EP1329680B1 - Plattenwärmetauscher - Google Patents

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EP1329680B1
EP1329680B1 EP02009896A EP02009896A EP1329680B1 EP 1329680 B1 EP1329680 B1 EP 1329680B1 EP 02009896 A EP02009896 A EP 02009896A EP 02009896 A EP02009896 A EP 02009896A EP 1329680 B1 EP1329680 B1 EP 1329680B1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
exchanger block
heat
heat exchange
fluid stream
Prior art date
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EP02009896A
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English (en)
French (fr)
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Horst Corduan
Dietrich Rottmann
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F25J3/04406—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 using a dual pressure main column system
    • F25J3/04412—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 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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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0093—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
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    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/32—Details on header or distribution passages of heat exchangers, e.g. of reboiler-condenser or plate heat exchangers
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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 plate heat exchanger and a method for the indirect heat exchange of multiple fluid streams according to the preamble of claims 1 and 4, as well as the use of such a heat exchanger in a cryogenic air separation plant.
  • the feed air to be separated must be cooled to the process temperature. This is usually done in the main heat exchanger by indirect heat exchange of the feed air with the recovered gas streams.
  • the main heat exchanger is usually formed as a plate heat exchanger having a plurality of heat exchange passages for the streams to be treated.
  • Object of the present invention is therefore to develop a method and apparatus for indirect heating or cooling of several gas streams, in which the pressure loss in the heat exchanger is minimized.
  • the heat exchanger block has a first portion in which all heat exchange passages for the first fluid flow are arranged, and a second portion, in which all heat exchange passages for the second fluid flow are arranged, wherein the first and the second portion do not overlap and the first and the second the characterizing features of claims 1 and 4 are solved.
  • a heat exchanger block has a multiplicity of partition plates arranged parallel to one another.
  • the extent of the heat exchanger block in a direction perpendicular to the separator plates is referred to below as depth.
  • Between the partition plates usually so-called fins are arranged, which divide the space between each two partition plates in a plurality of heat exchange passages, which have at least a majority of the heat exchanger block all the same direction.
  • the expansion of the heat exchanger block in the flow direction through the heat exchange passages identifies its height. This direction will hereinafter be referred to as vertical for the sake of simplicity.
  • width refers to the extent of the heat exchanger block in the remaining spatial direction perpendicular to the main flow direction in the heat exchange passages in the plane of the separator plates.
  • a distribution of the fluid flow over the entire cross-sectional area of the heat exchanger block is no longer necessary.
  • an integrated heat exchanger block is used, are passed through the at least two fluid streams, preferably all fluid streams in the indirect heat exchange with one or more heating media.
  • At least a part of the heat exchange passages for the fluid streams is in this case divided in the direction of the width into at least two regions.
  • all provided for the fluid flows heat exchange passages are divided accordingly. But it is quite possible and useful to make such a division only for a part of the fluid flow passages.
  • the subdivision is such that the space between two partition plates, in which the individual heat exchange passages for the fluid flows pass, is subdivided by one or more vertical partitions into two or more areas, between which no fluid exchange is possible.
  • a region are a plurality of heat exchange passages, which are usually separated by vertically extending so-called fins.
  • the fins are used to guide the fluids, but not necessarily to isolate a heat exchange passage from an adjacent heat exchange passage, as opposed to partition walls separating the different areas.
  • the division into individual areas can also be carried out in a favorable manner such that the areas occupy only a part of the depth of the heat exchanger block.
  • the heat exchange passages provided for the respective fluid flow extend from one end face of the block to the opposite end face and run essentially parallel to one another.
  • a collector / distributor mounted which covers the corresponding area of the end face and has a connecting piece for the supply and discharge.
  • the heat exchange passages thus pass into the inlet and outlet without cross-sectional tapering, and the flow deflection in the collector / distributor takes place slowly. The pressure loss in the heat exchanger block and the associated manifolds / distributors is thereby minimized.
  • At least one fluid flow which should experience the lowest possible pressure loss, is passed through such a subregion of the heat exchanger block according to the invention.
  • the invention is advantageous.
  • flow through one of the subregions of the heat exchanger block according to the invention one or more heating media, with which the fluid flow exchanges its heat.
  • pressure drops in the heat exchanger blocks measured from the inlet nozzle to the outlet nozzle, of about 70 mbar can be achieved.
  • the conventional sauce table in which the distribution and merging of the gas flows between the inlet and outlet nozzle and the heat exchange passages through a built-in heat exchanger block distribution zone with slats arranged inclined a pressure drop of about 100 mbar, when the gas streams with a pressure between 1.2 and 1.8 bar were taken from the low pressure column.
  • a reduction in the pressure drop of about 30 mbar This means that the low pressure streams can be recovered with a 30 mbar lower pressure than usual.
  • the invention is particularly suitable in processes in which gas streams having a pressure of less than 3.5 bar, preferably between 1.1 and 1.8 bar, hereinafter referred to as low pressure streams, in indirect heat exchange with a heat or Brine should be brought. According to the invention in each case only one of these is by a portion of the heat exchanger block Low pressure gas flows out, ie for each of the gas streams having a pressure of less than 3.5 bar, a separate portion of the heat exchanger block is provided.
  • the pressure loss in the heat exchanger block plays only a minor role or can be neglected. It is therefore sometimes advantageous to additionally pass such an elevated pressure stream through at least one of the portions of the heat exchanger block through which one of the low pressure gas streams is passed.
  • the process according to the invention is preferably used in the low-temperature decomposition of feed air.
  • the withdrawn as a product from the low pressure column of a Doppeläuleäulerektifikators gas streams have only a slight pressure of about 0.1 to 0.8 bar above atmospheric pressure, so that a reduction of the pressure drop is of great importance.
  • the gas streams are brought into indirect heat exchange with the feed air.
  • the feed air can be passed through the heat exchanger block in several streams at different pressure levels.
  • the feed air can be passed under pressure column pressure through the heat exchanger block and then fed into the pressure column, on the other hand, the feed air before the heat exchanger block can be post-compressed and expanded after cooling to cold work.
  • the fluid stream is passed through the heat exchanger block so that it suffers a pressure drop of 120 to 300 mbar, preferably 120 to 200 mbar.
  • Increasing the pressure drop achieves a greater flow rate than conventional heat exchangers, thereby improving the heat transfer coefficients, ultimately leading to a reduction in the block volume of the heat exchanger.
  • the inventive method allows compared to the known methods, a reduction of the block volumes by about 15%, resulting in a considerable cost savings.
  • FIG. 1 shows a known from the prior art process scheme of a cryogenic air separation plant.
  • Compressed and purified feed air 10 is partly fed directly to a main heat exchanger 1, partially recompressed 20 by means of a compressor 4, cooled in an aftercooler 5 and then passed into the main heat exchanger 1.
  • This compressed air referred to below as turbine air stream 20
  • turbine air stream 20 is removed at an intermediate point from the main heat exchanger 1, expanded in an air booster turbine 6 and introduced into the low pressure column 3 of a rectification unit comprising a pressure column 2 and a low pressure column 3.
  • the feed air 10 cooled in the main heat exchanger is fed to the pressure column 2 of the rectification unit.
  • the low pressure column 3 gaseous oxygen 50, gaseous nitrogen 30 and gaseous impure nitrogen 40 are removed as regeneration gas at a pressure of about 1.3 bar.
  • pressure nitrogen 60 is withdrawn. Further, it is possible to recover oxygen and nitrogen as liquid products 7, 8 in the rectification unit.
  • the gas streams 30, 40, 50, 60 are fed into the main heat exchanger 1 and heated against the feed air stream 10 and the turbine air stream 20 by indirect heat exchange.
  • FIGS. 2 to 4 show the usual construction of the heat exchanger block.
  • FIG. 2 shows the lamellar arrangement in the distribution zones 59 for the oxygen passages 58, FIG. 3 for the pure nitrogen passages 38 and FIG. 4 correspondingly for the impure nitrogen passages 48.
  • the fluid streams 30, 40, 50 are directed against the air stream 10 and the turbine air stream 20.
  • the distribution of the respective gaseous product to the corresponding heat exchange passages 38, 48, 58 is conventionally via distribution zones 39, 49, 59, the slats disposed obliquely to the gas 30, 40, 50 from the supply lines to the passages 38, 48, 58th to distribute or in order to merge the emerging from the passages 38, 48, 58 gas in the appropriate discharge line.
  • the distribution zones 39, 49, 59 lead both to a change in the flow direction and to cross-sectional changes, which in turn cause changes in the flow rate. Both have a negative effect on the block flow and creates an undesirable pressure drop across the heat exchanger block 9. The pressure drop has a negative effect, in particular for the gas streams which have a relatively low pressure between 1.1 and 1.8 bar.
  • FIG. 5 shows the structure according to the invention of the main heat exchanger 1.
  • all streams 10, 20, 30, 40, 50, 60 passed through a common heat exchanger block 9, that is, the main heat exchanger 1 is designed as an integrated heat exchanger.
  • the heat exchanger block 9 is composed of a plurality of separating plates parallel to the plane of the drawing, between each of which a plurality of heat exchange passages are located.
  • the extension of the heat exchanger block 9 is perpendicular to the plane of the drawing as its depth, its extension in the direction of the heat exchange passages, in the FIGS. 2 to 4 is indicated by arrows, whose height and its extent in the plane of the drawing perpendicular to the flow direction through the heat exchange passages are designated as its width.
  • the feed air 10, the high-pressure air 20 and the pressure column 2 withdrawn gaseous pressure nitrogen 60 are passed through the collector / manifold 11, 21, 61 in the heat exchanger block 9.
  • these streams 10, 20, 60 in the usual manner in each case in a distribution zone, not shown in the drawing, which has slats extending over the entire width of the heat exchanger block 9, passed through vertically extending heat exchange passages and a further distribution zone supplied to the respective collectors 12, 22, 62.
  • the flows 10, 20, 60 experience pressure losses caused by the changes in the direction of flow and the changes in cross section of the individual passages.
  • the pressure losses of about 100 mbar are not relevant in the feed air 10, the high-pressure air 20 and the pressure nitrogen product 60, since these flows have a significantly higher absolute pressure of more than 5 bar exhibit.
  • the low-pressure streams 30, 40, 50 which have a pressure which is only slightly higher than the atmospheric pressure, such pressure losses are of great importance.
  • the low-pressure streams 30, 40, 50 are not distributed over the entire width of the heat exchanger block 9.
  • the heat exchanger block 9 is divided in its width by separating plates 70, so-called side bars, in three areas 33, 43, 53. With each of these areas 33, 43, 53 are at the top and bottom of the heat exchanger block 9 manifold / manifolds 31, 41, 51 and 32, 42, 52 connected.
  • the collectors / distributors 31, 41, 51 and 32, 42, 52 are semi-cylindrical and have a connection piece for the respective product supply and - discharge.
  • the introduced into the heat exchanger block 9 low-pressure stream 30, 40, 50 experiences no cross-sectional change and no significant change in current direction.
  • the pressure drop across the heat exchanger block 9 is greater than the pressure drop over a conventional block, as shown in FIGS. 2 to 4 was reduced by about 30%. Furthermore, the cost of the heat exchanger block 9 is reduced because of the complex slat blanks for the distribution zones 39, 49, 59 in the FIGS. 2 to 4 can be waived.
  • a narrow distribution zone 73 is preferably provided at the inlet and outlet region of the heat exchange passages 33, 43, 53.
  • the lamellae in the narrow distribution zone 73 are arranged parallel to the lower and higher lamellae of the heat exchange passages 33, 43, 53, but have a smaller distance from each other.
  • the gas entering the collector 31, 41, 51 thereby easily accumulates in front of the distribution zone 73, whereby a uniform distribution of the gas to all passages of the distribution zone 73 and thus to all heat exchange passages 33, 43, 53 is achieved.
  • FIG. 6 a variant of the heat exchanger according to the invention is shown.
  • the heat exchanger block 9 is identical to that in FIG. 5 shown block.
  • no individual collector / distributors 31, 41, 51 or 32, 42, 52 are provided, but a common collector / distributor 71 spanning the entire end face of the heat exchanger block 9 Space between the end surface of the heat exchanger block 9 and the collector / manifold 71 is divided according to the areas 33, 43, 53 by separating plates 72 and each provided with a connection piece.
  • FIGS. 7 and 8 show further embodiments of the invention. These heat exchangers are used, for example, in air separation processes in which the top section has been dispensed with in the case of the low-pressure column, so that no low-pressure nitrogen 30 is generated in the low-pressure column. The low pressure flows are thereby reduced to the impurity nitrogen 40 and oxygen 50. Thus, the main heat exchanger block 9 can be made simpler.
  • the heat exchange passages for the low pressure streams 40, 50 are, as in the FIGS. 7 and 8 shown, designed according to the invention, the pressure streams 10, 20, 60 are distributed in the usual way via distribution zones on the corresponding heat exchange passages.
  • the invention can be used to advantage in all air separation processes in which at least two low-pressure flows occur.
  • air separation processes in which at least two low-pressure flows occur.
  • Luftzerlegunsgrose with air circulation or with nitrogen cycle.
  • FIG. 9 By way of example, a cryogenic air separation process with single-turbine air circulation is shown.
  • the feed air 10 is compressed in this case and guided as a high-pressure air stream 90 in the HautpzieTMer.
  • a portion 91 of the high pressure air is withdrawn at an intermediate point of the heat exchanger, relaxed and introduced in part in the pressure column, returned to the other part 93 through the heat exchanger 90 and the feed air 10 is added again.
  • the rest of the high pressure air 90 is passed as high pressure stream 92 directly into the pressure column.
  • FIG. 11 the embodiment according to the invention of the heat exchanger block 9 is shown for such a method.
  • the low-pressure streams 30, 40, 50 are in turn passed through the corresponding portions of the block 9 according to the invention, the pressurized streams 60, 90, 93 are distributed in a known manner via distribution zones on the heat exchange passages.
  • FIG. 10 shows an air separation process with two-turbine air circulation and FIG. 12 the corresponding embodiment of the main heat exchanger 9.
  • the Heat exchange passages for the low pressure streams 30, 40, 50 are analogous to the embodiment according to FIG. 11 which are under higher pressure streams 101, 102, 103, 104, 105, 106, as in FIG FIG. 12 represented, passed through the heat exchanger.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeaustauscher und ein Verfahren zum indirekten Wärmeaustausch von mehreren Fluidströmen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 4, sowie die Verwendung eines solchen Wärmetauschers in einer Tieftemperaturluftzerlegunganlage.
  • Ein solcher Plattenwärmetauscher und ein solches Verfahren sind aus der Druckschrift US-A-5 979 182 bekannt.
  • Bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft muss die zu zerlegende Einsatzluft auf die Verfahrenstemperatur abgekühlt werden. Dies erfolgt üblicherweise im Hauptwärmeaustauscher durch indirekten Wärmeaustausch der Einsatzluft mit den gewonnenen Gasströmen. Der Hauptwärmeaustauscher ist in der Regel als Plattenwärmeaustauscher ausgebildet, der eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen für die zu behandelnden Ströme besitzt.
  • Werden einer Luftzerlegungsanlage beispielsweise zwei Luftströme unterschiedlichen Drucks zugeführt und als gasförmige Produkte Sauerstoff, Reinstickstoff und unreiner Stickstoff gewonnen, müssen durch den Wärmeaustauscherblock fünf Ströme geleitet werden. Der Wärmeaustauscherblock muss daher zehn Anschlussstutzen für diese Ströme, je fünf für den Gasein- und fünf für den Gasaustritt, aufweisen. Die Gasströme werden dann von dem jeweiligen Eintrittsstutzen auf die zugeordneten Wärmeaustauschpassagen verteilt beziehungsweise die aus den Wärmeaustauschpassagen austretenden Gasströme in die entsprechenden Austrittsstutzen zusammengeführt.
  • Dies wird bisher durch in den Wärmeaustauscherblock integrierte Verteilzonen realisiert. In diesen Verteilzonen sind zumindest ein Teil der Lamellen, die die einzelnen Wärmeaustauschpassagen voneinander abgrenzen, schräg angeordnet, so dass das über den Eintrittsstutzen einströmende Gas in die Wärmeaustauschpassagen geführt wird bzw. dass die aus den Wärmeaustauschpassagen austretende Gasströmung zu dem Austrittsstutzen umgelenkt wird.
  • Die Strömungsbedingungen werden allerdings in den Verteilzonen stark geändert. Zum einen tritt durch die schräge Ausrichtung der Lamellen eine Änderung der Stromrichtung auf, zum anderen sind die Querschnitte der Wärmeaustauschpassagen in dem Verteilbereich deutlich verringert, wodurch Geschwindigkeitswechsel des durchströmenden Gases verursacht werden. Beide Effekte erzeugen einen unerwünschten Druckabfall in den Wärmeaustauscherblöcken.
  • In der DE 10021081 wird daher vorgeschlagen, bei großen Luftzerlegungsanlagen gesplittete, nach Produkten aufgeteilte Wärmeaustauscherblöcke einzusetzen, so dass durch jeden Wärmeaustauscherblock jeweils nur ein Fluidstrom geführt wird. Die Fluidströme können bei einer derartigen Ausführung ohne die genannten Verteilzonen direkt von den Anschlussstutzen in die jeweiligen Wärmeaustauschpassagen geleitet werden.
  • Dieses Prinzip lässt sich aber nur bei großen Luftzerlegungsanlagen anwenden, bei denen ohnehin mehrere Wärmeaustauscherblöcke benötigt werden. Bei kleineren Luftzerlegungsanlagen, die nur über einen oder zwei Wärmeaustauscherblöcke verfügen, ist der Einsatz von solchen gesplitteten Wärmeaustauscherblöcken nicht sinnvoll.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur indirekten Erwärmung oder Abkühlung von mehreren Gasströmen zu entwickeln, bei dem der Druckverlust in dem Wärmeaustauscher möglichst gering ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eingangs genannten Art gelöst, wobei der Wärmeaustauscherblock einen ersten Teilbereich aufweist, in dem alle Wärmeaustauschpassagen für den ersten Fluidstrom angeordnet sind, und einen zweiten Teilbereich aufweist, in dem alle Wärmeaustauschpassagen für den zweiten Fluidstrom angeordnet sind, wobei sich der erste und der zweite Teilbereich nicht überschneiden und sich der erste und der zweite die kennzeichnenden Merkmale des Ansprüche 1 und 4 gelöst.
  • Tiefe, Höhe und Breite des Wärmeaustauscherblocks sind dabei wie folgt definiert: Ein Wärmeaustauscherblock weist eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Trennplatten auf. Die Ausdehnung des Wärmeaustauscherblocks in einer Richtung senkrecht zu den Trennplatten wird im Folgenden als Tiefe bezeichnet. Zwischen den Trennplatten sind üblicherweise sogenannte Fins angeordnet, die den Raum zwischen jeweils zwei Trennplatten in mehrere Wärmeaustauschpassagen unterteilen, die zumindest über einen Großteil des Wärmeaustauscherblocks alle dieselbe Richtung aufweisen. Die Ausdehnung des Wärmeaustauscherblocks in Strömungsrichtung durch die Wärmeaustauschpassagen kennzeichnet dessen Höhe. Diese Richtung wird im folgenden der Einfachheit halber als Vertikale bezeichnet. Mit Breite wird folglich die Ausdehnung des Wärmeaustauscherblocks in der verbleibenden Raumrichtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung in den Wärmeaustauschpassagen in der Ebene der Trennplatten bezeichnet.
  • Durch die erfindungsgemäße Aufteilung in einzelne Bereiche ist es möglich, auf einen Teil der Verteilzonen zu verzichten. Bestimmte Fluidstrompassagen enden nämlich in einem definierten Bereich der Stirnflächen des Wärmeaustauscherblocks, d.h. der durch die Breite und die Tiefe gekennzeichneten Flächen des Blocks, in dem keine weiteren Fluidstrompassagen enden. Der Anschlussstutzen für diesen Fluidstrom muss daher nur noch mit dem entsprechenden Bereich der Stirnfläche verbunden werden.
  • Eine Verteilung des Fluidstromes über die gesamte Querschnittsfläche des Wärmeaustauscherblocks ist nicht mehr notwendig.
  • Von Vorteil wird ein integrierter Wärmeaustauscherblock eingesetzt, durch den mindestens zwei Fluidströme, vorzugsweise alle Fluidströme im indirekten Wärmeaustausch mit einem oder mehreren Heizmedien geführt werden. Zumindest ein Teil der Wärmeaustauschpassagen für die Fluidströme wird hierbei in Richtung der Breite in mindestens zwei Bereiche aufgeteilt. Vorzugsweise werden alle für die Fluidströme vorgesehenen Wärmeaustauschpassagen entsprechend aufgeteilt. Es ist aber durchaus auch möglich und sinnvoll, eine derartige Aufteilung nur für einen Teil der Fluidstrompassagen vorzunehmen.
  • Die Unterteilung erfolgt so, dass der Raum zwischen zwei Trennplatten, in dem die einzelnen Wärmeaustauschpassagen für die Fluidströme verlaufen, durch eine oder mehrere vertikale Trennwände in zwei oder mehrere Bereiche unterteilt wird, zwischen denen kein Fluidaustausch möglich ist. Innerhalb eines Bereichs befinden sich eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen, die üblicherweise durch vertikal verlaufende, sogenannte Fins voneinander getrennt sind. Die Fins dienen im wesentlichen zur Führung der Fluide, aber, im Gegensatz zu den unterschiedliche Bereiche abtrennenden Trennwänden, nicht zwingend zur Isolierung einer Wärmeaustauschpassage von einer benachbarten Wärmeaustauschpassage.
  • Gemäß einer alternativen Ausführung, die nicht Teil der Erfindung ist, kann die Aufteilung in einzelne Bereiche ebenso günstig so erfolgen, dass die Bereiche jeweils nur einen Teil der Tiefe des Wärmeaustauscherblocks einnehmen. So ist es beispielsweise möglich, den Wärmeaustauscherblock in zwei oder mehrere Streifen zu unterteilen, die sich über die gesamte Höhe des Wärmeaustauscherblocks erstrecken und jeweils einen Teil der Tiefe oder der Breite des Blocks einnehmen. Bei mehreren Strömen ist es auch günstig, den Wärmeaustauscherblock in der Breite und der Tiefe zu unterteilen und zum Beispiel vier Bereiche vorzusehen, von denen sich jeder in einem Eck des Wärmeaustauscherblocks befindet.
  • In den erfindungsgemäßen Teilbereichen erstrecken sich die für den jeweiligen Fluidstrom vorgesehenen Wärmeaustauschpassagen von einer Stirnseite des Blocks zur gegenüberliegenden Stirnseite und verlaufen im wesentlichen parallel zueinander. An den beiden Stirnseiten, an denen die Wärmeaustauschpassagen enden, ist jeweils außen an dem Wärmeaustauscherblock ein Sammler/Verteiler angebracht, der den entsprechenden Bereich der Stimfläche abdeckt und einen Anschlussstutzen für die Zu- bzw. Ableitung aufweist. Die Wärmeaustauschpassagen gehen somit ohne Querschnittsverjüngung in die Zu- bzw. Ableitung über und die Strömungsumlenkung in dem Sammler/Verteiler erfolgt langsam. Der Druckverlust in dem Wärmeaustauscherblock und den zugehörigen Sammler/Verteilern wird dadurch minimiert.
  • Erfindungsgemäß wird zumindest ein Fluidstrom, der einen möglichst geringen Druckverlust erfahren soll, durch einen solchen erfindungsgemäßen Teilbereich des Wärmeaustauscherblocks geleitet. Insbesondere bei Fluidströmen, die einen Druck von weniger als 3,5 bar, und ganz besonders einen Druck zwischen 1,1 und 1,8 bar, aufweisen, ist die Erfindung von Vorteil. Selbstverständlich strömen durch einen der erfindungsgemäßen Teilbereiche des Wärmeaustauscherblocks ein oder mehrere Heizmedien, mit denen der Fluidstrom seine Wärme austauscht.
  • Durch die Erfindung lassen sich Druckabfälle in den Wärmeaustauscherblöcken, gemessen vom Eintrittsstutzen bis zum Austrittsstutzen, von etwa 70 mbar erzielen. Demgegenüber tritt bei den herkömmlichen Wärmeaustauschem, bei denen die Verteilung und Zusammenführung der Gasströme zwischen dem Ein- bzw. Austrittsstutzen und den Wärmeaustauschpassagen durch eine in den Wärmeaustauscherblock integrierte Verteilzone mit schräg angeordneten Lamellen ein Druckabfall von etwa 100 mbar auf, wenn die Gasströme mit einem Druck zwischen 1,2 und 1,8 bar aus der Niederdrucksäule entnommen wurden. Auf der drucklosen Seite erreicht man durch die Erfindung eine Verringerung des Druckabfalls von etwa 30 mbar. Das bedeutet, dass die Niederdruckströme mit einem um 30 mbar niedrigeren Druck als sonst gewonnen werden können. Zur Aufrechterhaltung der Wärmeaustauschverhältnisse am Hauptkondensator reicht es dann aus, wenn die Luft nach dem Luftverdichter auf einen etwa 90 mbar niedrigeren Druck verdichtet wird.
  • Besonders geeignet ist die Erfindung bei Verfahren, bei denen Gasströme, die einen Druck von weniger als 3,5 bar, bevorzugt zwischen 1,1 und 1,8 bar, aufweisen, im folgenden als Niederdruckströme bezeichnet, in indirekten Wärmeaustausch mit einem Wärme- oder Kälteträger gebracht werden sollen. Erfindungsgemäß wird hierbei durch einen Teilbereich des Wärmertauscherblocks jeweils nur einer dieser Niederdruckgasströme geführt, d.h. für jeden der Gasströme, die einen Druck von weniger als 3,5 bar aufweisen, wird ein eigener Teilbereich des Wärmeaustauscherblocks vorgesehen.
  • Bei Gasströmen mit einem Druck von mehr als ca. 4 bar spielt der Druckverlust in dem Wärmeaustauscherblock nur eine untergeordnete Rolle bzw. kann vernachlässigt werden. Es ist daher manchmal vorteilhaft, durch mindestens einen der Teilbereiche des Wärmeaustauscherblocks, durch den einer der Niederdruckgasströme geleitet wird, zusätzlich einen solchen Strom mit erhöhtem Druck zu führen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt bei der Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft Anwendung. Die als Produkt aus der Niederdrucksäule eines Doppelsäulenrektifikators abgezogenen Gasströme besitzen lediglich einen geringen Überdruck von etwa 0,1 bis 0,8 bar über Atmosphärendruck, sodass eine Verringerung des Druckabfalls von hoher Bedeutung ist. Dies gilt in analoger Weise für gasförmiges Argonprodukt, da die Rohargonsäule ebenfalls unter relativ niedrigem Druck betrieben wird.
  • Besonders bevorzugt werden die Gasströme mit der Einsatzluft in indirekten Wärmeaustausch gebracht. Die Einsatzluft kann hierbei in mehreren auf unterschiedlichem Druckniveau liegenden Strömen durch den Wärmeaustauscherblock geführt werden. So kann die Einsatzluft beispielsweise zum einen unter Drucksäulendruck durch den Wärmeaustauscherblock geleitet und anschließend in die Drucksäule eingespeist werden, zum anderen kann die Einsatzluft vor dem Wärmeaustauscherblock nachverdichtet und nach Abkühlung zur Kälteerzeugung arbeitsleistend entspannt werden.
  • In Ländern mit relativ niedrigen Energiekosten bringt eine Verringerung der Druckabfälle keinen Vorteil, da die mit der Energieeinsparung verbundenen Kosten hoch sind. Bei diesen Anwendungen ist es daher günstiger, nicht die Druckverluste zu minimieren, sondern die Strömungsgeschwindigkeiten zu erhöhen, um höhere Druckabfälle zu erzielen, wodurch letztlich ein kleinerer Wärmeaustauscherblock ausreichend ist.
  • Vorzugsweise wird der Fluidstrom so durch den Wärmeaustauscherblock geleitet, dass er einen Druckabfall von 120 bis 300 mbar, bevorzugt 120 bis 200 mbar, erleidet. Durch Anhebung des Druckabfalls wird eine größere Strömungsgeschwindigkeit als in den herkömmlichen Wärmeaustauschern erreicht, wodurch die Wärmeübergangszahlen verbessert werden, was letztlich dazu führt, dass das Blockvolumen des Wärmeaustauschers verringert werden kann. Bei gleichem Druckabfall im Wärmeaustauscherblock ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren eine Reduktion der Blockvolumina um etwa 15%, woraus eine beträchtliche Kosteneinsparung resultiert.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figur 1
    ein Verfahrensschema einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage,
    Figuren 2 bis 4
    die Anordnung der Verteilpassagen in herkömmlichen Plattenwärmeaustauschem,
    Figur 5
    die Anordnung der Wärmeaustauschpassagen gemäß der Erfindung,
    Figur 6
    eine Variante der Ausführung nach Figur 5,
    Figuren 7 und 8
    die erfindungsgemäße Aufteilung des Wärmeaustauischers in zwei Teilbereiche,
    Figur 9
    das Verfahrensschema einer Luftzerlegungsanlage mit Ein-Turbinen-Luftkreislauf,
    Figur 10
    das Verfahrensschema einer Luftzerlegungsanlage mit Zwei-Turbinen-Luftkreislauf,
    Figur 11
    die erfindungsgemäße Anordnung der Wärmeaustauschpassagen des Hauptwärmeaustauschers bei dem Verfahren nach Figur 9 und
    Figur 12
    die erfindungsgemäße Anordnung der Wärmeaustauschpassagen des Hauptwärmeaustauschers bei dem Verfahren nach Figur 10.
  • Figur 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahrensschema einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage.
  • Verdichtete und gereinigte Einsatzluft 10 wird zum Teil direkt einem Hauptwärmeaustauscher 1 zugeführt, zum Teil 20 mittels eines Verdichters 4 nachverdichtet, in einem Nachkühler 5 gekühlt und dann in den Hauptwärmeaustauscher 1 geleitet. Diese im folgenden als Turbinenluftstrom 20 bezeichnete Druckluft wird an einer Zwischenstelle dem Hauptwärmeaustauscher 1 entnommen, in einer Luftbooster-Turbine 6 entspannt und in die Niederdrucksäule 3 einer eine Drucksäule 2 und eine Niederdrucksäule 3 umfassenden Rektifikationseinheit eingeleitet.
  • Die in dem Hauptwärmeaustauscher abgekühlte Einsatzluft 10 wird der Drucksäule 2 der Rektifikationseinheit zugeführt. Der Niederdrucksäule 3 werden gasförmiger Sauerstoff 50, gasförmiger Stickstoff 30 sowie gasförmiger Unrein-Stickstoff 40 als Regeneriergas mit einem Druck von etwa 1,3 bar entnommen. Am Kopf der Drucksäule 2 wird Druckstickstoff 60 abgezogen. Ferner ist es möglich, in der Rektifikationseinheit Sauerstoff und Stickstoff als flüssige Produkte 7, 8 zu gewinnen. Die Gasströme 30, 40, 50, 60 werden in den Hauptwärmeaustauscher 1 geführt und gegen den Einsatzluftstrom 10 und den Turbinenluftstrom 20 durch indirekten Wärmeaustausch angewärmt.
  • Die Figuren 2 bis 4 zeigen den bisher üblichen Aufbau des Wärmeaustauscherblocks 9. Figur 2 zeigt die Lamellenanordnung in den Verteilzonen 59 für die Sauerstoffpassagen 58, Figur 3 für die Reinstickstoffpassagen 38 und Figur 4 entsprechend für die Unreinstickstoffpassagen 48.
  • Bei dem Verfahren gemäß Figur 1 werden in dem Wärmeaustauscherblock 9 die Fluidströme 30, 40, 50 gegen den Luftstrom 10 und den Turbinenluftstrom 20 geführt. Die Verteilung des jeweiligen gasförmigen Produktes auf die entsprechenden Wärmeaustauschpassagen 38, 48, 58 erfolgt herkömmlich über Verteilzonen 39, 49, 59, die schräg angeordnete Lamellen aufweisen, um das Gas 30, 40, 50 aus den Zufuhrleitungen auf die Passagen 38, 48, 58 zu verteilen beziehungsweise um das aus den Passagen 38, 48, 58 austretende Gas in die entsprechende Abzugsleitung zusammenzuführen.
  • Die Verteilzonen 39, 49, 59 führen sowohl zu einer Änderung der Strömungsrichtung als auch zu Querschnittsveränderungen, welche wiederum Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit verursachen. Beides wirkt sich negativ auf die Blockdurchströmung aus und erzeugt einen unerwünschten Druckabfall über dem Wärmeaustauscherblock 9. Der Druckabfall wirkt sich insbesondere bei den Gasströmen, die einen relativ niedrigen Druck zwischen 1,1 und 1,8 bar besitzen, negativ aus.
  • Figur 5 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau des Hauptwärmeaustauschers 1. In diesem Fall werden alle Ströme 10, 20, 30, 40, 50, 60 durch einen gemeinsamen Wärmeaustauscherblock 9 geführt, das heißt der Hauptwärmeaustauscher 1 ist als integrierter Wärmeaustauscher ausgeführt. Der Wärmeaustauscherblock 9 ist aus einer Vielzahl von parallel zur Zeichenebene liegenden Trennplatten aufgebaut, zwischen denen sich jeweils eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen befinden.
  • Im folgenden wird die Ausdehnung des Wärmeaustauscherblocks 9 senkrecht zur Zeichenebene als dessen Tiefe, seine Ausdehnung in Richtung der Wärmeaustauschpassagen, die in den Figuren 2 bis 4 durch Pfeile gekennzeichnet ist, als dessen Höhe und seine Ausdehnung in der Zeichenebene senkrecht zur Strömungsrichtung durch die Wärmeaustauschpassagen als dessen Breite bezeichnet.
  • Die Einsatzluft 10, die Hochdruckluft 20 und der der Drucksäule 2 entnommene gasförmige Druckstickstoff 60 werden über die Sammler/Verteiler 11, 21, 61 in den Wärmeaustauscherblock 9 geleitet. Im Wärmeaustauscherblock 9 werden diese Ströme 10, 20, 60 in üblicher Weise jeweils in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Verteilzone, die schräg verlaufende Lamellen aufweist, über die gesamte Breite des Wärmeaustauscherblocks 9 verteilt, weiter durch senkrecht verlaufende Wärmeaustauschpassagen geleitet und über eine weitere Verteilzone den jeweiligen Sammlern 12, 22, 62 zugeführt.
  • In den Verteilzonen erfahren die Ströme 10, 20, 60 Druckverluste, die durch die Stromrichtungsänderungen und die Querschnittsänderungen der einzelnen Passagen verursacht werden. Die Druckverluste von etwa 100 mbar sind jedoch bei der Einsatzluft 10, der Hochdruckluft 20 und dem Druckstickstoffprodukt 60 nicht relevant, da diese Ströme einen deutlich höheren absoluten Druck von mehr als 5 bar aufweisen. Bei den Niederdruckströmen 30, 40, 50, die einen gegenüber dem Atmosphärendruck nur geringfügig erhöhten Druck besitzen, haben solche Druckverluste dagegen eine hohe Bedeutung.
  • Erfindungsgemäß werden daher die Niederdruckströme 30, 40, 50 nicht über die gesamte Breite des Wärmeaustauscherblocks 9 verteilt. Der Wärmeaustauscherblock 9 ist in seiner Breite durch Trennbleche 70, sogenannte side bars, in drei Bereiche 33, 43, 53 unterteilt. Mit jedem dieser Bereiche 33, 43, 53 sind am oberen und unteren Ende des Wärmeaustauscherblocks 9 Sammler/Verteiler 31, 41, 51 bzw. 32, 42, 52 verbunden. Die Sammler/Verteiler 31, 41, 51 bzw. 32, 42, 52 sind halbzylindrisch ausgeführt und besitzen einen Anschlussstutzen für die jeweilige Produktzu- bzw. - ableitung. Der in den Wärmeaustauscherblock 9 eingeleitete Niederdruckstrom 30, 40, 50 erfährt keinerlei Querschnittsveränderung und keine wesentliche Stromrichtungsänderung. Der Druckabfall über dem Wärmeaustauscherblock 9 ist gegenüber dem Druckabfall über einem üblichen Block, wie er anhand der Figuren 2 bis 4 erläutert wurde, um etwa 30% verringert. Ferner werden die Kosten für den Wärmeaustauscherblock 9 reduziert, da auf die aufwendigen Lamellenzuschnitte für die Verteilzonen 39, 49, 59 in den Figuren 2 bis 4 verzichtet werden kann.
  • Anstelle der aufwendigen Verteilzonen 39, 49, 59 mit schrägen Lamellen in den bekannten Wärmeaustauscherblöcken (siehe Figuren 2 bis 4) ist bei den neuen Wärmeaustauscherblöcken bevorzugt lediglich eine schmale Verteilzone 73 am Eintritts- und Austrittsbereich der Wärmeaustauschpassagen 33, 43, 53 vorgesehen. Die Lamellen in der schmalen Verteilzone 73 sind parallel zu den darunter bzw. darüber liegenden Lamellen der Wärmeaustauschpassagen 33, 43, 53 angeordnet, besitzen jedoch einen geringeren Abstand voneinander. Das in den Sammler 31, 41, 51 eintretende Gas staut sich dadurch leicht vor der Verteilzone 73, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Gases auf alle Passagen der Verteilzone 73 und damit auf alle Wärmeaustauschpassagen 33, 43, 53 erreicht wird.
  • In Figur 6 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers dargestellt. Der Wärmeaustauscherblock 9 ist identisch zu dem in Figur 5 gezeigten Block. Im Gegensatz zu Figur 5 sind jedoch keine einzelnen Sammler/Verteiler 31, 41, 51 bzw. 32, 42, 52 vorgesehen, sondern ein die gesamte Stirnfläche des Wärmeaustauscherblocks 9 überspannender gemeinsamer Sammler/Verteiler 71. Der Raum zwischen der Stirnfläche des Wärmeaustauscherblocks 9 und dem Sammler/Verteiler 71 ist entsprechend den Bereichen 33, 43, 53 durch Trennbleche 72 unterteilt und jeweils mit einem Anschlussstutzen versehen.
  • Die Figuren 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung. Diese Wärmeaustauscher kommen beispielsweise bei Luftzerlegungsverfahren zum Einsatz, bei denen bei der Niederdrucksäule auf den obersten Abschnitt verzichtet wurde, so dass in der Niederdrucksäule kein Niederdruckstickstoff 30 mehr erzeugt wird. Die Niederdruckströme reduzieren sich dadurch auf den Unreinstickstoff 40 und Sauerstoff 50. Damit kann der Hauptwärmeaustauscherblock 9 einfacher gestaltet werden. Die Wärmeaustauschpassagen für die Niederdruckströme 40, 50 werden, wie in den Figuren 7 und 8 gezeigt, erfindungsgemäß gestaltet, die Druckströme 10, 20, 60 werden in üblicher Weise über Verteilzonen auf die entsprechenden Wärmeaustauschpassagen verteilt.
  • Die Erfindung ist bei allen Luftzerlegungsverfahren, bei denen mindestens zwei Niederdruckströme vorkommen, mit Vorteil einsetzbar. So zum Beispiel bei Luftzerlegunsgverfahren mit Luftkreislauf oder mit Stickstoffkreislauf.
  • In Figur 9 ist beispielhaft ein Tieftemperatur-Luftzerlegungsverfahren mit Ein-Turbinen-Luftkreislauf dargestellt. Die Einsatzluft 10 wird hierbei verdichtet und als Hochdruckluftstrom 90 in den Hautpwärmeaustauscher geführt. Ein Teil 91 der Hochdruckluft wird an einer Zwischenstelle von dem Wärmeaustauscher abgezogen, entspannt und zum Teil in die Drucksäule eingeleitet, zum anderen Teil 93 durch den Wärmeaustauscher 90 zurückgeführt und der Einsatzluft 10 wieder zugegeben. Der Rest der Hochdruckluft 90 wird als Hochdruckstrom 92 direkt in die Drucksäule geleitet.
  • In Figur 11 ist die erfindungsgemäße Ausführung des Wärmeaustauscherblocks 9 für ein derartiges Verfahren dargestellt. Die Niederdruckströme 30, 40, 50 werden wiederum durch die entsprechenden erfindungsgemäßen Teilbereiche des Blocks 9 geführt, die druckbehafteten Ströme 60, 90, 93 werden in bekannter Weise über Verteilzonen auf die Wärmeaustauschpassagen verteilt.
  • Figur 10 zeigt ein Luftzerlegungsverfahren mit Zwei-Turbinen-Luftkreislauf und Figur 12 die entsprechende Ausgestaltung des Hauptwärmeaustauschers 9. Die Wärmeaustauschpassagen für die Niederdruckströme 30, 40, 50 verlaufen analog zu der Ausführung gemäß Figur 11, die unter höherem Druck stehenden Ströme 101, 102, 103, 104, 105, 106 werden, wie in Figur 12 dargestellt, durch den Wärmeaustauscher geführt.

Claims (8)

  1. Plattenwärmeaustauscher zum indirekten Wärmeaustausch von mehreren Fluidströmen mit einem Wärme-/Kälteträger in einem Wärmeaustauscherblock, der eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen für den Wärme-/Kälteträger, einen ersten Fluidstrom und einen zweiten Fluidstrom besitzt, wobei der Wärmeaustauscherblock (9) einen ersten Teilbereich aufweist, in dem alle Wärmeaustauschpassagen für den ersten Fluidstrom (40) angeordnet sind, und einen zweiten Teilbereich aufweist, in dem alle Wärmeaustauschpassagen für den zweiten Fluidstrom (30) angeordnet sind, wobei sich der erste und der zweite Teilbereich nicht überschneiden und sich der erste und der zweite Teilbereich jeweils über die gesamte Höhe des Wärmeaustauscherblocks (9) erstrecken, wobei die Höhe des Wärmeaustauscherblocks (9) dessen Ausdehnung in Richtung der Hauptströmung durch die Wärmeaustauschpassagen ist,
    der Wärmeaustauscherblock (9) mehrere parallel und zueinander angeordnete Trennplatten aufweist, zwischen denen sich die Wärmeaustauschpassagen für den Wärme-/Kälteträger (10, 20), den ersten Fluidstrom (30, 40, 50) und den zweiten Fluidstrom (30, 40, 50) befinden, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste und der zweite Teilbereich jeweils über die gesamte Tiefe des Wärmeaustauscherblocks (9) erstrecken, wobei die Tiefe des Wärmeaustauscherblocks (9) dessen Ausdehnung senkrecht zur Ebene der Trennplatten ist.
  2. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschpassagen für den Wärme-/Kälteträger (10, 20) im wesentlichen gleichmäßig über den gesamten Wärmeaustauscherblock (9) verteilt sind.
  3. Verwendung eines Plattenwärmeaustauschers nach einem der Ansprüche 1 oder 2 als Hauptwärmeaustauscher einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage.
  4. Verfahren zum indirekten Wärmeaustausch von mehreren Fluidströmen mit einem Wärme-/Kälteträger in einem Wärmeaustauscherblock, wobei der Wärme-/Kälteträger, ein erster Fluidstrom und ein zweiter Fluidstrom durch eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen geleitet werden, wobei der erste Fluidstrom (30, 40, 50) nur durch einen ersten Teilbereich des Wärmeaustauscherblocks (9) geleitet wird und der zweite Fluidstrom (30, 40, 50) nur durch einen zweiten Teilbereich des Wärmeaustauscherblocks (9) geleitet wird, wobei sich der erste und der zweite Teilbereich nicht überschneiden und sich der erste und der zweite Teilbereich jeweils über die gesamte Höhe des Wärmeaustauscherblocks (9) erstrecken, wobei die Höhe des Wärmeaustauscherblocks (9) dessen Ausdehnung in Richtung der Hauptströmung durch die Wärmeaustauschpassagen ist, und der Wärmeaustauscherblock (9) mehrere parallel zueinander angeordnete Trennplatten aufweist, zwischen denen sich die Wärmeaustauschpassagen für den Wärme-/Kälteträger (10, 20), den ersten Fluidstrom (30, 40, 50) und den zweiten Fluidstrom (30, 40, 50) befinden, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste und der zweite Teilbereich jeweils über die gesamte Tiefe des Wärmeaustauscherblocks (9) erstrecken, wobei die Tiefe des Wärmeaustauscherblocks (9) dessen Ausdehnung senkrecht zur Ebene der Trennplatten ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Fluidstrom (30, 40, 50) jeweils einen Druck von weniger als 3,5 bar, bevorzugt zwischen 1,1 und 1,8 bar, aufweisen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Fluidstrom mit einem Druck von mehr als 4 bar durch den Wärmeaustauscherblock geleitet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidströme (30, 40, 50) durch Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft gewonnen werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidströme (30, 40, 50) mit der Einsatzluft (10, 20) in indirekten Wärmeaustausch gebracht werden.
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