EP2553369B1 - Vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

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EP2553369B1 EP11708993.8A EP11708993A EP2553369B1 EP 2553369 B1 EP2553369 B1 EP 2553369B1 EP 11708993 A EP11708993 A EP 11708993A EP 2553369 B1 EP2553369 B1 EP 2553369B1
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Hauptwärmetauscher und einem Unterkühlungs-Gegenströmer, mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, und mit einer Mischsäule und mit Mitteln zum Einleiten von Einsatzluft über den Hauptwärmetauscher in die Hochdrucksäule und in die Mischsäule, mit einer Flüssigsauerstoffleitung zum Einleiten von flüssigem Sauerstoff aus der Niederdrucksäule in den oberen Bereich der Mischsäule und mit einer Sauerstoffproduktleitung zum Abziehen von Sauerstoffgas aus dem oberen Bereich der Mischsäule durch den Hauptwärmetauscher.
  • Luftzerlegungsverfahren mit Mischsäule sind seit den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts bekannt ( DE 2204376 = US 4022030 ). Außerdem sind solche Verfahren in US 5454227 , US 5490391 , DE 19803437 A1 , DE 19951521 A1 , EP 1139046 B1 (= US 2001052244 A1 ), EP 1284404 A1 (= US 6662595 B2 ), DE 10209421 A1 , DE 10217093 A1 , EP 1376037 B1 (= US 6776004 B2 ), EP 1387136 A1 und EP 1666824 A1 offenbart. Diese Schriften zeigen nur schematische Verfahrensdiagramme und enthalten keine Information über die räumliche Anordnung der Mischsäule in Bezug auf die übrigen Apparateteile.
  • Aus DE 19904526 A1 ist bekannt, Hochdrucksäule, Niederdrucksäule und Mischsäule nebeneinander auf dem Boden anzuordnen. In US 6167723 wird ebenfalls empfohlen, die Mischsäule auf dem Boden aufzustellen, hier ist die Niederdrucksäule oberhalb der Mischsäule angeordnet, die Hochdrucksäule steht daneben. Auch in DE 19919587 A1 steht die Mischsäule auf dem Boden; die Doppelsäule aus Hochdrucksäule und Niederdrucksäule ist oberhalb der Mischsäule aufgebaut; die beiden Unterkühlungs-Gegenströmer befinden sich mit der Doppelsäule und der Mischsäule in einer gemeinsamen Cold Box.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung der Mischsäule zu finden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruch 1 gelöst.
  • Eine Coldbox dient zur thermischen Isolierung von Anlagenteilen (siehe zum Beispiel Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 1985, insbesondere Seiten 490 und 491). Unter einer "Coldbox" wird hier eine isolierende Umhüllung verstanden, die einen wärmeisolierten Innenraum vollständig mit Außenwänden umfasst; in dem Innenraum sind zu isolierenden Anlagenteile angeordnet, zum Beispiel ein oder mehrere Trennsäulen und/oder Wärmetauscher. Die isolierende Wirkung kann durch entsprechende Ausgestaltung der Außenwände und/oder durch die Füllung des Zwischenraums zwischen Anlagenteilen und Außenwänden mit einem Isoliermaterial bewirkt werden. Bei der letzteren Variante wird vorzugsweise ein pulverförmiges Material wie zum Beispiel Perlite verwendet.
  • Für die erfindungsgemäße Vorrichtung gibt es zwei bevorzugte Varianten
    • Mischsäule, Hauptwärmetauscher und Unterkühlungs-Gegenströmer in einer gemeinsamen Coldbox
    • Mischsäule und Unterkühlungs-Gegenströmer in einer gemeinsamen Coldbox; Hauptwärmetauscher in einer weiteren, separaten Coldbox
  • Alle Angaben zur räumlichen Orientierung beziehen sich hier auf Ausrichtung der Vorrichtung während des Betriebs der Kolonnen.
  • Ein Behälter (zum Beispiel eine Säule oder ein Wärmetauscher) befindet sich "oberhalb" (beziehungsweise "unterhalb") eines anderen Behälters, wenn sich seine Unterkante (Oberkante) auf höherem (niedrigerem) geodätischen Niveau als die Oberkante (Unterkante) des anderen Behälters befindet. Dabei kann, muss aber nicht eine vertikale Linie existieren, die durch beide Behälter hindurchgeht. In der Projektion auf eine horizontale Ebene können sich die Querschnitte der beiden Behälter überschneiden, sie können aber auch vollständig versetzt zueinander angeordnet sein Analog ist der Begriff "übereinander" zu verstehen.
  • Bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird der - ansonsten ungenutzte - Raum über dem Unterkühlungs-Gegenströmer, auf günstige Weise verwendet, indem die Mischsäule dort platziert wird. Es ergibt sich eine besonders kompakte Vorrichtung.
  • Die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule sind in einer gemeinsamen Coldbox mit Mischsäule und Unterkühlungs-Gegenströmer (mit oder ohne Hauptwärmetauscher) untergebracht, die insbesondere alle kalten Teile der Vorrichtung umschließt, in diesem Fall also auch den Hauptwärmetauscher.
  • Der Unterkühlungs-Gegenströmer dient dazu, eine oder mehrere Flüssigkeiten aus einer der Säulen des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung oder der Mischsäule im Gegenstrom zu einem oder mehreren kalten gasförmigen Strömen, die in der Regel aus der Niederdrucksäule kommen, zu unterkühlen oder anzuwärmen. Insbesondere dient ein Unterkühlungs-Gegenströmer dazu, flüssige Ströme, die mit Siedetemperatur aus einer Säule mit höheren Druck (zum Beispiel der Hochdrucksäule) in eine Säule mit niedrigerem Druck (zum Beispiel die Niederdrucksäule) entspannt werden, möglichst bis zu der Siedetemperatur abgekühlt werden, die dem niedrigeren Druckniveau entspricht. Dabei wird die Dampfmenge (Flash) bei der Entspannung vom höheren auf den niedrigeren Druck minimiert. Wenn der flüssige Sauerstoff aus der Niederdrucksäule vor der Einspeisung in die Mischsäule durch den Unterkühlungs-Gegenströmer geführt wird, wird dieser umgekehrt angewärmt, um möglichst nahe an den Siedepunkt unter dem - regelmäßig höheren - Druck der Mischsäule zu gelangen. Im Gegenzug dazu werden die kalten Ströme mit der Tautemperatur aus den Säulen mit dem niedrigeren Druck angewärmt. Da diese Ströme in den Hauptwärmetauscher gehen, wird die Prozessluft in die Hochdrucksäule ebenfalls wärmer, das heißt sie ist der Tautemperatur näher. Der Anteil der vorverflüssigten Luft wird minimiert. Bei den bisher bekannten Mischsäulenanlagen bleibt der Raum oberhalb dieses Wärmetauschers weitgehend ungenutzt, nicht so bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung. In dieser Variante der Erfindung ist der Unterkühlungs-Gegenströmer durch ein vom Hauptwärmetauscher getrenntes Bauteil realisiert.
  • Die Mischsäule kann dabei durch geeignete Verbindungselemente auf dem Unterkühlungs-Gegenströmer befestigt sein. Alternativ (oder vorzugsweise dann, wenn die Mischsäule seitlich versetzt zum Unterkühlungs-Gegenströmer angeordnet ist) wird die Mischsäule auf einem Gestell angeordnet, gegebenenfalls mit zusätzlicher Abstützung an der Außenwand der Coldbox oder an anderen Apparaten, die von der Coldbox umschlossen werden. Dieses Gestell stützt sich vorzugsweise auf dem Boden der Coldbox ab. Da auch die Doppelsäule aus Hochdrucksäule und Niederdrucksäule in derselben Coldbox angeordnet ist, kann es besonders günstig sein, wenn die Mischsäule an der Doppelsäule abgestützt ist.
  • Die gemeinsame Coldbox umschließt Mischsäule, Unterkühlungs-Gegenströmer, Hochdrucksäule und Niederdrucksäule. Die Coldbox weist vorzugsweise eine rechteckige Grundfläche auf. Der Hauptwärmetauscher kann grundsätzlich ebenfalls in der gemeinsamen Coldbox untergebracht werden. Alternativ wird er in einer zweiten, separaten Coldbox angeordnet, insbesondere dann, wenn diese vorgefertigt werden kann und anschließend weitgehend komplett auf die Baustelle transportiert wird. Hochdrucksäule und Niederdrucksäule sind vorzugsweise als Doppelsäule ausgestaltet.
  • Die oben zuerst genannte Variante wird so realisiert, dass die Mischsäule und der Hauptwärmetauscher in der gemeinsamen Coldbox angeordnet sind. Hierbei ist es günstig, wenn eine erste Coldbox den Hauptwärmetauscher und die Mischsäule umschließt. In einer nicht erfindungsgemäßen Variante enthält eine zweite Coldbox dann die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, die vorzugsweise in Form einer klassischen Doppelsäule angeordnet sind. In dieser Variante kann der Unterkühlungs-Gegenströmer in den Hauptwärmetauscher integriert sein. Bei kleinen Anlagen können alle genannten kalten Teile in einer einzigen Coldbox angeordnet werden. Dies kann auch bei sehr großen Anlagen sinnvoll sein, bei denen die Coldbox auf der Baustelle zusammengesetzt wird.
  • Hochdrucksäule und Niederdrucksäule sind übereinander angeordnet.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figur 1
    ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Anordnung von Mischsäule und Unterkühlungs-Gegenströmer übereinander in horizontaler Querschnittsdarstellung und
    Figur 2
    dasselbe Ausführungsbeispiel in vertikaler Querschnittsdarstellung.
  • In dem Beispiel von Figur 1 sind eine Mischsäule 1 und ein Unterkühlungs-Gegenströmer 2 in einer gemeinsamen Coldbox 3 angeordnet. Hochdrucksäule und Niederdrucksäule des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung sind als klassische Doppelsäule 5 realisiert und ebenfalls in der Coldbox 3 untergebracht. Figur 2 zeigt dieselbe Anordnung in anderer Ansicht.
  • Von der Coldbox 3 sind in beiden Zeichnungen nur die seitlichen Außenwände dargestellt. Details wie Rohrleitungen, Ventile und das Innere der Apparate 1, 2, 5 sind nicht gezeigt. Der Zwischenraum zwischen den Apparaten 1, 2, 5 und der Außenwand der Coldbox 3 ist mit Perlite gefüllt. Die Unterseite der Coldbox 4 wird durch eine separate Außenwand gebildet. Die Doppelsäule 5 ist über ein nicht dargestelltes Gestell auf dem Boden 4 der Coldbox 3 abgestützt. Die Mischsäule 1 und der Unterkühlungs-Gegenströmer stützen sich über ebenfalls nicht dargestellte Verbindungselemente an der Doppelsäule 5 ab.
  • Ein Hauptwärmetauscher ist bei dem Ausführungsbeispiel in einer separaten Coldbox untergebracht (in Figuren 1 und 2 nicht dargestellt).
  • Die beiden gestrichelten Kreise 1a und 1b in Figur 1 stellen zwei Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels dar, bei der die Mischsäule versetzt zum Unterkühlungs-Gegenströmer 2 angeordnet ist. Die Mischsäule ist jedoch auch hier oberhalb des Unterkühlungs-Gegenströmers angeordnet (analog zu Figur 2); um diese geodätische Höhe zu erreichen muss sie auf ein eigenes Gestell montiert sein.

Claims (4)

  1. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Hauptwärmetauscher (6) und einem Unterkühlungs-Gegenströmer (2), mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (5), das eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, und mit einer Mischsäule (1) und mit Mitteln zum Einleiten von Einsatzluft über den Hauptwärmetauscher in die Hochdrucksäule und in die Mischsäule, mit einer Flüssigsauerstoffleitung zum Einleiten von flüssigem Sauerstoff aus der Niederdrucksäule in den oberen Bereich der Mischsäule und mit einer Sauerstoffproduktleitung zum Abziehen von Sauerstoffgas aus dem oberen Bereich der Mischsäule durch den Hauptwärmetauscher, wobei die Mischsäule (1) und der Unterkühlungs-Gegenströmer (2) in der gemeinsamen Coldbox (3) angeordnet sind, die Mischsäule (1) oberhalb des Unterkühlungs-Gegenströmers (2) angeordnet ist, die gemeinsame Coldbox (3) die Mischsäule (1), den Unterkühlungs-Gegenströmer (2), die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule umschließt und die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule übereinander (5) angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischsäule (1) auf einem Gestell angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischsäule (1) und der Hauptwärmetauscher (6) in der gemeinsamen Coldbox (3) angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdrucksäule und Niederdrucksäule einerseits und Mischsäule andererseits nebeneinander angeordnet sind.
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