DE836949C - Ruecklaufkondensator und Verdampfer eines Zweisaeulenapparates fuer die Zerlegung verfluessigter Gase - Google Patents

Ruecklaufkondensator und Verdampfer eines Zweisaeulenapparates fuer die Zerlegung verfluessigter Gase

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DE836949C
DE836949C DEK8526A DEK0008526A DE836949C DE 836949 C DE836949 C DE 836949C DE K8526 A DEK8526 A DE K8526A DE K0008526 A DEK0008526 A DE K0008526A DE 836949 C DE836949 C DE 836949C
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pipes
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DEK8526A
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Dr-Ing Emil Kirschbaum
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EMIL KIRSCHBAUM DR ING
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EMIL KIRSCHBAUM DR ING
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04406Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system
    • F25J3/04412Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
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    • F25J5/00Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
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    • F25J2250/00Details related to the use of reboiler-condensers
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Description

  • Rücklaufkondensator und Verdampfer eines Zweisäulenapparates für die Zerlegung verflüssigter Gase Gunt Zerlegen verflüssigter Luft in Sauerstoff und Stickstoff @#-i rd allgemein der sog. 7###e1sätilenapparat angeblendet. Er besteht aus zwei IZektitiziersäulen, \%,elche unmittelbar übereinander angeordnet' sind. 1)ie untere Säule arbeitet mit Überdruck, weshalb sie Hochdrucksäule genannt wird, und die obere Säule heißt \ iederdrucksäule, weil sie unter :ltniospliärendrtick steht. Diese I)ruckabstufnng gestattet, den Dampf, der am Kopfe der Hochdruckkolonne als Stickstoff entweicht, zur Verdampfung des Sauerstoffes am Fuße der Niederdrucksäule zii verwenden. Matt gelangt damit zu einer der genialsten Lösungen auf dem Gehiete der W,irmeaustauscbapparate, indem der Rücklaufkondensator der Hochdrucksäule, in welchem der dampfförmige Stickstoff kondensiert werden muß, gleichzeitig die Destilliereinrichtung der Niederdrucksäule darstellt.
  • Die konstruktive Gestaltung dieses Wärmeaustauschers ist in Bild r schematisch gezeigt. In den Rohrböden a und b sind die Wärmeaustauschrollte c befestigt. Über dem Rohrboden b ist zur :11)schließung des Stickstoffraumes gegenüber dem Sauerstoffraum ein Deckel d angeordnet. Der Mantel der Hochdrucksäule ist mit e und der Mantel der Niederdrucksäule mit f bezeichnet. Der Stickstoffdampf strömt von unten in das Innere der Rohre und kondensiert dort. Das Kondensat tropft aus den Rohren in die Hochdrucksäule zurück. Außen sind die Rohre von flüssigem Sauerstoff umgeben, dessen Siedetemperatur unter Beachtung der Drücke tiefer liegt als die Kondensationstemperatur des Stickstoffes. Deshalb siedet der Sauerstoff, dessen Dämpfe in die Niederdruckkolönne hochsteigen. Diese weitverbreitete Anordnung hat zwei Nachteile: Der in die Rohre strömende Stickstoffdampf hindert das gebildete Kondensat am Abströmen. Ferner hat der flüssige Sauerstoff auf der Außenseite der Rohre keinen Umlauf, welcher für die Erzielung hoher Wärmedurchgangszahlen erforderlich ist und deshalb bei anderen Destilliereinrichtungen stets verlangt wird. Diese beiden Nachteile werden mit einem Schlage vermieden, wenn der Wärrneaustauscher so umgedreht wird, daß man den Aufbau des Bildes 2 erhält. Nunmehr befindet sich der Stickstoff außerhalb der Rohre und der Sauerstoff in den Rohren. Damit diesem der Selbstumlauf ermöglicht wird, ist zwischen den beiden Rohrböden a und b nach dem Vorbilde des bekannten Robert-Verdampfers in der Mitte ein weites Fallrohr angeordnet. Durch dieses kann die Flüssigkeit nach unten fallen und in den engen Rohren c infolge der Beheizuug nach oben sich bewegen. Der Stickstoff kann jetzt innerhalb des Mantels f der Hochdrucksäule allseitig auf der Außenseite der Rohre zuströmen, während der Sauerstoffdampf in die Niederdruckkolonne mit dem Mantel e hochsteigt. Aber auch diese Bauweise hat noch schwerwiegende Nachteile.
  • "Zunächst ergibt sich infolge der großen erforderlichen Rohrlänge von beispielsweise 2 m eine große Manteloberfläche, die sich in Kälteverlusten und in damit verbundenen hohen Energieverbräuchen ausv"irkt. Die Wärmeaustauschfläche und die Rohrlängen sind aber bedingt durch die Wärmeübergangszahlen auf beiden Seiten der Rohre. Ausschlaggebend ist dabei die Wärmeübergangszahl auf der Seite des flüssigen Sauerstoffes. Sie wird nur dann groß, wenn ein starker Flüssigkeitsumlauf in den Rohren stattfindet. Es ist jedoch bekannt, claß dieser nur dann sich einstellt, wenn die Temperaturverteilung so liegt, daß sich bereits im unteren Teil der Rohre Dampfblasen bilden, welche nach dem Prinzip der Mammutpumpc die Flüssigkeit nach oben fördern. Bei der Luftzerlegung liegt aber in bezug auf die Voraussetzungen für einen Flüssigkeitsumlauf ein einmaliger Sonderfall vor, den zu erkennen für die Beseitigung der genannten Nachteile entscheidend ist. Bei den allgemein angewendeten Rohrlängen -ist in den senkrechten Rohren ein Umlauf nicht gewährleistet. Das gesamte Temperaturgefälle ist nämlich sehr klein. Es beträgt bekanntlich rund 4° C, so daß ein Teil- !, gefälle zwischen innerer Rohrwand und Flüssigkeit von etwa 2° C in Frage kommt. Im unteren Teil der Rohre steht aber die Flüssigkeit nicht unter dem Druck im Dampfraum über der Flüssigkeit, sondern unter einem Druck, welcher der Summe aus dem Dampfraumdruck und dem statischen Druck der Flüssigkeitssäule zwischen dem unteren Teil der Rohre und Fl,üssigkeitsoberfläche gleich ist. Bei einer Höhe von 2 m ergibt sich eine Erhöhung der Siedetemperatur von rund 2,4° C. Aus ihr und dem genannten Teilgefälle geht hervor, daß die Dampfblasenbildung im unteren Teil der Rohre, welche für den Flüssigkeitsumlauf Bedingung ist, nicht zustande kommt.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung, mit welcher es möglich ist, diesen Nachteil unter Beibehaltung der äußeren zylindrischen Form des Zweisäulenapparates zu vermeiden und gleichzeitig die Bauhöhe sowie die Apparateoberfläche zu verringern. Sie besteht darin, daß die Rohre spiralig gebogen und deren Enden mit den Rohrböden befestigt werden. Bild 3 zeigt den Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung, in welchem die erwähnten Spiralrohre mit c bezeichnet und der verständlichen Darstellung wegen in geringer Zahl wiedergegeben sind: Der Boden a und der Boden b mit dem Deckel d sind jetzt in einem Abstand angeordnet, der durch die Länge des Fallrohres g gegeben ist. Er kann beispielsweise ein Fünftel des ursprünglichen Wertes von 2 m betragen, so daß die Erhöhung der Siedetemperatur im unteren Teil der Rohre von 2,1q.° C auf o,3° C erniedrigt wird. Damit ist aber die Dampfbildung sichergestellt und däs Aufsteigen des Dampf-Flüssigkeits-Gemisches in den Spiralrohren c gewährleistet. Nur dadurch wird bekanntlich die hohe Wärmeübergangsza'hl erzielt. Es kommt hinzu, daß durch die Erniedrigung des statischen Flüssigkeitsdruckes auch das für die Wärmeübertragung wirksame Temperaturgefälle zwischen innerer Rohrwand und Flüssigkeitsmasse erhöht wird, weil letztere vor allem im unteren Teil der Rohre weniger überhitzt wird. Damit ist die Vergrößerung der Wärmedurchgangszahl und durch sie eine Verkleinerung der Wärmeaustauschfläche sowohl durch die Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit als auch des wirksamen Temperaturgefälles bedingt.
  • In Bild 3 bedeuten e und f wieder die zylindrischen Mäntel der Niederdruck- und Hochdrucksäule. Bei einer Vergrößerung des Durchmessers des zylindrischen Mantels um die spiraligen Rohre über denjenigen des Säulendurchmessers hinaus ist zu bedenken, daß der Querschnitt der Säule mit dem Quadrat des Durchmessers, die Zylinderoberfläche aber nur mit der ersten Potenz des Durchmessers wächst. Die Erniedrigung des Abstandes der Einwalzböden ist also vor allem schon im Hinblick auf die Kälteverluste von Vorteil.
  • Es ist grundsätzlich möglich, auch mit senkrecht angeordneten geraden Rohren den Umlauf sicherzustellen, indem deren Länge entsprechend klein, z. B. ein Fünftel der üblichen Länge von 2 m gewählt 'wird und die Rohre selbst in die Böden a und b (s. Bild 2) eingesetzt werden. Dabei ergeben sich aber im Vergleich zu den Spiralrohren gemäß Bild 3 zwei Nachteile: Die Zahl der Verbindungsstellen zwischen Boden und Rohr wächst auf ein Vielfaches und damit auch die Möglichkeit zu Undichtheiten. Ferner ist die Geschwindigkeit, mit welcher die Flüssigkeit in und durch die schrägspiraligen Rohre in geringerer Zahl strömt, größer als diejenige in den kurzen und senkrechten Rohren in größerer Anzahl. Von diesem Vorteil wird beim Bau von Verdampfapparaten in der chemischen Industrie mittels langer schräg liegender gerader Rohre selbst dann Gebrauch gemacht, wenn genügend große Temperaturgefälle für den Umlauf zur Verfügung stehen, so daß die Flüssigkeit im unteren Teil der Rohre auch dann zum Sieden kommt, wenn die gleich langen Rohre senkrecht angeordnet wären. Die Übertragung der schrägen langen Rohre auf den Sonderfall kleinster Temperaturgefälle bei der Luftzerlegung, wo bei der Anordnung senkrechter langer Rohre in deren unterem Teil die Flüssigkeit nicht siedet, wäre bereits fortschrittlich und erfinderisch. Indessen würden die schriigen geraden Rohre in der Kältetechnik zu einer Vergrößerung der Apparateoberfläche führen. Deshalb liefert der weitere Schritt zu den Spiralrohren die beste Lösung. Aber auch die Anwendung senkrechter kurzer Rohre beim Sonderfall kleinster Temperaturgefälle bei der Luft- oder Gaszerlegung zum Zweck des Erzwingens des Siedens derFlüssigkeit im unteren Teil der Rohre führt zu bisher unbekannten Vorteilen. Aus den angeführten Zahlen ist zu schließen, daß diese Vorteile praktisch ins Gewicht fallen, wenn die Rohrlänge i m nicht übersteigt.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Rüc'klaufkondensator und Verdampfer eines Zweisäulenapparates mit Selbstumlauf des Sauerstoffes durch das Innere von Rohren zur Zerlegung verflüssigter Gase, vornehmlich von Luft, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Abstand von höchstens i m waagerecht angeordnete Rohrböden einerseits .durch ein weites Flüssigkeitsrücklaufrohr und anderseits durch enge, um das Rücklaufrohr herum angeordnete Flüssigkeitssteigrohre miteinander verbunden sind.
  2. 2. Rücklaufkondensator und Verdampfer eines Zweisäulenapparates zur Zerlegung verflüssigter Gase, dadurch gekennzeichnet, daß zwei waagerecht angeordnete obere Rohrböden einerseits durch ein weites F1lissigkeitsrücklaufrohr und anderseits durch spiralig gebogene enge, um das Rücklaufrohr herum angeordnete Verdampferrohre miteinander verbunden sind. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 624966.
DEK8526A 1950-12-30 1950-12-30 Ruecklaufkondensator und Verdampfer eines Zweisaeulenapparates fuer die Zerlegung verfluessigter Gase Expired DE836949C (de)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE624966C (de) * 1934-09-28 1936-01-31 Linde Eismasch Ag Verfahren zur Herabsetzung des Kondensationsdruckes bei der Zerlegung der Luft durch Verfluessigung und Rektifikation

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE624966C (de) * 1934-09-28 1936-01-31 Linde Eismasch Ag Verfahren zur Herabsetzung des Kondensationsdruckes bei der Zerlegung der Luft durch Verfluessigung und Rektifikation

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