flüssigkeitsverteilern 37 in
den benachbarten Verdampfungskanälen 33 gegenüberliegen,
um einen Scheinkanal 41 zwischen den Seitenstäben 40a und 40b zu
definieren, in dem kein Fluid strömt.
-
In
dem Fall, in dem der so gebildete Aufkocher-Kondensator 30 als
Aufkocher-Kondensator 11 der
in 5 gezeigten Lufttrennanlage verwendet wird, wird
das Stickstoffgas als kondensierendes Fluid von einer oberen Querseite
von jedem Kondensationskanal 32 eines Wärmeübertragungsabschnitts des Wärmetauschers
eingeleitet und wird durch indirekten Wärmeaustausch mit dem flüssigen Sauerstoff,
der in den benachbarten Verdampfungskanälen 33 mitströmt, in eine
Flüssigkeit
kondensiert und die so gebildete Flüssigkeit wird von den unteren
Querseiten des Kondensationskanals 32 abgesaugt.
-
Unterdessen
strömt
der als verdampfendes Fluid in den Vorratsbehälter 36 eingeleitete
flüssige Sauerstoff
durch die Flüssigkeitsverteilungsabschnitte 38 und
die Flüssigkeitsleitungsabschnitte 39 der Flüssigkeitsverteiler 37,
um direkt zum oberen Ende jedes Verdampfungskanals 33 zu
strömen
und durch indirekten Wärmeaustausch
mit dem Stickstoffgas, das durch die benachbarten Kondensationskanäle 32 mitströmt, teilweise
verdampft zu werden, während
das durch die Verdampfung erhaltene Sauerstoffgas und der Rest des
flüssigen
Sauerstoffs, der nicht verdampft ist, aus der Unterseite des Verdampfungskanals 33 abgesaugt
werden.
-
Wie
vorstehend beschrieben, kann flüssiger Sauerstoff
sicher und gleichmäßig in die
Verdampfungskanäle 33 eingeleitet
werden, indem der in die Verdampfungskanäle 33 einzuleitende
flüssige
Sauerstoff vorübergehend
im Vorratsbehälter 36 in
einer geeigneten Tiefe gespeichert wird und der flüssige Sauerstoff gleichmäßig durch
die Flüssigkeitsverteilungsabschnitte 38 verteilt
wird, die jeweils aus einer Schwergang-Verrippung mit einer Flüssigkeitsverteilungs-Beschleunigungsfunktion
bestehen, bevor er über
den Flüssigkeitsleitungsabschnitt 39,
der aus einer Leichtgang-Verrippung mit einer Funktion der Leitung
der Flüssigkeit
zu den Verdampfungskanälen 33 besteht,
in jeden Verdampfungskanal 33 eingeleitet wird.
-
Da
der Vorratsbehälter 36 durch
die Wehrplatten 35 definiert ist, die durch Verlängern des
Gehäuses
des Wärmetauscherkerns 34 gebildet
sind, um den flüssigen
Sauerstoff darin in einer geeigneten Tiefe in Abhängigkeit
vom Strömungswiderstand
der Flüssigkeitsverteiler
zu sammeln, kann der flüssige Sauerstoff
außerdem
gleichmäßig in die
Flüssigkeitsverteiler 37 eingeleitet
werden, die sich jeweils über den
Verdampfungskanälen 33 befinden,
wobei eine gleichmäßigere Verteilung
des flüssigen
Sauerstoffs in jeden Verdampfungskanal 33 erreicht wird.
-
Ferner
ist ein Scheinkanal 41, in dem kein Fluid strömt, über jedem
Kondensationskanal 32 definiert, der benachbart zu jedem
Flüssigkeitsverteiler 37 über das
Trennblech 31 liegt, so dass der flüssige Sauerstoff, der durch
die Flüssigkeitsverteilungsabschnitte 38 und
Flüssigkeitsleitungsabschnitte 39 in den
Flüssigkeitsverteilern 37 abwärts strömt, nicht durch
die Wärme
des Stickstoffgases, das durch die benachbarten Kondensationskanäle 32 strömt, verdampft
werden kann. Folglich tritt keine Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs
in den Flüssigkeitsverteilern 37 auf,
was eine Behinderung der Strömung
der Flüssigkeit
ist, wodurch eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung
stabil erreicht wird. Im übrigen
kann eine geeignete Verrippung in jedem Scheinkanal 41 angeordnet
sein, um die strukturelle Festigkeit zu verbessern.
-
Als
Variation (nicht dargestellt) der obigen Ausführungsform kann der Vorratsbehälter 36 durch ein
Kopfstück
mit einem Rohr zum Einleiten eines verdampfenden Fluids und ein
weiteres Kopfstück mit
einem Rohr zum Absaugen des verdampfenden Fluids, die am oberen
Ende bzw. am unteren Ende des Wärmetauscherkerns 34 befestigt
werden sollen, ersetzt werden. Da in diesem Fall das verdampfende Fluid
durch Rohre, die jeweils mit diesen zwei Kopfstücken verbunden sind, in die
Verdampfungskanäle 33 eingeleitet
und aus diesen abgesaugt werden kann, kann der Aufkocher-Kondensator 30 in
einer gewünschten
Position außerhalb
des Gefäßes der Niederdruckkolonne
und der gleichen installiert werden, was die Anordnung von Ausrüstungen
in der Anlage erleichtert, was wiederum zur Verringerung der Herstellungskosten
führt.
-
7 zeigt
schematisch die Flüssigkeitsströmung des
verdampfenden Fluids aus dem Vorratsbehälter 36 in die Verdampfungskanäle 33.
Das verdampfende Fluid (flüssiger
Sauerstoff) im Vorratsbehälter 36 mit
einem flüssigen
Kopf, der durch den Strömungswiderstand
der Schwergang-Verrippung im Flüssigkeitsverteilungsabschnitt 38 gebildet
ist, wird gleichmäßig verteilt,
wenn es entlang der Schwergang-Verrippung im Flüssigkeitsverteilungsabschnitt 38 strömt, welche
Zickzack-Strömungen bildet,
die aus Widerholungen von Querströmungen senkrecht zu den senkrechten
Hauptströmungen
bestehen. Da die Schwergang-Verrippung im Flüssigkeitsverteilungsabschnitt 38 einen
großen
Strömungswiderstand
vorsieht, um einen Flüssigkeitsdichtungsabschnitt
zu bilden, kann der flüssige
Sauerstoff entlang der Schwergang-Verrippung abwärts strömen, aber das durch Verdampfung
in den Verdampfungskanälen 33 gebildete
Sauerstoffgas kann nicht den Flüssigkeitsdichtungsabschnitt
durchschneidend aufwärts
strömen.
Das heißt,
da keine aufsteigende Strömung
von Gas, die eine Behinderung der Flüssigkeitsverteilung ist, in
der Schwergangverrippung besteht, kann eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung
erreicht werden.
-
Der
nach der gleichmäßigen Verteilung durch
den Flüssigkeitsverteilungsabschnitt 38 nach unten
zu leitende flüssige
Sauerstoff wird in den Flüssigkeitsleitungsabschnitt 39 eingeleitet,
der aus einer Leichtgang-Verrippung mit einer Flüssigkeitsleitungsfunktion besteht,
damit er sicher in jeden Verdampfungskanal 33 des Wärmeübertragungsabschnitts des
Wärmetauschers
verteilt wird. Hier ist die Zahnungslänge S der Schwergangverrippung
vorzugsweise nicht länger
als die Rippenschrittweite P2 der Verrippung im Verdampfungskanal 33,
wohingegen die Rippenschrittweite P1 der Leichtgang-Verrippung im
Flüssigkeitsleitungsabschnitt 39 nicht
länger
ist als die Zahnungslänge
S der Schwergang-Verrippung im Flüssigkeitsverteilungsabschnitt 38,
vorzugsweise gleich oder 1/2 der Schrittweite P2 der Verrippung
im Verdampfungskanal 33. Folglich kann die Überführung von
Flüssigkeit
von Abschnitt zu Abschnitt wirksamer ausgeführt werden.
-
8 zeigt
den Aufkocher-Kondensator gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Es sollte hier beachtet werden, dass den
gleichen und ähnlichen
Elementen wie in der ersten Ausführungsform
jeweils dieselben Bezugszeichen beigefügt sind und auf eine ausführliche
Beschreibung von ihnen verzichtet wird. In dem in dieser Ausführungsform
gezeigten Aufkocher-Kondensator
befindet sich ein Flüssigkeitseinlassabschnitt 42,
der jeweils aus einer perforierten Verrippung, einer gezahnten Verrippung
oder dergleichen besteht, auf der Stromaufwärtsseite von oder über jedem Flüssigkeitsverteilungsabschnitt 38,
der auch aus einer Schwergang-Verrippung besteht. Der Flüssigkeitseinlassabschnitt 42 besitzt
eine Funktion des Leitens des flüssigen
Sauerstoffs, damit er vom Vorratsbehälter 36 in die Schwergang-Verrippung
des Flüssigkeitsverteilungsabschnitts 38 eingeleitet
wird. Eine Hartlötbehandlung
am oberen Ende des Wärmetauscherkerns 34 kann
sichergestellt werden, indem, wie vorstehend beschrieben, die Flüssigkeitseinlassabschnitte 42,
die jeweils aus einer perforierten Verrippung, einer gezahnten Verrippung
usw. bestehen, am oberen Ende des Wärmetauscherkerns 34 bereitgestellt
werden, und der Wärmetauscherkern 34 kann
leicht und sicher hergestellt werden.
-
9 zeigt
den Aufkocher-Kondensator gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Es sollte hier beachtet werden, dass
den gleichen und ähnlichen
Elementen wie in der ersten Ausführungsform
jeweils dieselben Bezugszeichen beigefügt sind und auf eine ausführliche
Beschreibung von ihnen verzichtet wird. In dem in dieser Ausführungsform
gezeigten Aufkocher-Kondensator
sind Öffnungen
an oberen Querseiten von jedem Verdampfungskanal definiert, wobei
sich ein Flüssigkeitsaufnehmer
in solchen Positionen befindet, dass ein verdampfendes Fluid vom
Flüssigkeitsaufnehmer und
durch diese Öffnungen
in die Verdampfungskanäle
geleitet wird.
-
Das
heißt,
das obere Ende von jedem Verdampfungskanal 33 ist durch
einen horizontalen Seitenstab 43a geschlossen und Öffnungen 44 sind durch
Anordnen eines vertikalen Seitenstabes 43b an jeder Seite
von jedem Verdampfungskanal 33 mit einem geeigneten Zwischenraum
zum Seitenstab 43a definiert. Ein Flüssigkeitsaufnehmer 47,
der aus einer Bodenplatte 45, die den Wärmetauscherkern 34 umgibt,
und einer Umhüllung 46,
die so ausgebildet ist, dass sie die Bodenplatte 45 umgibt,
besteht, ist um die Öffnungen 44 angeordnet
und ferner ist ein Flüssigkeitsverteiler 51,
der aus einem oberen Flüssigkeitseinlassabschnitt 48,
der aus einer Schwergang-Verrippung gebildet ist, einem Zwischenflüssigkeitsverteilungsabschnitt 49,
der aus einer Schwergang-Verrippung gebildet ist, und einem unteren
Flüssigkeitsleitungsabschnitt 50,
der aus einer Leichtgang-Verrippung gebildet ist, besteht, über jedem Verdampfungs kanal 33 angeordnet.
Ferner ist das untere Ende (Unterseite) von jedem Verdampfungskanal 33 wie
in der obigen Ausführungsform
geöffnet.
-
Dieser
Aufbau kann auch ähnliche
Effekte zu jenen in der obigen Ausführungsform aufweisen. Im übrigen können die Öffnungen 44 auf
einer Seite oder auf jeder Seite der Verdampfungskanäle 33 ausgebildet
werden. Unterdessen kann der obere Flüssigkeitseinlassabschnitt 48 derart
angeordnet sein, dass dessen oberes Ende auf das (die) obere(n)
oder untere(n) Ende(n) der oberen seitlichen Öffnung(en) 44 ausgerichtet
ist. Ferner kann eine Art von Schwergang-Verrippung integral den
oberen Flüssigkeitseinlassabschnitt 48 und
den Zwischenflüssigkeitsverteilungsabschnitt 49 bilden.
-
Ferner
kann als Variation dieser Ausführungsform
der Flüssigkeitsaufnehmer 47 durch
ein Kopfstück
mit einem Rohr zum Einleiten eines verdampfenden Fluids und ein
weiteres Kopfstück
mit einem Rohr zum Absaugen des verdampfenden Fluids, die an den
oberen seitlichen Öffnungen
bzw. an den Öffnungen
am unteren Ende des Wärmetauscherkerns 34 befestigt
werden sollen, wie in der Variation der ersten Ausführungsform
ersetzt werden. In einer weiteren Variation, die nicht von der vorliegenden
Erfindung abgedeckt ist, kann der untere Endabschnitt von jedem
Verdampfungskanal 33 so ausgelegt sein, dass er dieselbe
Konfiguration wie jene des oberen Endabschnitts besitzt. Das heißt, die Öffnungen
am unteren Ende der Verdampfungskanäle 33 können mit
horizontalen Seitenstäben
geschlossen sein, um untere seitliche Öffnungen zu definieren, an
denen ebenso ein Kopfstück
befestigt werden kann. Wie in der Variation der ersten Ausführungsform
können
in diesem Fall die Kondensationskanäle (32 in 6),
die niedriger liegen als das absaugende Kopfstück (11b in 5),
als Scheinkanäle
definiert sein, in denen kein Fluid strömt.
-
Wie
vorstehend beschrieben, ist im Fallströmungs-Aufkocher-Kondensator
ein Flüssigkeitsverteiler,
der eine Verrippung verwendet, die ein Komponententeil eines allgemeinen
Wärmetauschers
des Plattenrippentyps ist, und eine Funktion der gleichmäßigen Verteilung
einer Flüssigkeit
besitzt, wobei er auf den Strömungswiderstand
der Verrippung zurückgreift,
an der Oberseite jedes Verdampfungskanals im Wärmetauscherkern befestigt,
wobei somit eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung
unter Verwendung nur der Verdampfungskanäle ohne Verwendung der Kondensationskanäle, die
benachbart zu jedem Verdampfungskanal liegen, erreicht wird und
die gleichmäßige und
sichere Ein leitung des verdampfenden Fluids in die Verdampfungskanäle erreicht
wird. Folglich kann nicht nur die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers
verbessert werden, sondern die Struktur des Wärmetauschers wird auch vereinfacht,
was zur Verringerung von dessen Herstellungskosten führt. Die
Kopfstücke
mit Rohren zum Einleiten bzw. Absaugen des verdampfenden Fluids,
die an den Öffnungen
der Verdampfungskanäle
befestigt sind, machen ferner die Anordnung von Ausrüstungen
leicht, da der Aufkocher-Kondensator außerhalb des Gefäßes installiert
werden kann.
-
Es
sollte hier beachtet werden, dass die Fallströmungs-Aufkocher-Kondensatoren
in den obigen Ausführungsformen
mit Bezug auf den Fall beschrieben wurden, in dem sie jeweils als
Aufkocher-Kondensator verwendet werden, der im mittleren Teil einer
Doppeldestillationskolonne in einer Lufttrennanlage installiert
werden soll. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf solche
Fälle begrenzt,
sondern sie können
als Aufkocher-Kondensatoren, die an der Oberseite einer Einzeldestillationskolonne
installiert werden sollen, und als viele weitere Arten von Aufkocher-Kondensatoren
verwendet werden, die zum Ausführen
eines indirekten Wärmeaustauschs
zwischen einem kondensierenden Fluid und einem verdampfenden Fluid
verwendet werden.