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DE60116014T2 - Säule mit Füllung zur Wärme- und/oder Massenübertragung - Google Patents

Säule mit Füllung zur Wärme- und/oder Massenübertragung Download PDF

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DE60116014T2
DE60116014T2 DE60116014T DE60116014T DE60116014T2 DE 60116014 T2 DE60116014 T2 DE 60116014T2 DE 60116014 T DE60116014 T DE 60116014T DE 60116014 T DE60116014 T DE 60116014T DE 60116014 T2 DE60116014 T2 DE 60116014T2
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Füllkörpersäule zum Wärme- und/oder Materialaustausch zwischen einer absteigenden Flüssigkeit und einem aufsteigenden Gas, umfassend mindestens einen Austauschbereich, der zwischen einem zugehörigen oberen Verteiler von Flüssigkeit und einem unteren Eintritt/Austritt von Fluid oder einem zugehörigen unteren Verteiler von Flüssigkeit definiert ist, wobei dieser Austauschbereich einen oberen Abschnitt und unter diesem einen weiteren Abschnitt umfasst. Sie wird insbesondere für Luftzerlegungsanlagen angewandt. Eine solche Säule ist beispielsweise aus EP-A-1016457 bekannt.
  • Unter Füllkörper ist hier eine Vorrichtung zu verstehen, die dazu bestimmt ist, eine absteigende Flüssigkeit und ein aufsteigendes Gas in engen Kontakt zu bringen, damit es zu einem Wärme- und/oder Materialaustausch kommt.
  • Die Füllkörperabschnitte sind jeweils von mindestens einem Füllkörpermodul oder „-pack" gebildet. Diese Module können vom losen Typ, d.h. jeweils von einem Volumen diskreter Partikel gebildet sein, sind aber vorzugsweise vom so genannten strukturierten Typ. In diese Kategorie fallen insbesondere:
    • (1) die wellig-gekreuzten Füllkörper, die im Allgemeinen von welligen Bändern gebildet sind, umfassend alternierende parallele Wellungen, die jeweils in einer allgemeinen Vertikalebene und aneinander liegend angeordnet sind, wobei die Wellungen schräg und in entgegen gesetzte Richtungen von einem Band zum nächsten absteigend sind. Eine Perforationsrate von typischerweise ungefähr 10 % ist im Allgemeinen für diese so genannten wellig-gekreuzten Füllkörper vorgesehen. GB-A-1 004 046 beschreibt Füllkörper vom wellig-gekreuzten Typ, und CA-A-1 095 827 schlägt eine Verbesserung dieses Füllkörpertyps vor, wobei eine dichte Perforation von kleinem Durchmesser hinzugefügt wird, um es der Flüssigkeit zu ermöglichen, beiderseits der gekreuzten welligen Bänder weitergeleitet zu werden. Ein solcher Füllkörper wird auch aus einem flachen Produkt, nämlich aus metallischen Folien in Form von Bändern, hergestellt. Die Bänder werden zuerst gefaltet (oder gewölbt), um eine Art bandförmiges Wellblech zu bilden, dessen Wellungen schräg in Bezug auf die Achse des Bandes sind. Die gefalteten Bänder werden dann in Abschnitte geschnitten, dann gestapelt, wobei abwechselnd jedes zweite Band umgedreht wird, um Module oder „Packs" zu bilden.
    • (2) Die Füllkörper mit Ventilatoren, bei denen jedes Modul eine Vielzahl von Ablenkblechen umfasst, die eine Gesamtheit von festen horizontalen Ventilatorschichten zum Umwälzen des aufsteigenden Gases definieren. Die Füllkörper mit Ventilatoren sind Strukturen mit dreidimensionaler Wirkung gegenüber dem Gas, das in der Säule aufsteigt. Sie sichern durch die Mehrfachdrehung des Gases einen starken Gaswirbel, und die sich daraus ergebende Umwälzung verbessert den Wärme- und/oder Materialaustausch mit der absteigenden Flüssigkeit. Beispiele solcher Füllkörperpacks sind in WO-A-86/06 296, WO-A-90/10 497 und in EP-A-845 293 beschrieben.
  • Die Erfindung soll die Kosten der Füllkörpersäulen zum Wärme- und/oder Materialaustausch verringern.
  • Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Füllkörpersäule des vorgenannten Typs, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Füllkörperabschnitt von mindestens einem Austauschbereich mindestens ein Füllkörpermodul umfasst, das eine geringere Anzahl von Weiterleitungseinheiten als jenes von mindestens einem Füllkörpermodul des anderen Füllkörperabschnittes desselben Austauschbereichs umfasst.
  • Wie in der Technik gut bekannt ist, ist die Anzahl von Weiterleitungseinheiten in Dampfphase (NUT) eines Füllkörpermoduls der Quotient der Höhe des Moduls (HM) durch die Höhe einer Weiterleitungseinheit in Dampfphase (HUT).
  • Die HUT wird üblicherweise verwendet, um die innere Wirksamkeit eines Füllkörpers zu kennzeichnen, sie ist auf der äquivalenten Höhe mit einer theoretischen Platte (HEPT) dieses selben Füllkörpers durch folgendes Verhältnis verbunden:
    Figure 00030001
    wobei
    • L:
    Molmenge der Flüssigkeit (Mol/s)
    V:
    Molmenge des Dampfes (Mol/s)
    m:
    Gefälle der Ausgleichsgeraden in einem Diagramm, das die Molfraktion im Dampf in Abhängigkeit von der Molfraktion in der Flüssigkeit darstellt.
  • HUT und somit NUT eines Füllkörpermoduls hängen mäßig von den destillierten Fluiden und den Luftzerlegungsbedingungen ab. Allerdings wenn in diesem Text die NUTs von zwei Füllkörpermodulen verglichen werden, ist darunter immer zu verstehen, dass diese beiden Module identischen Luftzerlegungsbedingungen ausgesetzt werden. Ferner wird zur Vereinfachung in diesem Text die Anzahl von Weiterleitungseinheiten in Dampfphase Anzahl von Weiterleitungseinheiten genannt.
  • Die erfindungsgemäße Füllkörpersäule kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale getrennt oder in allen technisch möglichen Kombinationen aufweisen:
    • – das Modul des oberen Abschnitts unterscheidet sich von dem Modul des anderen Abschnitts desselben Austauschbereichs durch mindestens einen der folgenden Faktoren: • seine innere Dichte, • seine Struktur, • seine durchschnittliche Dichte auf dem Querschnitt der Säule, und • seine Höhe;
    • – der Faktor ist die durchschnittliche dichte, und der obere Abschnitt nimmt nur einen Bruchteil des Querschnitts der Säule ein, der sich unter den vom oberen Verteiler kommenden Flüssigkeitsstrahlen befindet;
    • – die Füllkörperabschnitte sind strukturierte Füllkörperabschnitte;
    • – der obere Füllkörperabschnitt ist ein wellig-gekreuzter Füllkörperabschnitt, während der andere Füllkörperabschnitt ein Füllkörperabschnitt mit Ventilatoren ist;
    • – der obere Füllkörperabschnitt ist ein wellig-gekreuzter Füllkörperabschnitt mit relativ geringer dichte, während der andere Füllkörperabschnitt ein wellig-gekreuzter Füllkörperabschnitt mit größerer Dichte ist, wobei die Füllkörpermodule winkelig, insbesondere um 90°, zueinander um die vertikale Mittelachse der Säule versetzt sind;
    • – der obere Füllkörperabschnitt ist von einem einzigen Füllkörpermodul gebildet;
    • – das einzige Modul hat eine geringere Höhe als jene des anderen Abschnitts desselben Austauschbereichs;
    • – in jedem Austauschbereich sind die Füllkörpermodule entweder direkt oder mit Zwischenschaltung von Querstreben bildenden Elementen übereinander gestapelt;
    • – die Säule ist Teil einer doppelten Luftzerlegungssäule; und
    • – der andere Abschnitt ist ein laufender Abschnitt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei die einzige Figur schematisch im Axialschnitt eine doppelte Luftzerlegungssäule gemäß der Erfindung darstellt.
  • Die doppelte Luftzerlegungssäule 1 mit einer vertikalen Mittelachse X-X, die in der Zeichnung dargestellt ist, hat eine herkömmliche Struktur, mit Ausnahme der Ausführung ihrer Füllkörper. Sie ist somit von einer Mitteldrucksäule 2 gebildet, die über einer Niederdrucksäule 3 montiert ist. Ein Haupt-Verdampfer-Kondensator V setzt den Kopfdruck der Säule 2 (annähernd reiner Stickstoff) mit der Wannenflüssigkeit (annähernd reiner Sauerstoff) der Säule 3 in Wärmeaustauschrelation.
  • Die Säule 2 umfasst einen Verteiler 4 für die Kopfflüssigkeit und unter diesem einen einzigen Luftzerlegungsabschnitt 5.
  • Die Säule 3 umfasst: einen Verteiler 6 für die Kopf flüssigkeit; einen oberen Verteiler 7 für die Zwischenflüssigkeit; einen unteren Verteiler 8 für die Zwischenflüssigkeit; einen oberen Luftzerlegungsabschnitt 9, der sich zwischen den Verteilern 6 und 7 befindet; einen Zwischenzerlegungsabschnitt 10, der sich zwischen den Verteilern 7 und 8 befindet; und einen unteren Luftzerlegungsabschnitt 11, der sich unter dem Verteiler 8 befindet.
  • Während des Betriebs wird die zu zerlegende Luft, die bei Mitteldruck von typischerweise ungefähr 5 bar absolut verdichtet wird, in die Wanne der Säule 2 eingeführt. „Reiche Flüssigkeit" (mit Sauerstoff angereicherte Luft), die in der Wann dieser Säule gesammelt wird, wird über eine Leitung 12 entnommen, der Druck wird bei Niedrigdruck, der ungefähr 1,2 bar absolut ausmacht, in einer Druckminderventil 13 gemindert und in den Verteiler 7 eingeführt.
  • „Arme Flüssigkeit" aus dem Kopf der Säule 2, die von flüssigem Stickstoff gebildet ist, wird über eine Leitung 14 entnommen, der Druck wird bei Niedrigdruck in einem Druckminderventil 15 gemindert und in den Verteiler 6 eingeführt. Der Überschuss an. flüssigem Stickstoff, der in dem Verdampfer-Kondensator V kondensiert ist, fällt in den Verteiler 4, der auf den Luftzerlegungsabschnitt 5 verteilt. In diesem steigt die eintretende Luft auf und tauscht Wärme und Material mit dem rückströmenden flüssigen Stickstoff aus, wobei sie nach und an Sauerstoff verarmt.
  • In der Säule 2 ist das aufsteigende Gas gasförmiger Sauerstoff, der Wärme und Material mit der rückströmenden Flüssigkeit austauscht. Der Verteiler 6 verteilt flüssigen Stickstoff auf dem Luftzerlegungsabschnitt 9. Der Verteiler 7 verteilt auf dem Luftzerlegungsabschnitt 10 die reiche Flüssigkeit, die von dem Ventil 13 kommt, sowie die Flüssigkeit mit im Wesentlichen derselben Zusammensetzung, die in den Abschnitt 9 fällt. Der Verteiler 8 dient dazu, auf dem gesamten Querabschnitt der Säule 3 die rückströmende Flüssigkeit, die aus dem Abschnitt 10 austritt, rückzuverteilen, um die Wirksamkeit der Luftzerlegung zu verbessern und die Wandeffekte, durch die die Flüssigkeit, nachdem sie eine gewisse Füllkörperhöhe durchströmt hat, dazu neigt, auf der Innenwand des Rings der Säule herab zu rinnen.
  • Natürlich können als Variante weitere Verteiler zur Rückverteilung, wie beispielsweise der Verteiler 8, je nach den Füllkörpertypen und der Höhe der Säule vorgesehen sein.
  • Jeder Flüssigkeitsverteiler 4, 6, 7, 8 umfasst eine Umfangsrille 16 und mehrere parallele Rillen mit U-förmigem Querschnitt 17, die an jedem Ende in die Rille 16 münden. Zwischen den Rillen 16 sind parallele Kanäle 18 für den Durchgang des aufsteigenden Gases definiert, die durch eine horizontale obere Wand 19 geschlossen sind. Direkt unter dieser Wand sind Festerreihen 20 ausgespart. Der Boden der Rillen 17 ist perforiert, wodurch eine große Zahl von vertikalen Flüssigkeitsstrahlen unter jeder dieser Rillen definiert ist.
  • Die doppelte Säule 1 umfasst noch mindestens einen Produktausgang, wie beispielsweise eine Leitung 21 zur Entnahme von gasförmigem Sauerstoff aus der Wanne der Säule 2, die sich direkt über dem Abschnitt 11 befindet, und eine Leitung 22 zur Entnahme von Restgas (unreiner Stickstoff), das aus der Spitze der Säule 3 austritt. Die Lufteintrittsöffnung in die Wanne der Säule 2 ist bei 23 dargestellt.
  • Jeder der Luftzerlegungsabschnitte 5, 9, 10, 11 ist von einem Stapel von strukturierten Füllkörpermodulen gebildet. Das obere Modul stellt den oberen Abschnitt 5A, 9A, 10A, 11A des Abschnitts dar, während die anderen Module den laufenden Abschnitt 5B, 9B, 10B, 11B des Abschnitts bilden. Die Module sind entweder direkt oder mit Zwischenanordnung von Querstreben bildenden Elementen übereinander gestapelt.
  • Jeder obere Abschnitt ist von einem Füllkörpermodul oder „Pack" gebildet, das insbesondere dazu ausgeführt ist, auf dem gesamten Querschnitt der Säule die Flüssigkeit, die es vom Verteiler, der es speist, erhält, gleichmäßig zu verteilen, während die Module jedes anderen Abschnitts insbesondere dazu ausgeführt sind, einen Wärme- und Materialaustausch mit hoher Wirksamkeit zwischen dieser Flüssigkeit und dem aufsteigenden Gas durchzuführen.
  • So können die folgenden Beispiele angeführt werden:
    • (1) Der obere Abschnitt kann von derselben Art wie der andere Abschnitt sein, aber eine geringere innere Dichte (m2 Metall/m3) aufweisen. So wird die Funktion der Ausbreitung der Flüssigkeit zu geringeren Kosten erfüllt, da die verwendete Metallmenge kleiner ist.
    • (2) Der obere Abschnitt kann von unterschiedlicher Art zu jener des anderen Abschnitts sein, nämlich von geringerer Wirksamkeit aus Sicht der Luftzerlegung und weniger kostspielig. Insbesondere kann der obere Abschnitt wellig-gekreuzten Typs, insbesondere mit geringer Dichte, sein, während der laufende Abschnitt vom Typ mit Ventilatoren ist.
    • (3) Der obere Abschnitt kann ein Füllkörpermodul sein, dessen Höhe geringer als jene der Module der unteren Abschnitte ist. Auf diese Weise wird die Höhe der Säule verringert, ohne die Gesamtwirksamkeit der Luftzerlegung Wesentlich zu verschlechtern, da der obere Abschnitt nicht voll wirksam ist.
    • (4) Der obere Abschnitt kann sich nicht auf dem gesamten Querschnitt der Säule erstrecken. Insbe sondere kann er auf die Regionen beschränkt sein, die die Flüssigkeitsstrahlen des zugehörigen Verteilers empfangen. In diesem Fall besitzt der obere Abschnitt bei gleicher Art eine geringere durchschnittliche Dichte als jene des laufenden Abschnitts.
  • Diese verschiedenen Möglichkeiten können untereinander kombiniert werden. Ferner kann der obere Abschnitt im Fall (1) und (2) von mehr als einem Füllkörpermodul gebildet sein.
  • In jedem der oben erwähnten Fülle besitzt der obere Abschnitt für jedes seiner Module eine geringere Anzahl von Weiterleitungseinheiten als jedes Modul des anderen Abschnitts.
  • Nämlich:
    • – Fall (1): die Verringerung der inneren Dichte senkt die Anzahl von Weiterleitungseinheiten für eine gegebene Höhe der Module.
    • – Fall (2): per Definition entspricht die geringere Wirksamkeit der Luftzerlegung einer geringeren Anzahl von Weiterleitungseinheiten.
    • – Fall (3): die Verringerung der Höhe eines Moduls verringert seine Anzahl von Weiterleitungseinheiten.
    • – Fall (4): die Tatsache, dass ein Teil des aktiven Abschnitts eines Moduls weggelassen wird, verringert seine Anzahl von Weiterleitungseinheiten.
  • In dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel ist der obere Abschnitt jedes Luftzerlegungsabschnitts ein einziges wellig-gekreuztes Füllkörpermodul.
  • Der obere Abschnitt 5A des Abschnitts 5 ist nicht durchgehend. Er ist von mehreren parallelen Bändern gebildet, die sich jeweils unter einer entsprechenden Rille 17 des Verteilers 4 befinden. Der andere Abschnitt 5B ist ein laufender Abschnitt, der von einem Stapel von wellig-gekreuzten Füllkörpermodulen gebildet ist. Die Module des Abschnitts 5 sind winkelig um 90° zueinander um die Achse X-X versetzt.
  • Der Abschnitt 9B des Abschnitts 9 ist ein laufender Abschnitt, der von einem Stapel von wellig-gekreuzten Füllkörpermodulen gebildet ist und dessen Dichte größer als jene des oberen Abschnitts 9A ist. Die Module des Abschnitts 9 sind winkelig um 90° zueinander um die Achse X-X versetzt.
  • Der Abschnitt 10B des Abschnitts 10 ist ein laufender Abschnitt, der von einem Stapel von Füllkörpermodulen vom Typ mit Ventilatoren gebildet ist. Diese Module sind winkelig um 90° zueinander um die Achse X-X versetzt.
  • Der Abschnitt 11B des Abschnitts 11 ist ein laufender Abschnitt, der von einem Stapel von wellig-gekreuzten Füllkörpermodulen derselben Dichte wie jene des oberen Abschnitts 11A gebildet ist, der allerdings eine größere Höhe als dieser aufweist. Die Module des Abschnitts 11 sind ebenfalls winkelig um 90° zueinander um die Achse X-X versetzt.

Claims (10)

  1. Füllkörpersäule zum Wärme- und/oder Materialaustausch zwischen einer absteigenden Flüssigkeit und einem aufsteigenden Gas, umfassend mindestens einen Austauschbereich (5, 9, 10, 11), der zwischen einem zugehörigen oberen Verteiler von Flüssigkeit (4, 6, 7, 8) und einem unteren Eintritt/Austritt von Fluid (21, 23) oder einem zugehörigen unteren Verteiler von Flüssigkeit (7, 8) definiert ist, wobei dieser Austauschbereich einen oberen Abschnitt (5A, 9A, 10A, 11A) und unter diesem einen weiteren Abschnitt (5B, 9B, 10B, 11B) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Füllkörperabschnitt (5A, 9A, 10A, 11A) von mindestens einem Austauschbereich (5, 9, 10, 11) mindestens ein Füllkörpermodul umfasst, das eine geringere Anzahl von Weiterleitungseinheiten als jenes von mindestens einem Füllkörpermodul des anderen Füllkörperabschnittes (5B, 9B, 10B, 11B) desselben Austauschbereichs umfasst.
  2. Säule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Modul des oberen Abschnitts (5A, 9A, 10A, 11A) von dem Modul des anderen Abschnitts (5B, 9B, 10B, 11B) desselben Austauschbereichs durch mindestens einen der folgenden Faktoren unterscheidet: – seine innere Dichte, – seine Struktur, – seine durchschnittliche Dichte auf dem Querschnitt der Säule, und – seine Höhe.
  3. Säule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor die durchschnittliche Dichte ist, und dass der obere Abschnitt (5A) nur einen Bruchteil des Querschnitts der Säule einnimmt, der sich unter den vom oberen Verteiler (4) kommenden Flüssigkeitsstrahlen befindet.
  4. Säule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllkörperabschnitte (5A, 5B, 9A, 9B, 10A, 10B, 11A, 11B) strukturierte Füllkörperabschnitte sind.
  5. Säule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Füllkörperabschnitt (10A) ein wellig-gekreuzter Füllkörperabschnitt ist, während der andere Füllkörperabschnitt ein Füllkörperabschnitt mit Ventilatoren (10B) ist.
  6. Säule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Füllkörperabschnitt (9A) ein wellig-gekreuzter Füllkörperabschnitt mit relativ geringer Dichte ist, während der andere Füllkörperabschnitt ein wellig-gekreuzter Füllkörperabschnitt mit größerer Dichte ist, wobei die Füllkörpermodule eventuell winkelig, insbesondere um 90°, zueinander um die vertikale Mittelachse (X-X) der Säule versetzt sind.
  7. Säule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Füllkörperabschnitt (5A, 9A, 10A, 11A) von einem einzigen Füllkörpermodul gebildet ist.
  8. Säule nach den Ansprüchen 2 und 7 gemeinsam, dadurch gekennzeichnet, dass das einzige Modul (11A) eine geringere Höhe als jene der Module des anderen Abschnitts (11B) desselben Austauschbereichs (11) hat.
  9. Säule nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Austauschbereich (5, 10, 11) die Füllkörpermodule entweder direkt oder mit Zwischenschaltung von Querstreben bildenden Elementen übereinander gestapelt sind.
  10. Säule nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil einer doppelten Luftzerlegungssäule (1) ist.
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