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EP1037004B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Zerlegung eines Gasgemischs bei niedriger Temperatur - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Zerlegung eines Gasgemischs bei niedriger Temperatur Download PDF

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Publication number
EP1037004B1
EP1037004B1 EP00105042A EP00105042A EP1037004B1 EP 1037004 B1 EP1037004 B1 EP 1037004B1 EP 00105042 A EP00105042 A EP 00105042A EP 00105042 A EP00105042 A EP 00105042A EP 1037004 B1 EP1037004 B1 EP 1037004B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
condenser
section
passages
evaporator section
separation column
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP00105042A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1037004A1 (de
Inventor
Augustin Dipl.-Ing. Rampp
Manfred Dipl.-Phys. Sotzek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP00105042A priority Critical patent/EP1037004B1/de
Publication of EP1037004A1 publication Critical patent/EP1037004A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1037004B1 publication Critical patent/EP1037004B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
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    • 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
    • F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
    • F25J3/04187—Cooling of the purified feed air by recuperative heat-exchange; Heat-exchange with product streams
    • F25J3/04236—Integration of different exchangers in a single core, so-called integrated cores
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2210/42—Nitrogen
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    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/50—Oxygen
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/02—Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger
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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

Definitions

  • the invention relates to a device for decomposing a gas mixture at low Temperature with a separation column, with a heat exchanger block, the one Has main heat exchanger section and a condenser-evaporator section, the condenser-evaporator section evaporation passages and Has condensation passages, with a first feed gas line for supply from feed gas to the main heat exchanger section, with a second Feed gas line for introducing cooled feed gas into the separation column, with a first liquid line leading from the lower area of the separation column to the inlet the evaporation passages leads, with a gas line leading from the top of the Separation column leads to the condensation passages, and with a return line to Introduction of condensate formed in the condensation passages into the upper ones Area of the separation column.
  • the most important field of application of the invention is the low temperature decomposition of Air in single or multi-column processes, especially the production of nitrogen from air in a one-pillar process.
  • Separatiation column is understood here to mean a conventional mass transfer column which Rectification trays, packing (unordered packing) and / or ordered packing as Contains mass transfer elements, in particular a rectification or distillation column.
  • a device of the type mentioned is known from FR-A-2 238 132 and from JP-A-10206012 ( Figure 3).
  • the main heat exchanger and condenser evaporator are not as common Usually formed by separate heat exchanger blocks, but are in one Integrated heat exchanger block that a main heat exchanger section for Cooling air against reverse flows as well as a condenser-evaporator section for the recovery of reflux liquid by evaporation of the Has bottom liquid of the separation column.
  • This integrated design has a contrast conventional systems have the advantage of lower investment costs.
  • the oxygen-enriched Bottom liquid from the separation column in the heat exchanger block according to the above-mentioned documents there is a risk that some of these less volatile components will not completely evaporates, but accumulates in the liquid within the Condenser-evaporator section is present. With such enrichments, For example, from hydrocarbons, would be a major security risk expect.
  • the invention has for its object a device of the aforementioned Specify the type and corresponding procedure that are cheaper to operate, especially in a particularly safe and economical way.
  • phase separation device is provided on the one hand with the exit of the evaporation passages and on the other hand with a second liquid line is connected, which from the phase separation device to Entry of the evaporation passages leads and also a connection with a Has flush line.
  • the device according to the invention enables safe operation of the integrated device Heat exchanger blocks without business interruption.
  • the liquid in the Condenser-evaporator section only partially evaporated and the resultant Steam is separated from the liquid portion in the phase separator Cut.
  • the latter becomes a first part via the second liquid line Entry of the evaporation passages of the condenser-evaporator section returned and continuously to a second part via a flushing line or discarded discontinuously.
  • the proportion of the liquid overturned via the liquid line is seven to 15 times, preferably eight to ten times the amount evaporated in the evaporation passages (the relative amounts given here and below refer to molar amounts).
  • 0.05 to 0.5%, preferably 0.1 to 0.2% of the total amount of gas mixture to be separated is discarded as flushing quantity via the flushing line.
  • the heat exchanger block is preferably in the invention by a Plate heat exchanger formed, especially by a soldered aluminum plate heat exchanger.
  • the main heat exchanger section is located here preferably above the condenser-evaporator section.
  • Insert heat exchanger block In general, only one becomes in the device according to the invention Insert heat exchanger block. This can be made in one piece, for example or by joining together (for example by means of flanges) two or several sections can be produced. However, the invention can also be applied to larger ones Systems are applied by placing two or more such heat exchanger blocks can be connected in parallel. Each of these heat exchange blocks then has one Main heat exchanger section and a condenser-evaporator section.
  • the main area of application of the invention is in single-column systems in which the Condenser-evaporator section preferably the top condenser of the only one Represents separation column.
  • the invention is basically based on other processes applicable with two or more columns, for example the main capacitor a double column system formed by the condenser-evaporator section become.
  • the phase separation device can be implemented in different ways. To the it can be caused by a vessel arranged outside the heat exchanger block be formed via a line with the exit of the evaporation passages connected is.
  • the phase separation device is replaced by a Collector in the form of a header arranged on the side of the heat exchanger block educated; alternatively, one can be on both sides of the heat exchanger block corresponding header can be arranged.
  • Under "Header” is a distribution or To understand collecting device in fluid communication with a certain group of passages of a heat exchanger block and to Serve to supply or to withdraw fluid flowing through this passage. This one mentioned headers can for example be semi-tubular.
  • the phase separation device by a within the Heat exchanger blocks in the transition between the condenser-evaporator section and Main heat exchanger section arranged area formed.
  • liquid line there are also various alternatives for the construction of the liquid line.
  • she can be arranged outside the heat exchanger block or through passages be formed within the heat exchanger block.
  • the second variant is available especially when the phase separation within the heat exchanger block is carried out; for example, the otherwise can be used for this purpose Continuation of the passages for cooling the gas mixture to be broken down be used at the lower end of the main heat exchanger section are interrupted.
  • the vapor from the phase separator is preferably the Main heat exchanger section fed at its cold end.
  • the heat exchanger block used in the invention can be used in any process and be used in any system in which a first fluid in one Main heat exchanger section cooled and a second fluid in a condenser-evaporator section be evaporated against a condensing third fluid.
  • the passages for the gas from the top of the separation column can continue without interruption over the entire length of the Go through heat exchanger blocks.
  • the passages for those coming from the lower area of the separation column Fraction can be carried out continuously in a similar manner.
  • the phase separation device is arranged within the heat exchanger block the vapor formed in the evaporation passages in the same passages remaining flow through the main heat exchanger section.
  • At least one group of passages of the heat exchanger block is preferred between the main heat exchanger section and the condenser-evaporator section interrupted.
  • the heat exchanger block as a soldered aluminum plate heat exchanger is realized, the interruption of passages horizontally or diagonally arranged walls (end strips, sidebars) made in the transition area between the main heat exchanger section and Condenser-evaporator section are arranged.
  • Such walls can be used for Example the passages for cooling the gas mixture to be broken down on it Complete the bottom and / or the evaporation passages on the top.
  • the steam can run out the phase center device to be initiated in Heat the main heat exchanger section against the feed gas to be cooled.
  • Claims 4 and 5 relate to configurations of the invention Device with regard to the flow in the evaporation passages are particularly advantageous.
  • the gas to be condensed is the upper end of the Capacitor section supplied and flows in cocurrent with the formed Condensate within the condensation passages down.
  • the invention also relates to a method according to claims 7 to 9 and an application of the device and / or the method according to claim 10.
  • Compressed and cleaned feed air 1 flows in the example of FIG. 1 as a gas mixture to be broken down (feed gas) into the main heat exchanger section 51 of a heat exchanger block 50, which also has a condenser-evaporator section 52.
  • feed gas feed gas
  • the feed air is cooled to about dew point and then fed into the separation column 3 via line 2.
  • Nitrogen 4 (the "first fraction") becomes gaseous above the top of the separation column 3 withdrawn and flows to the heat exchanger block 50 in the transition region between Main heat exchanger section 51 and condenser-evaporator section 52 too.
  • a first part of the gaseous nitrogen is passed up into the passages 53 of the main heat exchanger section and finally via a Product line 62 withdrawn.
  • Another part of the nitrogen 4 flows into the Condenser-evaporator section condensation passages 54 down and condenses at least partially, preferably essentially completely or completely.
  • the condensate is on the return line 5 to the top of the Separation column 3 returned. If necessary, a part can be removed as a liquid product (not shown).
  • An oxygen-enriched (“second") fraction 7 becomes liquid from the bottom of the Separation column 3 withdrawn, relaxed (8) and via line 9 to the lower end of Condenser-evaporator section 52 transported. (Lines 7 and 9 form the "First liquid line”.)
  • the evaporation passages 55 of the condenser-evaporator section 52 of the heat exchanger block 50 is the partially oxygenated fraction evaporated.
  • the evaporation passages 55 are closed at their upper end.
  • the header 56 acts as Phase separator.
  • the vaporous part is in the heat exchanger block returned (to the lower end of the main heat exchanger section) and drawn off as residual gas 63 at the warm end, the extensions 57 of the evaporation passages 55 used for heating become.
  • the liquid portion remains outside via a liquid line 58 the heat exchanger block 50 deducted and at least part of 59 to returned to the lower end of the evaporation passages 55.
  • Another part is about the purge line 61 discarded continuously or discontinuously.
  • the system can be supplied with cold to compensate for insulation losses by Liquid nitrogen via line 6 and / or a liquefied mixture via line 10 of air gases and / or liquid oxygen in the separation column 3 and / or in the Evaporation passages 55 of the condenser-evaporator section 52 are fed becomes.
  • internal cooling is used completely eliminated by means of work-relieving relaxation of a turbine.
  • the process cold can be obtained in whole or in part by relieving the pressure of a process gas, as shown in FIG. 2 .
  • a part 201 of the residual gas generated in the evaporation 55 is removed at an intermediate temperature from the heating passages 57 of the main heat exchanger section 51 and expanded in a work-performing manner in a turbine 202.
  • the relaxed residual gas 203 is fed back to the main heat exchanger section 51, namely near its cold end.
  • the expanded residual gas is finally warmed to ambient temperature and removed (205).
  • the representation of Figure 3 is not to scale.
  • the amount of The main heat exchanger section 51 is in reality, for example, 2 to 5 m, preferably about 3.5 m; the capacitor section 52 is, for example, 1 to 2 m, preferably about 3.5 m high.
  • Double lines in FIG. 3 mean end strips (Sidebars), which close a passage on the side, above or below.
  • the preferred direction of the corrugated sheets arranged within the passages (Fins) is indicated by a triplet of short lines.
  • the nitrogen header associated with the condensation passages of cross section A. 306 is also shown in the central portion of Figure 3, which is a cross section of Type B shows.
  • the header 306 also communicates with those shown there Passages 53.
  • the part of the nitrogen supplied via line 4 that does not enter the Condensation passages 54 flows into the passages 53 of the Main heat exchanger section and is heated there.
  • the warm nitrogen gas is led to the product line 62 via a header 308.
  • the lower continuation 309 the passage 53, which is part of the condenser section, has in that Embodiment no function in the heat exchange process. Header 310 and line 311 are only used to vent the lower portion of the Passages B.
  • the cross sections C serve only for the treatment of the oxygen-enriched ("second") Fraction 9, which comes from the bottom of the separation column.
  • This is called a two-phase mixture via a connecting piece 312 centrally into a header 313 introduced, which covers the entire bottom of the heat exchanger block 50.
  • a perforated plate 314 extends over the entire horizontal cross section of the Headers 313. It serves to distribute those contained in the two-phase mixture Steam bubbles on the entire horizontal cross section.
  • Within the Evaporation passages 55 increases the liquid-vapor mixture through the Thermosiphon effect upwards and to the left below the sidebar 315 respectively on the right into the two headers 56a, 56b, which as Phase separator act.
  • the steam portion flows upwards into the Main heat exchanger section 52, more precisely in the continuation 57 of the Evaporation passages 55 above the sidebar 315.
  • the warm gas is over pulled a header 318 to the residual gas line 63.
  • the remaining liquid flows in the pipes 58a, 58b, which form the "second liquid line", down and mostly back into header 313 via connection piece 316a, 316b.
  • a smaller part can flow via the connecting pieces 317a, 317b to the flushing line shown in FIG.
  • Each of these measures has a particularly uniform effect Flow through the evaporation passages 55.
  • The is particularly advantageous simultaneous application of several or all of these measures.
  • the even one Flow improves heat transfer and increases the operational safety of the Condenser section.

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  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerlegung eines Gasgemischs bei niedriger Temperatur mit einer Trennsäule, mit einem Wärmetauscherblock, der einen Hauptwärmetauscherabschnitt und einen Kondensator-Verdampfer-Abschnitt aufweist, wobei der Kondensator-Verdampfer-Abschnitt Verdampfungspassagen und Kondensationspassagen aufweist, mit einer ersten Einsatzgasleitung zur Zuführung von Einsatzgas zum Hauptwärmetauscherabschnitt, mit einer zweiten Einsatzgasleitung zur Einleitung von abgekühltem Einsatzgas in die Trennsäule, mit einer ersten Flüssigkeitsleitung, die vom unteren Bereich der Trennsäule zum Eintritt der Verdampfungspassagen führt, mit einer Gasleitung, die vom oberen Bereich der Trennsäule zu den Kondensationspassagen führt, und mit einer Rücklaufleitung zur Einführung von in den Kondensationspassagen gebildetem Kondensat in den oberen Bereich der Trennsäule.
Das wichtigste Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Tieftemperaturzerlegung von Luft in Ein- oder Mehrsäulenverfahren, speziell die Stickstoffgewinnung aus Luft in einem Einsäulenprozeß.
Unter "Trennsäule" wird hier eine übliche Stoffaustauschsäule verstanden, die Rektifizierböden, Füllkörper (ungeordnete Packung) und/oder geordnete Packung als Stoffaustauschelemente enthält, insbesondere eine Rektifizier- oder Destilliersäule.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus FR-A-2 238 132 und aus JP-A-10206012 (Figur 3) bekannt. Dort werden Hauptwärmetauscher und Kondensator-Verdampfer nicht wie allgemein üblich von getrennten Wärmetauscherblöcken gebildet, sondern sind in einem Wärmetauscherblock integriert, der einen Hauptwärmetauscherabschnitt zur Abkühlung von Luft gegen Rückströme sowie einen Kondensator-Verdampfer-Abschnitt zur Gewinnung von Rücklaufflüssigkeit durch Verdampfung der Sumpfflüssigkeit der Trennsäule aufweist. Diese integrierte Bauweise hat gegenüber konventionellen Anlagen den Vorteil geringerer Anlagekosten.
Die Flüssigkeit, die in dem Wärmetauscherblock der Anlage gemäß den obengenannten Druckschriften verdampft wird, enthält neben den Hauptkomponenten Sauerstoff, Stickstoff und Argon auch diejenigen Luftbestandteile, die schwererflüchtig als Sauerstoff sind und bei der Luftreinigung stromaufwärts des Hauptwärmetauscherabschnitts nicht aus der Einsatzluft entfernt wurden. Bei der Verdampfung der sauerstoffangereicherten Sumpfflüssigkeit aus der Trennsäule in dem Wärmetauscherblock gemäß den obengenannten Druckschriften besteht die Gefahr, daß ein Teil dieser schwererflüchtigen Bestandteile nicht vollständig verdampft, sondern sich in der Flüssigkeit anreichert, die innerhalb des Kondensator-Verdampfer-Abschnitts ansteht. Bei derartigen Anreicherungen, beispielsweise von Kohlenwasserstoffen, wäre ein großes Sicherheitsrisiko zu erwarten. Durch Betriebsunterbrechungen zur Entfernung der schwererflüchtigen Komponenten aus dem Kondensator-Verdampfer-Abschnitt wäre kein kontinuierlicher Dauerbetrieb der Anlage möglich. Dies bedeutete einen hohen betriebstechnischen Aufwand und merkliche Produktionsausfälle. Bisher hat man daher in der Praxis Abstand von der Anwendung derartiger integrierter Wärmetauscher genommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, die günstiger zu betreiben sind, insbesondere auf besonders sichere und wirtschaftliche Weise.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Phasentrenneinrichtung vorgesehen ist, die einerseits mit dem Austritt der Verdampfungspassagen und andererseits mit einer zweiten Flüssigkeitsleitung verbunden ist, die von der Phasentrenneinrichtung zum Eintritt der Verdampfungspassagen führt und außerdem eine Verbindung mit einer Spülleitung aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht einen sicheren Betrieb des integrierten Wärmetauscherblocks ohne Betriebsunterbrechung. Dabei wird die Flüssigkeit in dem Kondensator-Verdampfer-Abschnitt nur teilweise verdampft und der dabei entstandene Dampf wird in der Phasentrenneinrichtung von dem flüssig verbliebenen Anteil getrennt. Letzterer wird zu einem ersten Teil über die zweite Flüssigkeitsleitung zum Eintritt der Verdampfungspassagen des Kondensator-Verdampfer-Abschnitts zurückgeführt und zu einem zweiten Teil über eine Spülleitung kontinuierlich oder diskontinuierlich verworfen.
Durch die Teilung des flüssig verbliebenen Anteils aus der Phasentrenneinrichtung, der im Falle der Luftzerlegung mit schwererflüchtigen Komponenten angereichert ist, wird eine unerwünschte Aufkonzentration verhindert. Damit ist es möglich, schwererflüchtige Verunreinigungen auszuschleusen und ihren Gehalt in den Verdampfungspassagen unterhalb eines ungefährlichen Grenzwerts zu halten (zum Beispiel kleiner als 500 ppm CH4-Äquivalent). Beispielsweise beträgt der Anteil der über die Flüssigkeitsleitung umgeworfenen Flüssigkeit das sieben- bis 15-fache, vorzugsweise das acht- bis zehnfache der in den Verdampfungspassagen verdampften Menge (die relativen Mengenangaben beziehen sich hier und im folgenden auf molare Mengen). Als Spülmenge über die Spülleitung verworfen werden zum Beispiel 0,05 bis 0,5 %, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 % der Gesamtmenge an zu zerlegendem Gasgemisch.
Der Wärmetauscherblock wird bei der Erfindung vorzugsweise durch einen Plattenwärmetauscher gebildet, speziell durch einen gelöteten Aluminium-Plattenwärmetauscher. Dabei befindet sich der Hauptwärmetauscherabschnitt vorzugsweise oberhalb des Kondensator-Verdampfer-Abschnitts.
Im allgemeinen wird man bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur einen einzigen Wärmetauscherblock einsetzen. Dieser kann beispielsweise in einem Stück gefertigt sein oder durch Zusammenfügen (zum Beispiel mittels Flanschen) aus zwei oder mehreren Abschnitten hergestellt werden. Die Erfindung kann jedoch auch auf größere Anlagen angewandt werden, indem zwei oder mehr solcher Wärmetauscherblöcke parallelgeschaltet werden. Jeder dieser Wärmetauschblöcke weist dann jeweils einen Hauptwärmetauscherabschnitt und einen Kondensator-Verdampfer-Abschnitt auf.
Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung liegt bei Einsäulenanlagen, bei denen der Kondensator-Verdampfer-Abschnitt vorzugsweise den Kopfkondensator der einzigen Trennsäule darstellt. Die Erfindung ist jedoch grundsätzlich auch auf andere Prozesse mit zwei oder mehr Säulen anwendbar, beispielsweise kann der Hauptkondensator einer Doppelsäulenanlage durch den Kondensator-Verdampfer-Abschnitt gebildet werden.
Die Phasentrenneinrichtung kann auf verschiedene Weisen realisiert werden. Zum einen kann sie durch ein außerhalb des Wärmetauscherblocks angeordnetes Gefäß gebildet sein, das über eine Leitung mit dem Austritt der Verdampfungspassagen verbunden ist. In einem zweiten Beispiel wird die Phasentrenneinrichtung durch einen Sammler in Form eines seitlich am Wärmetauscherblock angeordneten Headers gebildet; alternativ dazu kann an beiden Seiten des Wärmetauscherblocks ein entsprechender Header angeordnet sein. (Unter "Header" wird ist eine Verteilbeziehungsweise Sammeleinrichtung zu verstehen, die in Strömungsverbindung mit einer bestimmten Gruppe von Passagen eines Wärmetauscherblocks stehen und zur Zufuhr oder zum Abzug von durch diese Passage strömendem Fluid dienen. Die hier erwähnten Header können beispielsweise halbrohrförmig ausgebildet sein.) In einer dritten Variante wird die Phasentrenneinrichtung durch einen innerhalb des Wärmetauscherblocks im Übergang zwischen Kondensator-Verdampfer-Abschnitt und Hauptwärmetauscherabschnitt angeordneten Bereich gebildet.
Auch für die Konstruktion der Flüssigkeitsleitung gibt es verschiedene Alternativen. Sie kann außerhalb des Wärmetauscherblocks angeordnet sein oder durch Passagen innerhalb des Wärmetauscherblocks gebildet werden. Die zweite Variante bietet sich vor allem dann an, wenn die Phasentrennung innerhalb des Wärmetauscherblocks durchgeführt wird; hierfür können beispielsweise die ansonsten ungenutzen Fortsetzungen der Passagen für die Abkühlung des zu zerlegenden Gasgemischs genutzt werden, die am unteren Ende des Hauptwärmetauscherabschnitts unterbrochen sind.
Der Dampf aus der Phasentrenneinrichtung wird vorzugsweise dem Hauptwärmetauscherabschnitt an seinem kalten Ende zugeführt.
Der in der Erfindung verwendete Wärmetauscherblock kann bei jedem Prozeß und jeder Anlage eingesetzt werden, bei dem ein erstes Fluid in einem Hauptwärmetauscherabschnitt abgekühlt und ein zweites Fluid in einem Kondensator-Verdampfer-Abschnitt gegen ein kondensierendes drittes Fluid verdampft werden.
Die Passagen für das Gas aus dem oberen Bereich der Trennsäule (im Falle der Luftzerlegung: Stickstoff) können ohne Unterbrechung über die gesamte Länge des Wärmetauscherblocks durchgehen. Hierbei wird das Gas über die Gasleitung im Übergangsbereich zwischen Hauptwärmetauscherabschnitt und Kondensator-Verdampfer-Abschnitt in den Wärmetauscherblock eingeführt, wobei ein Teil nach oben in den Hauptwärmetauscherabschnitt einströmt, angewärmt und als Produkt abgezogen wird, wobei ein anderer Teil nach unten in die Kondensationspassagen des Kondensator-Verdampfer-Abschnitts fließt und dort verflüssigt wird.
Auch die Passagen für die aus dem unteren Bereich der Trennsäule stammende Fraktion können in ähnlicher Weise durchgehend ausgeführt sein. Insbesondere wenn die Phasentrenneinrichtung innerhalb des Wärmetauscherblocks angeordnet ist, kann der in den Verdampfungspassagen gebildete Dampf in denselben Durchgängen verbleibend den Hauptwärmetauscherabschnitt durchströmen.
Vorzugsweise ist mindestens eine Gruppe von Passagen des Wärmetauscherblocks zwischen Hauptwärmetauscherabschnitt und Kondensator-Verdampfer-Abschnitt unterbrochen. Wenn der Wärmetauscherblock als gelöteter Aluminium-Plattenwärmetauscher realisiert ist, wird die Unterbrechung von Passagen durch horizontal oder schräg angeordnete Wände (Abschlußleisten, Sidebars) vorgenommen, die im Übergangsbereich zwischen Hauptwärmetauscherabschnitt und Kondensator-Verdampfer-Abschnitt angeordnet sind. Derartige Wände können zum Beispiel die Passagen zur Abkühlung des zu zerlegenden Gasgemischs an ihrer Unterseite und/oder die Verdampfungspassagen an ihrer Oberseite abschließen. In die Fortsetzung der oben abgeschlossenen Verdampfungspassagen kann der Dampf aus der Phasentreneinrichtung eingeleitet werden, um sich im Hauptwärmetauscherabschnitt gegen abzukühlendes Einsatzgas anzuwärmen.
Die Patentansprüche 4 und 5 betreffen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung die hinsichtlich der Strömungsführung in den Verdampfungspassagen besonders vorteilhaft sind.
Vorzugsweise wird das zu kondensierende Gas dem oberen Ende des Kondensatorabschnitts zugeführt und strömt im Gleichstrom mit dem gebildeten Kondensat innerhalb der Kondensationpassagen nach unten.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren gemäß den Patentansprüchen 7 bis 9 und eine Anwendung der Vorrichtung und/oder des Verfahrens gemäß Anspruch 10.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand zweier in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Beispiele beziehen sich auf die Gewinnung von gasförmigem Stickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Einsäulenanlage. Hierbei zeigen:
Figur 1
ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Kältezufuhr durch eine externe Flüssigkeit,
Figur 2
ein zweites Ausführungsbeispiel mit Kälteerzeugung durch eine Turbine
und
Figur 3
den Hauptwärmetauscherblock der Figur 1 im Detail.
Verdichtete und gereinigte Einsatzluft 1 strömt in dem Beispiel von Figur 1 als zu zerlegendes Gasgemisch (Einsatzgas) in den Hauptwärmetauscherabschnitt 51 eines Wärmetauscherblocks 50 ein, der außerdem einen Kondensator-Verdampfer-Abschnitt 52 aufweist. In dem Hauptwärmetauscherabschnitt 51 wird die Einsatzluft auf etwa Taupunkt abgekühlt und danach über Leitung 2 in die Trennsäule 3 eingespeist.
Stickstoff 4 (die "erste Fraktion") wird gasförmig über dem Kopf der Trennsäule 3 abgezogen und strömt dem Wärmetauscherblock 50 im Übergangsbereich zwischen Hauptwärmetauscherabschnitt 51 und Kondensator-Verdampfer-Abschnitt 52 zu. Dabei wird ein erster Teil des gasförmigen Stickstoffs nach oben in die Passagen 53 des Hauptwärmetauscherabschnitts eingeleitet und schließlich über eine Produktleitung 62 abgezogen. Ein anderer Teil des Stickstoffs 4 fließt in den Kondensationspassagen 54 des Kondensator-Verdampfer-Abschnitts nach unten und kondensiert dabei mindestens teilweise, vorzugsweise im wesentlichen vollständig oder vollständig. Das Kondensat wird über die Rücklaufleitung 5 zum Kopf der Trennsäule 3 zurückgeführt. Ein Teil kann bei Bedarf als Flüssigprodukt entnommen werden (nicht dargestellt).
Eine sauerstoffangereicherte ("zweite") Fraktion 7 wird flüssig vom Sumpf der Trennsäule 3 abgezogen, entspannt (8) und über Leitung 9 zum unteren Ende des Kondensator-Verdampfer-Abschnitts 52 transportiert. (Die Leitungen 7 und 9 bilden die "erste Flüssigkeitsleitung".) In den Verdampfungspassagen 55 des Kondensator-Verdampfer-Abschnitts 52 des Wärmetauscherblocks 50 wird die sauerstoffangereicherte Fraktion teilweise verdampft. Die Verdampfungspassagen 55 sind an ihrem oberen Ende verschlossen. Dort wird das Zweiphasengemisch aus den Verdampfungspassagen 52 in zwei seitlich angeordneten Headem 56 gesammelt, von denen in Figur 1 nur einer dargestellt ist. Der Header 56 wirkt als Phasentrenneinrichtung. Der dampfförmige Anteil wird in den Wärmetauscherblock zurückgeleitet (in das untere Ende des Hauptwärmetauscherabschnitts) und als Restgas 63 am warmen Ende abgezogen, wobei die Fortsetzungen 57 der Verdampfungspassagen 55 zur Anwärmung genutzt werden. Der flüssig verbliebene Anteil wird über eine Flüssigkeitsleitung 58 außerhalb des Wärmetauscherblocks 50 abgezogen und mindestens zu einem Teil 59 zum unteren Ende der Verdampfungspassagen 55 zurückgeführt. Ein anderer Teil wird über die Spülleitung 61 kontinuierlich oder diskontinuierlich verworfen.
Der Anlage kann Kälte zum Ausgleich der Isolationsverluste zugeführt werden, indem über Leitung 6 flüssiger Stickstoff und/oder über Leitung 10 ein verflüssigtes Gemisch von Luftgasen und/oder flüssiger Sauerstoff in die Trennsäule 3 und/oder in die Verdampfungspassagen 55 des Kondensator-Verdampfer-Abschnitts 52 eingespeist wird. In dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 wird auf eine interne Kälteerzeugung mittels arbeitsleistender Entspannung einer Turbine vollständig verzichtet.
Alternativ kann die Verfahrenskälte ganz oder teilweise durch arbeitsleistende Entspannung eines Prozeßgases gewonnen werden, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Dazu wird ein Teil 201 des bei der Verdampfung 55 enstandenen Restgases bei einer Zwischentemperatur aus den Anwärmpassagen 57 des Hauptwärmetauscherabschnitts 51 entnommen und in einer Turbine 202 arbeitsleistend entspannt Das entspannte Restgas 203 wird wieder dem Hauptwärmetauscherabschnitt 51 zugeführt, und zwar in der Nähe seines kalten Endes. In den zusätzlichen Passagen 204 wird das entspannte Restgas schließlich auf Umgebungstemperatur angewärmt und abgeführt (205).
Der innere Aufbau des Wärmetauscherblocks 50 der beiden Ausführungsbeispiele ist aus Figur 3 ersichtlich. Der Zusammenhang mit Figur 1 wird unter anderem durch die Bezugszeichen deutlich, die in beiden Figuren gemeinsam verwendet werden. Figur 3 zeigt die drei Querschnitte A, B und C, aus denen der Wärmetauscherblock 50 aufgebaut ist:
  • Querschnitt A enthält oben eine Passage 303 zur Abkühlung von Einsatzluft 1 und unten eine Kondensationspassage 54.
  • B stellt oben eine Passage 53 zur Anwärmung von Stickstoff 4 dar.
  • C weist im unteren Bereich eine Verdampfungspassage 55 und oben eine Passage 57 zur Anwärmung von Restgas auf.
In dem Wärmetauscherblock sind gemäß der üblichen Bauweise von Plattenwärmetauschem mehrere Querschnitte des Typs A, B und C abwechselnd hintereinander (im Sinne der Zeichenebene von Figur 3) angeordnet. Alle Passagen des jeweiligen Typs kommunizieren an ihren oberen und unteren Enden über außen angebrachte Header. (In den Zeichnungen von Figur 3 sind jeweils nur die Header eingezeichnet, die mit dem dargestellten Querschnitt in Strömungsverbindung stehen.)
Die Darstellung von Figur 3 ist nicht maßstäblich. Die Höhe des Hauptwärmetauscherabschnitts 51 beträgt in Wirklichkeit beispielsweise 2 bis 5 m, vorzugsweise etwa 3,5 m; der Kondensatorabschnitt 52 ist beispielsweise 1 bis 2 m, vorzugsweise etwa 3,5 m hoch. Doppellinien bedeuten in Figur 3 Abschlußleisten (Sidebars), die eine dargestellte Passage seitlich, oben oder unten dicht abschließen. Die Vorzugsrichtung der innerhalb der Passagen angeordneten gewellten Bleche (Fins) ist jeweils durch ein Triplett kurzer Linien angedeutet.
Einsatzluft 1 strömt in den Header 301, der nur im linken Abschnitt von Figur 3 (Querschnitt A) dargestellt ist. Mittels der schräg angeordneten Fins 302 wird das eingeleitete Gas auf die gesamte Breite der Passage 303 verteilt. An ihrer Unterseite sind die Luftpassagen 303 durch zwei schräg angeordnete Sidebars 304 abgeschlossen. Die abgekühlte Luft wird über einen Header 305 entnommen und fließt über Leitung 2 zur Trennsäule. Auf der anderen Seite des doppelten Sidebars 304 wird über einen weiteren Header 306 Stickstoff aus der Gasleitung 4 in die Kondensationspassagen 54 eingeleitet. Das Kondensat wird am unteren Ende über einen Header 307 abgezogen und über die Rücklaufleitung 5 zum Kopf der Trennsäule geleitet.
Der mit den Kondensationspassagen von Querschnitt A verbundene Stickstoff-Header 306 ist auch im mittleren Abschnitt von Figur 3 dargestellt, der einen Querschnitt von Typ B zeigt. Der Header 306 kommunziert nämlich auch mit den dort dargestellten Passagen 53. Der Teil des über Leitung 4 herangeführten Stickstoffs, der nicht in die Kondensationspassagen 54 strömt, fließt in die Passagen 53 des Hauptwärmetauscherabschnitts ein und wird dort angewärmt. Das warme Stickstoffgas wird über einen Header 308 zur Produktleitung 62 geführt Die untere Fortsetzung 309 der Passagen 53, die Teil des Kondensator-Abschnitts ist, hat in dem Ausführungsbeispiel keine Funktion im Rahmen des Wärmeaustauschprozesses. Header 310 und Leitung 311 dienen lediglich zur Entlüftung des unteren Abschnitts der Passagen B.
Die Querschnitte C dienen ausschließlich zur Behandlung der sauerstoffangereicherten ("zweiten") Fraktion 9, die vom Sumpf der Trennsäule stammt. Diese wird als Zwei-Phasen-Gemisch über einen Anschlußstutzen 312 zentral in einen Header 313 eingeführt, der die gesamte Unterseite des Wärmetauscherblocks 50 überdeckt. Eine perforierte Platte 314 verläuft über den gesamten horizontalen Querschnitt des Headers 313. Sie dient zur Verteilung der in dem Zwei-Phasen-Gemisch enthaltenen Dampfblasen auf den gesamten horizontalen Querschnitt. Innerhalb der Verdampfungspassagen 55 steigt das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch durch den Thermosiphon-Effekt nach oben und tritt unterhalb des Sidebars 315 nach links beziehungsweise rechts in die beiden Header 56a, 56b aus, die als Phasentrenneinrichtung wirken. Der Dampfanteil strömt nach oben in den Hauptwärmetauscherabschnitt 52, genauer in die Fortsetzung 57 der Verdampfungspassagen 55 oberhalb des Sidebars 315. Das warme Gas wird über einen Header 318 zur Restgasleitung 63 abgezogen. Die verbleibende Flüssigkeit fließt in den Rohren 58a, 58b, welche die "zweite Flüssigkeitsleitung" bilden, nach unten und zum großen Teil über Stutzen 316a, 316b in den Header 313 zurück. Ein kleinerer Teil kann über die Stutzen 317a, 317b zu der in Figur 1 dargestellten Spülleitung fließen.
Konstruktiv interessant sind bei dem dargestellten Wärmetauscherblock insbesondere die folgenden Maßnahmen:
  • die symmetrische Konstruktion der Einführung der sauerstoffangereicherten Fraktion über Header 313 in die Verdampfungspassagen,
  • die symmetrische Entnahme des Flüssigkeits-Dampf-Gemischs unterhalb des Sidebars 315 zu den Headern 56a, 56b,
  • der Einsatz der perforierten Platte 314 zur Blasenverteilung und
  • die Einführung des Zwei-Phasen-Gemischs 7 oberhalb der Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsleitungen 58a, 58b (die Oberkante des zentralen Stutzens 312 liegt oberhalb der Oberkanten der seitlichen Stutzen 316a, 316b).
Jede dieser Maßnahmen bewirkt jeweils für sich eine besonders gleichmäßige Durchströmung der Verdampfungspassagen 55. Besonders vorteilhaft ist die gleichzeitige Anwendung mehrerer oder aller dieser Maßnahmen. Die gleichmäßige Durchströmung verbessert den Wärmeübergang und erhöht die Betriebssicherheit des Kondensatorabschnitts.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Zerlegung eines Gasgemischs bei niedriger Temperatur mit
    einer Trennsäule (3),
    mit einem Wärmetauscherblock (50), der einen Hauptwärmetauscherabschnitt (51) und einen Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (52) aufweist,
    wobei der Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (52) Verdampfungspassagen (55) und Kondensationspassagen (54) aufweist,
    mit einer ersten Einsatzgasleitung (1) zur Zuführung von Einsatzgas zum Hauptwärmetauscherabschnitt (51),
    mit einer zweiten Einsatzgasleitung (2), zur Einleitung von abgekühltem Einsatzgas in die Trennsäule (3),
    mit einer ersten Flüssigkeitsleitung (7, 9, 312), die vom unteren Bereich der Trennsäule (3) zum Eintritt der Verdampfungspassagen (55) führt,
    mit einer Gasleitung (4), die vom oberen Bereich der Trennsäule (3) zu den Kondensationspassagen (54) führt, und
    mit einer Rücklaufleitung (5) zur Einführung von in den Kondensationspassagen gebildetem Kondensat in den oberen Bereich der Trennsäule (3),
    gekennzeichnet durch
    eine Phasentrenneinrichtung (56, 56a, 56b), die mit dem Austritt der Verdampfungspassagen (55) verbunden ist, und durch
    eine zweite Flüssigkeitsleitung (58, 58a, 58b, 316a, 316b), die von der Phasentrenneinrichtung (56, 56a, 56b) zum Eintritt der Verdampfungspassagen (55) führt und außerdem mit einer Spülleitung (317a, 317b, 61) verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherblock (50) mindestens eine Gruppe von Passagen (53, 309) aufweist, die sich ohne Unterbrechung über Hauptwärmetauscherabschnitt (51) und Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (52) erstrecken.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherblock (50) mindestens eine Gruppe von Passagen (54, 303, 55,57) aufweist, die zwischen Hauptwärmetauscherabschnitt (51) und Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (52) unterbrochen sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasentrenneinrichtung durch ein Paar (56a, 56b) von seitlich angeordneten Headern gebildet wird.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeitsleitung (9, 312) zentral in eine Verteileinrichtung (313) einmündet, die insbesondere einen Blasenverteiler (314) aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitung (4) mit dem oberen Bereich der Kondensationspassagen (54) verbunden (306) ist.
  7. Verfahren zur Zerlegung eines Gasgemischs (1, 2) bei niedriger Temperatur, bei dem
    Einsatzgas (1) in einem Hauptwärmetauscherabschnitt (51) auf etwa Taupunkt abgekühlt und einer Trennsäule (3) zugeführt (2) wird,
    eine erste Fraktion (4) gasförmig aus dem oberen Bereich der Trennsäule (3) entnommen und in einem Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (52) kondensiert (54) wird,
    mindestens ein Teil des im Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (52) gebildeten Kondensats (5) in die Trennsäule (3) zurückgeleitet wird,
    ein zweite Fraktion (7, 9) flüssig aus dem unteren Bereich der Trennsäule (3) entnommen und in dem Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (52) gegen die kondensierende erste Fraktion (54) verdampft (55) wird,
    wobei der Hauptwärmetauscherabschnitt (51) und der Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (52) durch Teilabschnitte eines integrierten Wärmetauscherblocks (50) gebildet werden,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die zweite Fraktion (9) in dem Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (52) nur teilweise verdampft (55) wird,
    der flüssig verbliebene Anteil (58, 58a, 58b) von dem verdampften Anteil (57) der zweiten Fraktion stromabwärts der teilweisen Verdampfung (54) im Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (55) getrennt (56, 56a, 56b) und
    mindestens zu einem ersten Teil (316a, 316b) in den Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (52) zurückgeleitet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Teil (317a, 317b) des flüssig verbliebenen Anteils (58, 58a, 58b) der zweiten Fraktion als Spülflüssigkeit (61) abgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der verdampfte Anteil (57) der in dem Kondensator-Verdampfer-Abschnitt (52) teilweise verdampften zweiten Fraktion im Hauptwärmetauscherabschnitt (51) angewärmt wird.
  10. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur Tieftemperaturzerlegung von Luft.
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