EP1239254B1 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP1239254B1
EP1239254B1 EP02004875A EP02004875A EP1239254B1 EP 1239254 B1 EP1239254 B1 EP 1239254B1 EP 02004875 A EP02004875 A EP 02004875A EP 02004875 A EP02004875 A EP 02004875A EP 1239254 B1 EP1239254 B1 EP 1239254B1
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EP
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exchanger block
exchanger according
blocks
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Wolfgang Bader
Stefan Wilhelm
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes 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
    • F25J3/04—Processes 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
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    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04945—Details of internal structure; insulation and housing of the cold box
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/42—Modularity, pre-fabrication of modules, assembling and erection, horizontal layout, i.e. plot plan, and vertical arrangement of parts of the cryogenic unit, e.g. of the cold box

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger with at least one heat exchanger block and an insulating container surrounding the heat exchanger, wherein fastening means are provided to attach the heat exchanger block suspended in the insulation container and its use in a cryogenic air separation plant.
  • the feed air to be separated must be cooled to the process temperature. This is usually done by indirect heat exchange of the feed air with the product streams obtained in the air separation plant.
  • the main heat exchanger is realized by several parallel heat exchanger blocks. The individual heat exchanger blocks are usually designed as a plate heat exchanger.
  • the thermal insulation of the main heat exchanger is carried out by introducing the heat exchanger in a thermally insulated insulation container, a so-called cold box.
  • Various methods are known for fastening the heat exchanger or the individual heat exchanger blocks in the insulation container.
  • US 4,377,025 shows a heat exchanger block that is movably suspended at a plurality of suspension points so that it can expand when heated.
  • the position of the heat exchanger block should remain substantially unchanged with temperature changes.
  • Object of the present invention is therefore to develop a heat exchanger which is mounted in the isolation tank, that the piping is as simple as possible and the loops for the shrinkage compensation avoided or at least kept small.
  • the heat exchanger block is fixed so that thermally induced changes in the pipes connected to the heat exchanger block are compensated by a change in position of the block.
  • the heat exchanger block is moved along with the shrinking pipes.
  • the heat exchanger block is mounted in the insulation container so that its lower end is movable in at least two spatial directions.
  • the heat exchanger block is freely movable suspended above its center of gravity.
  • the heat exchanger block at the top of the warm feed air and fed at the bottom of the cold product gases. Accordingly, during start-up or load changes, only the pipelines connected to the lower, cold end of the heat exchanger block undergo noticeable changes in length. because the temperature changes at the warm end are low. By suspending the heat exchanger block above its center of gravity, it can be relatively easily deflected at its lower end. On the pipes connected to the lower end, which cause the deflection of the heat exchanger block by their shrinkage, therefore, only small forces act. An unacceptably high voltage stress on the pipelines is avoided.
  • the invention has proven particularly useful in a heat exchanger comprising at least two, preferably at least four heat exchanger blocks.
  • the invention is particularly suitable for heat exchangers comprising eight or ten heat exchanger blocks in two rows of four or five blocks each.
  • complex piping is necessary to distribute the feed air to be cooled and the countercurrent product streams to the individual heat exchanger blocks.
  • the attachment of the heat exchanger blocks according to the invention simplifies the piping, reduces the insulation container and thus leads to a significant cost reduction. This applies in particular when the individual heat exchanger blocks have inlet and / or outlet lines which lead into a common manifold.
  • fastening means are provided, which have joints, so that the heat exchanger block can be deflected about the hinge axes.
  • Such a gimbal can be realized with relatively little technical effort and has proven to be particularly favorable in practice.
  • Figures 1 and 2 show the upper end of a heat exchanger block 1, which is used in the main heat exchanger of a cryogenic air separation plant.
  • the entire main heat exchanger consists of several such parallel heat exchanger blocks.
  • the heat exchanger block 1 has a width of up to 240 cm.
  • a manifold distributor 2 On the heat exchanger block 1, a manifold distributor 2, a so-called header, attached, lead away from the one or more pipes, not shown, away.
  • a substantially triangular steel plate 4 or a steel beam, which is designed according to the static requirements, is arranged perpendicular to the aluminum plates 3 above the header 2 and connected at two corners via bolts 5 hingedly connected to the two aluminum plates 3.
  • the steel plate 4 is movable relative to the heat exchanger block 1 around the axis 6 formed by the extension of the two bolts 5.
  • the steel plate 4 is suspended on a double-T-beam 8, which is fixed in the cold box, not shown, and carries the heat exchanger block 1.
  • the joint 7 allows movement in the plane of the steel plate 4 or about an axis 9 perpendicular to the steel plate 4th
  • the heat exchanger block 1 is thus gimbaled around two mutually perpendicular axes 6, 9 rotatably suspended.
  • the arrangement of the two aluminum plates 3 and the steel plate 4 is chosen so that the suspension point 10 is located vertically above the center of gravity of the heat exchanger block 1.
  • the joint 7 is arranged so that the axis 9 is adapted to the project-specific requirements, that is, to the pipe stresses that occur or can be calculated in a specific embodiment of the heat exchanger.
  • one or more pipes for the supply and discharge of the fluid streams to be brought together in heat exchange are attached.
  • these pipes undergo thermally induced changes in length of about 3 to 4 mm per meter of pipe length. Due to the inventive suspension of the heat exchanger block 1 above its center of gravity, this is already deflected by relatively small forces acting on its lower end. The deflection of the heat exchanger block 1 compensates for the thermally induced pipe length changes, so that can be dispensed loops for shrinkage compensation in the pipes.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit mindestens einem Wärmetauscherblock und einem den Wärmetauscher umgebenden Isolationsbehälter, wobei Befestigungsmittel vorgesehen sind, um den Wärmetauscherblock hängend in dem Isolationsbehälter zu befestigen sowie dessen Verwendung in einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage.
  • Bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft muss die zu zerlegende Einsatzluft auf die Verfahrenstemperatur abgekühlt werden. Dies erfolgt üblicherweise durch indirekten Wärmeaustausch der Einsatzluft mit den in der Luftzerlegungsanlage gewonnenen Produktströmen. Bei Anlagen, in denen große Luftmengen verarbeitet werden, wird der Hauptwärmetauscher durch mehrere parallel geschaltete Wärmetauscherblöcke realisiert. Die einzelnen Wärmetauscherblöcke sind dabei in der Regel als Plattenwärmetauscher ausgebildet.
  • Die thermische Isolierung des Hauptwärmetauschers erfolgt durch Einbringen des Wärmetauschers in einen thermisch isolierten Isolationsbehälter, eine sogenannte Coldbox. Zur Befestigung des Wärmetauschers beziehungsweise der einzelnen - Wärmetauscherblöcke in dem Isolationsbehälter sind verschiedene Verfahren bekannt.
  • Zum einen ist bekannt, die Wärmetauscherblöcke auf Ständern oder Trägem auf den Boden beziehungsweise auf das Fundament des Isolationsgehäuses zu stellen. Teilweise werden auch an dem Wärmetauscherblock auf zwei gegenüberliegenden Seiten Profile angebracht, die dann auf quer durch den Isolationsraum verlaufende Träger aufgelegt werden und den Wärmetauscherblock halten. Ebenso ist es möglich, an seitlich angebrachten Profilen Zugstangen anzubringen, mit deren Hilfe der Wärmetauscher an Deckenträgem des Isolationsraumes aufgehängt wird.
  • Weiter ist in der WO 99/11990 beschrieben, den Wärmetauscherblock am warmen Ende, das heißt im oberen Bereich, mit Tragkonsolen zu halten und am kalten Ende mittels seilförmiger Elemente schräg im Isolationsraum zu verspannen.
  • Allen diesen Befestigungsmethoden ist gemeinsam, dass der Wärmetauscherblock starr in dem Isolationsraum befestigt ist. Beim Anfahren der Anlage oder bei Laständerungen erfahren jedoch die mit dem Wärmetauscherblock verbundenen Rohrleitungen temperaturbedingt deutliche Längenänderungen von bis zu 4 mm pro Meter Rohrlänge. Um beispielsweise beim Abkühlen Risse oder andere Beschädigungen an dem Wärmetauscherblock oder den Rohrleitungen aufgrund der Rohrschrumpfung zu vermeiden, müssen deshalb bisher Leitungsschleifen als Schrumpfungsausgleich vorgesehen oder die Stutzen am Wärmetauscherblock kostenintensiv verstärkt werden. Dadurch wird die zur Verrohrung nötige Rohrlänge größer, der Platzbedarf für die Verrohrung steigt und die Verrohrung wird komplizierter.
  • Die US 4,377,025 zeigt einen Wärmetauscherblock, der an mehreren Aufhängungspunkten beweglich aufgehängt ist, so dass sich dieser bei Erwärmung ausdehnen kann. Die Lage des Wärmetauscherblocks soll bei Temperaturänderungen im wesentlichen unverändert bleiben. Diese bekannte Befestigung erlaubt zwar eine thermische Ausdehnung des Wärmetauscherblocks zu kompensieren, Längenänderungen der mit dem Wärmetauscherblock verbundenen Rohrleitungen werden durch die Aufhängung jedoch nicht ausgeglichen, so dass auch hier noch Rohrschleifen erforderlich sind.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher zu entwickeln, der so in dem Isolationsbehälter befestigt ist, dass die Verrohrung möglichst einfach wird und die Leitungsschleifen für den Schrumpfungsausgleich vermieden oder zumindest klein gehalten werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art gelöst, wobei der Wärmetauscherblock in dem Isolationsbehälter bewegbar angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß wird der Wärmetauscherblock so befestigt, dass thermisch bedingte Änderungen in den mit dem Wärmetauscherblock verbundenen Rohrleitungen durch eine Lageänderung des Blocks ausgeglichen werden. So wird beispielsweise beim Abkühlen der Anlage der Wärmetauscherblock mit den schrumpfenden Rohrleitungen mitbewegt.
  • Vorzugsweise wird der Wärmetauscherblock in dem Isolationsbehälter so befestigt, dass dessen unteres Ende in mindestens zwei Raumrichtungen bewegbar ist. Besonders bevorzugt ist der Wärmetauscherblock frei beweglich über seinem Schwerpunkt aufgehängt.
  • Üblicherweise werden dem Wärmetauscherblock am oberen Ende die warme Einsatzluft und am unteren Ende die kalten Produktgase zugeführt. Entsprechend erfahren beim Anfahren oder bei Laständerungen nur die mit dem unteren, kalten Ende des Wärmetauscherblocks verbundenen Rohrleitungen merkliche Längenänderungen, da die Temperaturänderungen am warmen Ende nur gering sind. Durch die Aufhängung des Wärmetauscherblocks über seinem Schwerpunkt kann dieser an seinem unteren Ende relativ leicht ausgelenkt werden. Auf die mit dem unteren Ende verbundenen Rohrleitungen, die durch ihre Schrumpfung die Auslenkung des Wärmetauscherblocks verursachen, wirken daher nur geringe Kräfte ein. Eine unzulässig hohe Spannungsbeanspruchung der Rohrleitungen wird vermieden.
  • Die Erfindung hat sich insbesondere bei einem Wärmetauscher bewährt, der mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier Wärmetauscherblöcke umfasst. Besonders geeignet ist die Erfindung bei Wärmetauschern, die acht oder zehn Wärmetauscherblöcke in zwei Reihen zu je vier oder fünf Blöcken umfassen. Bei größeren Wärmetauschern, die aus mehreren Wärmetauscherblöcken bestehen, sind komplexe Verrohrungen nötig, um die zu kühlende Einsatzluft und die im Gegenstrom geführten Produktströme auf die einzelnen Wärmetauscherblöcke zu verteilen.
  • Die bisher notwendigen Leitungsschleifen als Schrumpfungslängen erschweren die Verrohrung zusätzlich und vergrößern insbesondere den dafür notwendigen Platzbedarf deutlich. Dadurch müssen auch größere Isolationsbehälter vorgesehen werden, wodurch die Kosten für eine solche Anlage weiter erhöht werden.
  • Die erfindungsgemäße Befestigung der Wärmetauscherblöcke vereinfacht die Verrohrung, verkleinert den Isolationsbehälter und führt somit zu einer deutlichen Kostensenkung. Dies gilt insbesondere dann, wenn die einzelnen Wärmetauscherblöcke Zu- und / oder Ableitungen besitzen, die in eine gemeinsame Sammelleitung führen.
  • Vorzugsweise sind Befestigungsmittel vorgesehen, die Gelenke aufweisen, so dass der Wärmetauscherblock um die Gelenkachsen ausgelenkt werden kann. Eine derartige kardanische Aufhängung ist mit relativ geringem technischen Aufwand realisierbar und hat sich in der Praxis als besonders günstig erwiesen.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figur 1
    schematisch die Aufhängung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers und
    Figur 2
    eine Seitenansicht von Figur 1.
  • Die Figuren 1 und 2 zeigen das obere Ende eines Wärmetauscherblocks 1, der im Hauptwärmetauscher einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage eingesetzt wird. Der gesamte Hauptwärmetauscher besteht aus mehreren derartigen parallel geschalteten Wärmetauscherblöcken 1.
  • Der Wärmetauscherblock 1 besitzt eine Breite von bis zu 240 cm. Auf dem Wärmetauscherblock 1 ist ein Sammler-Verteiler 2, ein sogeannnter Header, angebracht, von dem ein oder mehrere nicht dargestellte Rohrleitungen wegführen.
  • An dem Wärmetauscherblock 1 sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten Aluminiumplatten 3 befestigt, die nach oben über den Header 2 hinausragen. Eine im wesentlichen dreieckförmige Stahlplatte 4 oder ein Stahlträger, der gemäß den statischen Erfordernissen ausgelegt ist, wird senkrecht zu den Aluminiumplatten 3 oberhalb des Headers 2 angeordnet und an zwei Ecken über Bolzen 5 gelenkig mit den beiden Aluminiumplatten 3 verbunden. Die Stahlplatte 4 ist um die durch die Verlängerung der beiden Bolzen 5 gebildete Achse 6 relativ zum Wärmetauscherblock 1 bewegbar.
  • An der dritten Ecke der Stahlplatte 4 befindet sich ein weiteres Gelenk 7. Mittels des Gelenks 7 ist die Stahlplatte 4 an einem Doppel-T-Träger 8 aufgehängt, der in der nicht dargestellten Coldbox befestigt ist und den Wärmetauscherblock 1 trägt. Das Gelenk 7 erlaubt eine Bewegung in der Ebene der Stahlplatte 4 beziehungsweise um eine Achse 9 senkrecht zur Stahlplatte 4.
  • Der Wärmetauscherblock 1 ist damit kardanisch um zwei senkrecht zueinander liegende Achsen 6, 9 drehbar aufgehängt. Die Anordnung der beiden Aluminiumplatten 3 und der Stahlplatte 4 wird so gewählt, dass sich der Aufhängungspunkt 10 senkrecht oberhalb des Schwerpunkts des Wärmetauscherblocks 1 befindet.
  • Durch einen geeignet gewählten Abstand zwischen den Aluminiumplatten 3 und der Stahlplatte 4 kann zusätzlich eine horizontale Bewegung des Wärmetauscherblocks 1 aufgenommen werden.
  • Das Gelenk 7 wird so angeordnet, dass die Achse 9 an die projektspezifischen Erfordernisse, das heißt an die bei einer spezifischen Ausführung des Wärmetauschers auftretenden beziehungsweise berechenbaren Rohrspannungen, angepasst ist.
  • Am unteren Ende des Wärmetauscherblocks 1 sind ein oder mehrere nicht dargestellte Rohrleitungen zur Zu- und Ableitung der miteinander in Wärmeaustausch zu bringenden Fluidströme angebracht. Bei Laständerungen und beim Warm- und Kaltfahren der Anlage erfahren diese Rohrleitungen thermisch bedingt Längenänderungen von etwa 3 bis 4 mm pro Meter Rohrleitungslänge. Durch die erfindungsgemäße Aufhängung des Wärmetauscherblocks 1 über seinem Schwerpunkt wird dieser bereits durch relativ geringe an seinem unteren Ende angreifende Kräfte ausgelenkt. Die Auslenkung des Wärmetauscherblocks 1 gleicht die thermisch bedingten Rohrlängenänderungen aus, so dass auf Leitungsschleifen für den Schrumpfungsausgleich in den Rohrleitungen verzichtet werden kann.

Claims (9)

  1. Wärmetauscher mit mindestens einem Wärmetauscherblock und einem den Wärmetauscher umgebenden Isolationsbehälter, wobei Befestigungsmittel vorgesehen sind, um den Wärmetauscherblock an einem Aufhängungspunkt hängend in dem Isolationsbehälter zu befestigen, wobei der Wärmetauscherblock (1) in dem Isolationsbehälter bewegbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Aufhängungspunkt senkrecht oberhalb des Schwerpunkts des Wärmetauscherblocks (1) befindet.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des Wärmetauscherblocks (1) in mindestens zwei Raumrichtungen bewegbar ist.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherblock (1) frei beweglich über seinem Schwerpunkt aufgehängt ist.
  4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei Wärmetauscherblöcke (1) umfasst.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherblöcke (1) Zu- und/ oder Ableitungen besitzen, die in eine gemeinsame Sammelleitung führen.
  6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel Gelenke (5, 7) aufweisen.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel zwei senkrecht zueinander liegende Drehachsen (6, 9) aufweisen.
  8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel ein erstes mit dem Wärmetauscherblock (1) fest verbundenes Element (3) und ein mit dem ersten Element (3) gelenkig verbundenes zweites Element (4) aufweisen, wobei das zweite Element (4) gelenkig in dem Isolationsbehälter befestigt ist.
  9. Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage, insbesondere als Hauptwärmetauscher einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage.
EP02004875A 2001-03-06 2002-03-04 Wärmetauscher Expired - Lifetime EP1239254B1 (de)

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EP1239254A3 EP1239254A3 (de) 2002-12-04
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