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EP1283401A1 - Mehrstöckiger Kondensator-Verdampfer - Google Patents

Mehrstöckiger Kondensator-Verdampfer Download PDF

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Publication number
EP1283401A1
EP1283401A1 EP01122110A EP01122110A EP1283401A1 EP 1283401 A1 EP1283401 A1 EP 1283401A1 EP 01122110 A EP01122110 A EP 01122110A EP 01122110 A EP01122110 A EP 01122110A EP 1283401 A1 EP1283401 A1 EP 1283401A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
passages
evaporation
evaporation passages
circulation
condenser
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.)
Withdrawn
Application number
EP01122110A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Rohde
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
Priority to DE10137103A priority Critical patent/DE10137103A1/de
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP01122110A priority patent/EP1283401A1/de
Priority to PCT/EP2002/007517 priority patent/WO2003012352A2/de
Publication of EP1283401A1 publication Critical patent/EP1283401A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • F25J5/005—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger in a reboiler-condenser, e.g. within a column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/10—Boiler-condenser with superposed stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/20—Boiler-condenser with multiple exchanger cores in parallel or with multiple re-boiling or condensing streams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • 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 circulating capacitor with a capacitor block, the Liquefaction passages for a heating medium and at least one circulation section with evaporation passages for a liquid, the Inlet opening and the outlet opening of each evaporation passage opposite sides of the capacitor block and where the Inlet openings of all evaporation passages of the circulation section below the Outlet openings of the evaporation passages of the circulation section are arranged are.
  • the main condenser is manufactured almost exclusively as a plate heat exchanger and designed as a falling film evaporator or as a circulation condenser.
  • a Circulating condenser stands the condenser block in the liquid bath from which Liquid should be evaporated.
  • the liquid enters from below Evaporation passages of the condenser block and is partially against that heating medium flowing through the liquefaction passages evaporates.
  • the density of the medium evaporating in the evaporation passages is less than the density of the surrounding liquid bath, which creates a siphon effect, so that Liquid flows from the liquid bath into the evaporation passages.
  • Liquid oxygen is evaporated in the main condenser of an air separation plant. It is important to ensure that the evaporation passages of the Condenser blocks flowing in liquid oxygen evaporates only to a fraction becomes. This prevents possible liquid oxygen existing interfering impurities are enriched. So be for example, only about 10% of those flowing into the evaporation passages Amount of liquid oxygen evaporates and 90% as liquid from the Outlet openings of the evaporation passages back to the inlet openings of the Evaporation passages promoted.
  • the part of the capacitor block in which such Circulation of liquid is achieved hereinafter referred to as the circulation section designated.
  • the Efficiency of a circulation condenser can, however, by dividing the Capacitor blocks increased in several circulation sections arranged one above the other become.
  • the advantage of such an arrangement is that the immersion depth of the individual circulation sections is in each case less than a single high one Capacitor bank.
  • the hydrostatic pressure in the Evaporation passages are reduced and the liquid can evaporate more easily.
  • the object of the present invention is therefore to provide a circulation condenser develop in which the evaporation passages are as uniform as possible Evaporation of the liquid is achieved and with as little as possible constructive effort.
  • This task is performed by a circulation capacitor of the type mentioned solved, are provided in the first and second evaporation passages and themselves the inlet openings of the first evaporation passages and the outlet openings the second evaporation passages on the same side of the condenser block are located.
  • the liquid enters the first evaporation passages from below , flows upwards in the evaporation passages, partially evaporates and leaves the first evaporation passages on the opposite side of the Capacitor block.
  • the liquid portion of the from the first evaporation passages escaping liquid-gas mixture flows to those on the same side as that Outlet openings of the first evaporation passages arranged inlet openings the second evaporation passages.
  • the liquid then flows through the second Evaporation passages back to the side of the condenser block where the Entry openings are located in the first evaporation passages. During the Flow through the second evaporation passages again becomes part of the Liquid evaporates.
  • the liquid is by means of the first and second Evaporation passages between two opposite sides of the Condenser blocks back and forth conveyed and increasingly evaporated.
  • Elaborate constructions such as return pipes or return channels for the liquid are therefore no longer necessary.
  • the evaporation passages are designed so that there are all inlet openings a circulation section below the outlet openings of this circulation section are located. In this way, one can in front of the inlet openings Liquid level should be chosen so that the liquid can flow in through the inlet openings all evaporation passages occur, but the outlet openings end in the gas space. This has the advantage that the ascending in the evaporation passages Liquid-gas mixture in all evaporation passages the same back pressure experiences, which in turn different circulation rates in the individual Evaporation passages are avoided.
  • liquid level in front of the inlet openings is chosen to be high enough that the static pressure at the individual inlet openings decreases by less than 20%, preferably less than 10%, particularly preferably less than 5%, so circulation rates are almost the same through all evaporation passages.
  • All of the first and / or all of the second evaporation passages are preferably one Orbital section of the same length. Most preferably all Evaporation passages of a circulation section of the same length. In this way the circulation rate is the same in all evaporation passages, i.e. in every Evaporation passage presents the same ratio of non-evaporated liquid amount of gas evaporated. As a result, the liquid to be evaporated is always well mixed and any impurities do not accumulate in the liquid on.
  • a circulation section has the same number of first ones like second evaporation passages. It is also beneficial if everyone Evaporation passages have the same cross section. By this measure it ensures that just as much fluid flows through the first Evaporation passages as promoted by the second evaporation passages.
  • the circulation condenser according to the invention is particularly suitable as Main condenser of a cryogenic air separation plant.
  • a circulation section of a circulation condenser is shown schematically, the main capacitor of a double column in one Cryogenic air separation plant is used to evaporate oxygen.
  • the circulation condenser has a multiplicity of arranged in parallel Heat exchange passages in which gaseous nitrogen in the indirect Heat exchange with liquid oxygen is condensed, the oxygen evaporated.
  • the liquefaction passages for the nitrogen extend from top to bottom over the entire height of the circulation condenser.
  • the liquefaction passages for the nitrogen extend from top to bottom over the entire height of the circulation condenser.
  • evaporation passages 1, 11 are two different types of evaporation passages 1, 11 provided.
  • the limitations are the first Evaporation passages 1 with solid lines that the second Evaporation passages 11 shown with dashed lines.
  • the first evaporation passages 1 have at the lower left end of the circulation section their entry openings 2 and on the right upper end of their outlet openings 3.
  • the second evaporation passages 11 run opposite from bottom right to top left.
  • the single ones Evaporation passages 1, 11 run from the respective inlet opening 2, 12 first horizontally, then vertically upwards and finally horizontally the outlet openings 3, 13. This design ensures that all Evaporation passages each have the same length.
  • Figure 2 shows the view of the side labeled "A" in Figure 1 Circulation section.
  • the liquefaction passages 4 for the nitrogen and the Evaporation passages 1, 11 for the oxygen alternate to one if possible to achieve good heat exchange between the nitrogen and the oxygen.
  • the first evaporation passages 1 are located in one half of the Circulation section, the second evaporation passages 11 in the other half.
  • the inlet openings 2 of the first are in the right half of FIG Evaporation passages 1 and in the left half of FIG. 2 the outlet openings 13 of the second evaporation passages 11.
  • FIG. 1 An alternative arrangement of the evaporation passages 1, 11 is shown in FIG.
  • the evaporation passages 1, 11 alternate with the Liquefaction passages 4 from.
  • the first evaporation passages 1 and the second Evaporation passages 11 arranged alternately, with one first evaporation passage 1 and a second evaporation passage 11 each a liquefaction passage 4 is located.
  • FIG. 4 shows a section through a circulation condenser according to the invention, the as the main condenser of a double column in a cryogenic air separation plant is used.
  • the circulation condenser consists of four superimposed ones Circulation sections 100, 200, 300, 400.
  • inlet and outlet openings e.g. 402, 403, 412, 413, provided sides of each circulation section 100, 200, 300, 400 liquid containers 120, 220, 320, 420 are respectively attached.
  • the overflow line 21 has an entry opening at the level of each circulation section 100, 200, 300, 400 122, 222, 322, 422, so that at a certain level in the respective Liquid container 120, 220, 320, 420 liquid enters the overflow pipe 21 and in the liquid container 120, 220, 320 of the underlying circulation section 100, 200, 300 is passed.
  • the inlet openings 122, 222, 322, 422 in the overflow line 21 are on one provided that the maximum fill level in the Liquid containers 120, 220, 320, 420 between 50 and 90%, preferably between 60 and 80% of the height of the respective circulation section 100, 200, 300, 400 lies.
  • the inlet openings 122, 222, 322, 422 are particularly preferred Overflow line 21 attached so that the maximum liquid level in the Liquid containers 120, 220, 320, 420 below the outlet openings 3, 13 located.
  • the inventive arrangement of all inlet openings 2, 12 below the Outlet openings 3, 13 of the respective circulation section can be a liquid level can be selected in the liquid containers 120, 220, 320, 420, which is between the top inlet opening 2, 12 and the bottom outlet opening 3, 13. So will ensures that all evaporation passages 1, 11 at their entrance 2, 12 in Liquid and at their outlet 3, 13 are in the gas space.
  • the back pressure on Outlet end 3, 13 is therefore the same for all evaporation passages 1, 11, so that in an approximately the same circulation rate is achieved in all evaporation passages 1, 11.
  • the liquid containers 120, 220, 320, 420 are also two Gas collecting lines 23 penetrates, so that the evaporation in the Evaporation passages 1, 11 emerging and into the liquid containers 120, 220, 320, 420 flowing oxygen gas from the liquid containers 120, 220, 320, 420 can be withdrawn via the gas manifold 23.
  • FIG. 5 the arrangement of the gas manifolds 23 and the overflow pipe 22 in the top view.
  • the first and second evaporation passages 1, 11 are in each circulation section 100, 200, 300, 400 as explained above with reference to FIG. 2, arranged.
  • the first are in the illustration according to FIG Evaporation passages 1 in the lower half of the drawing, the second Evaporation passages 11 in the upper half of the drawing. Accordingly, by the first evaporation passages 1 liquid from left to right and through the second evaporation passages 11 transported from right to left.
  • the gas manifolds 23 are arranged so that they are not in front of the Exit openings of the evaporation passages 1, 11 are located. Through the side Displacement of the gas manifolds 23 with respect to the outlet openings 3, 13 of the Evaporation passages 1, 11 becomes the evaporation passages 1, 11 escaping gas-liquid mixture is first deflected, the Flow rate of the gaseous oxygen reduced and more gaseous is separated from liquid oxygen. An entrainment of liquid oxygen in the Gas manifold 23 is largely avoided.
  • the entire liquid is always in a circulation section 100, 200, 300, 400 one side to the other side of the circulation section 100, 200, 300, 400 and again promoted back and mixed optimally. It is therefore only on one side of the Condenser blocks a liquid overflow 21 necessary.
  • This overflow 21 will preferably arranged on the side of the capacitor block on which the Liquid oxygen 25 is supplied.
  • the nitrogen passages extend over the entire height of the Capacitor blocks, that is, over all circulation sections 100, 200, 300, 400.
  • the Gaseous nitrogen is supplied to the nitrogen passages via the feed line 26 and withdrawn as liquid at the lower end of the block via line 27.
  • the distribution of the gaseous nitrogen on the nitrogen passages takes place via a with the Capacitor block connected manifold 28.
  • FIGS Circulating capacitor shown.
  • This consists of four capacitor blocks 61, 62, 63, 64, which in turn each have four circulation sections 100, 200, 300, 400.
  • Two capacitor blocks 61, 62 and 63, 64 are arranged directly next to each other, so that the respective evaporation passages 1, 11 run parallel to one another.
  • the double blocks 61, 62 and 63, 64 which are formed in this way are Outlet openings 2, 3, 12, 13 opposite (see Figure 8).
  • the arrangement of the first and second evaporation passages 1, 11 again correspond to Figure 2.
  • Die Capacitor blocks 61 and 62 or 63 and 64 are arranged side by side so that their block halves provided with the first evaporation passages 1 contiguous.
  • the two double blocks 61, 62 and 63, 64 each have a common one Liquid container 20.
  • the middle between the capacitor blocks 61, 62, 63, 64 there is a common to all blocks for each circulation section 200, 300, 400 Liquid containers 30.
  • the outer liquid containers 20 collect only those circulating liquid that through the second evaporation passages 11 in the Liquid container 20 is passed and promote it over the first Evaporation passages 1 back into the central liquid container 30.
  • the Supply of the gas-liquid mixture emerging from the first evaporation passages 1 essentially in the middle of the liquid container 30.
  • the Gas manifolds 23 are therefore in the outer region of the liquid container 30 near the entry openings into the second evaporation passages 11 arranged. In these zones, the flow rate from the first evaporation passages 1 escaping gas-liquid mixture so far soothes that practically no liquid is entrained in the gas manifolds 23 becomes.
  • FIGS. 9 and 10 show an alternative arrangement of the evaporation passages 1, 11 with an arrangement of the capacitor blocks 61, 62, 63, 64 according to FIG. 6. Just as with the system according to FIGS. 6 to 8, this is where it starts Orbital section from the corresponding sections 100, 200, 300, 400 of the four Capacitor blocks 61, 62, 63, 64 together. In this case, however, not everyone owns of blocks 61, 62, 63, 64 first evaporation passages 1 and second Evaporation passages 11.
  • first evaporation passages 1 and Backflow through second evaporation passages 11 will not occur in each one Block 61, 62, 63, 64 realized, but in that the two neighboring Capacitor blocks 61, 62 and 63, 64, each rotated by 180 °, joined together become.
  • the evaporation passages of the condenser block 61 and 63 correspond the second evaporation passages 11 and the evaporation passages in the Condenser blocks 62 and 64 correspond to the first evaporation passages 1.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Umlaufkondensator mit einem Kondensatorblock, der Verflüssigungspassagen (4) für ein Heizmedium und mindestens einen Umlaufabschnitt (100, 200, 300, 400) mit Verdampfungspassagen (1, 11) für eine Flüssigkeit aufweist. Die Eintrittsöffnung (2, 12) und die Austrittsöffnung (3, 13) jeder Verdampfungspassage (1, 11) befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Kondensatorblocks, wobei die Eintrittsöffnungen (2, 12) aller Verdampfungspassagen (1, 11) des Umlaufabschnittes (100, 200, 300, 400) unterhalb der Austrittsöffnungen (3, 13) angeordnet sind. Femer sind erste und zweite Verdampfungspassagen (1, 11) vorgesehen, wobei sich die Eintrittsöffnungen (2) der ersten Verdampfungspassagen (1) und die Austrittsöffnungen (13) der zweiten Verdampfungspassagen (11) auf der gleichen Seite des Kondensatorblocks befinden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Umlaufkondensator mit einem Kondensatorblock, der Verflüssigungspassagen für ein Heizmedium und mindestens einen Umlaufabschnitt mit Verdampfungspassagen für eine Flüssigkeit aufweist, wobei sich die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung jeder Verdampfungspassage auf gegenüberliegenden Seiten des Kondensatorblocks befinden und wobei die Eintrittsöffnungen aller Verdampfungspassagen des Umlaufabschnittes unterhalb der Austrittsöffnungen der Verdampfungspassagen des Umlaufabschnittes angeordnet sind.
Bei einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit einer Drucksäule und einer Niederdrucksäule wird flüssiger Sauerstoff aus der Niederdrucksäule gegen gasförmigen Stickstoff aus der Drucksäule im indirekten Wärmeaustausch in einem Wärmetauscher verdampft, wobei der Stickstoff kondensiert. Ein derartiges Kondensator-Verdampfersystem wird in der Regel als Hauptkondensator bezeichnet.
Der Hauptkondensator wird fast ausschließlich als Plattenwärmetauscher gefertigt und als Fallfilmverdampfer oder als Umlaufkondensator ausgebildet. Bei einem Umlaufkondensator steht der Kondensatorblock in dem Flüssigkeitsbad, aus dem Flüssigkeit verdampft werden soll. Die Flüssigkeit tritt von unten in die Verdampfungspassagen des Kondensatorblocks ein und wird teilweise gegen das durch die Verflüssigungspassagen strömende Heizmedium verdampft. Die Dichte des in den Verdampfungspässagen verdampfenden Mediums ist geringer als die Dichte des umgebenden Flüssigkeitsbades, wodurch eine Siphonwirkung entsteht, so dass Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbad in die Verdampfungspassagen nachströmt.
Im Hauptkondensator einer Luftzerlegungsanlage wird flüssiger Sauerstoff verdampft. Hierbei ist darauf zu achten, dass der in die Verdampfungspassagen des Kondensatorblocks einströmende flüssige Sauerstoff nur zu einem Bruchteil verdampft wird. Dadurch wird verhindert, dass möglicherweise im flüssigen Sauerstoff vorhandene störende Verunreinigungen angereichert werden. So werden beispielsweise nur etwa 10 % der in die Verdampfungspassagen einströmenden Menge an flüssigen Sauerstoff verdampft und 90 % als Flüssigkeit von den Austrittsöffnungen der Verdampfungspassagen zurück zu den Eintrittsöffnungen der Verdampfungspassagen gefördert. Der Teil des Kondensatorblocks, in dem ein solcher Umlauf von Flüssigkeit erreicht wird, wird im Folgenden als Umlaufabschnitt bezeichnet.
Je größer die Eintauchtiefe des Kondensatorblockes eines Umlaufkondensators in dem Flüssigkeitsbad ist, desto höher wird der mittlere hydrostatische Druck in den Verdampfungspassagen und desto schlechter verdampft die Flüssigkeit, da die Siedetemperatur der Flüssigkeit entsprechend der Dampfdruckkurve ansteigt. Der Wirkungsgrad eines Umlaufkondensators kann aber durch Unterteilung des Kondensatorblocks in mehrere übereinander angeordnete Umlaufabschnitte erhöht werden. Der Vorteil einer derartigen Anordnung liegt darin, dass die Eintauchtiefe der einzelnen Umlaufabschnitte jeweils geringer ist als bei einem einzigen hohen Kondensatorblock. Damit wird der hydrostatische Druck in den Verdampfungspassagen geringer und die Flüssigkeit kann leichter verdampfen.
Aus der DE 199 39 294 ist ein mehrstöckiger Umlaufkondensator bekannt, bei dem sich die Eintrittsöffnungen und die Austrittsöffnungen der Verdampfungspassagen eines Umlaufabschnittes auf gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauscherblockes befinden. Auf diese Weise erreicht man in allen Verdampfungspassagen gleichlange Strömungswege für den zu verdampfenden flüssigen Sauerstoff. Dies hat den Vorteil, dass die Druckverluste und damit die Umlaufraten in allen Verdampfungspassagen gleich sind. Andererseits hat diese Anordnung aber den Nachteil, dass die umlaufende flüssige Sauerstoffmenge immer auf der den Eintrittsöffnungen gegenüberliegenden Seite des Kondensatorblocks austritt und über konstruktiv aufwändige Rohrleitungen oder Kanäle zu den Eintrittsöffnungen zurückgeleitet werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Umlaufkondensator zu entwickeln, bei dem in allen Verdampfungspassagen eine möglichst gleichmäßige Verdampfung der Flüssigkeit erzielt wird und der sich mit möglichst geringem konstruktiven Aufwand herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird durch einen Umlaufkondensator der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erste und zweite Verdampfungspassagen vorgesehen sind und sich die Eintrittsöffnungen der ersten Verdampfungspassagen und die Austrittsöffnungen der zweiten Verdampfungspassagen auf der gleichen Seite des Kondensatorblocks befinden.
Erfindungsgemäß tritt die Flüssigkeit von unten in die ersten Verdampfungspassagen ein, strömt in den Verdampfungspassagen nach oben, verdampft teilweise und verlässt die ersten Verdampfungspassagen auf der gegenüberliegenden Seite des Kondensatorblocks. Der Flüssiganteil des aus den ersten Verdampfungspassagen austretenden Flüssigkeits-Gas-Gemisch fließt zu den auf der selben Seite wie die Austrittsöffnungen der ersten Verdampfungspassagen angeordneten Eintrittsöffnungen der zweiten Verdampfungspassagen. Die Flüssigkeit strömt dann durch die zweiten Verdampfungspassagen zurück zu der Seite des Kondensatorblocks, auf der sich die Eintrittsöffnungen in die ersten Verdampfungspassagen befinden. Während des Durchströmens der zweiten Verdampfungspassagen wird wiederum ein Teil der Flüssigkeit verdampft.
Erfindungsgemäß wird die Flüssigkeit mittels der ersten und zweiten Verdampfungspassagen zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Kondensatorblocks hin und her gefördert und dabei zunehmend verdampft. Aufwendige Konstruktionen wie Rückführrohre oder Rückführkanäle für die Flüssigkeit sind daher nicht mehr erforderlich.
Die Verdampfungspassagen sind dabei so ausgeführt, dass sich alle Eintrittsöffnungen eines Umlaufabschnittes unterhalb der Austrittsöffnungen dieses Umlaufabschnittes befinden. Auf diese Weise kann vor den Eintrittsöffnungen ein solcher Flüssigkeitsstand gewählt werden, dass die Flüssigkeit über die Eintrittsöffnungen in alle Verdampfungspassagen eintritt, die Austrittsöffnungen aber im Gasraum enden. Dies hat den Vorteil, dass das in den Verdampfungspassagen aufsteigende Flüssigkeits-Gasgemisch in allen Verdampfungspassagen den gleichen Gegendruck erfährt, wodurch wiederum unterschiedliche Umlaufraten in den einzelnen Verdampfungspassagen vermieden werden.
Wird zudem der Flüssigkeitsstand vor den Eintrittsöffnungen so hoch gewählt, dass sich der statische Druck an den einzelnen Eintrittsöffnungen um weniger als 20%, bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% unterscheidet, so werden nahezu gleiche Umlaufraten durch alle Verdampfungspassagen erzielt.
Vorzugsweise sind alle ersten und/oder alle zweiten Verdampfungspassagen eines Umlaufabschnittes jeweils gleich lang. Besonders bevorzugt besitzen alle Verdampfungspassagen eines Umlaufabschnittes die gleiche Länge. Auf diese Weise ist die Umlaufrate in allen Verdampfungspassagen gleich, d.h. in jeder Verdampfungspassage stellt sich dasselbe Verhältnis von nicht verdampfter Flüssigkeit zu verdampfter Gasmenge ein. Dadurch wird die zu verdampfende Flüssigkeit immer gut durchmischt und eventuelle Verunreinigungen reichem sich nicht in der Flüssigkeit an.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Umlaufabschnitt genauso viele erste wie zweite Verdampfungspassagen auf. Zudem ist es vorteilhaft, wenn alle Verdampfungspassagen den gleichen Querschnitt besitzen. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass genauso viel Flüssigkeit durch die ersten Verdampfungspassagen wie durch die zweiten Verdampfungspassagen gefördert wird.
Der erfindungsgemäße Umlaufkondensator eignet sich insbesondere als Hauptkondensator einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von den in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1
die Verdampfungspassagen eines erfindungsgemäßen Umlaufabschnittes,
Figur 2
die Ansicht A von Figur 1,
Figur 3
die Ansicht A einer alternativen Ausführungsform von Figur 1,
Figur 4
einen Umlaufkondensator mit vier übereinander angeordneten Umlaufabschnitten,
Figur 5
die Draufsicht auf Figur 4,
Figur 6
ein Kondensatorverdampfersystem mit vier parallel angeordneten Kondensatorblöcken, die jeweils aus vier übereinander angeordneten Umlaufabschnitten bestehen,
Figur 7
ein Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 6,
Figur 8
die Draufsicht auf die Kondensatorblöcke gemäß Figur 6,
Figur 9
ein Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 6 mit einer alternativen Anordnung der Verdampfungspassagen und
Figur 10
die Draufsicht auf die Anordnung der Verdampfungspassagen gemäß Figur 9.
In Figur 1 ist schematisch ein Umlaufabschnitt eines Umlaufkondensators dargestellt, der als Hauptkondensator einer Doppelsäule in einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage zum Verdampfen von Sauerstoff eingesetzt wird. Der Umlaufkondensator besitzt eine Vielzahl von parallel angeordneten Wärmeaustauschpassagen, in denen gasförmiger Stickstoff im indirekten Wärmeaustausch mit flüssigem Sauerstoff kondensiert wird, wobei der Sauerstoff verdampft.
Die in Figur 1 nicht dargestellten Verflüssigungspassagen für den Stickstoff erstrecken sich von oben nach unten über die gesamte Höhe des Umlaufkondensators. Zur Führung des Sauerstoffs sind zwei verschiedene Typen von Verdampfungspassagen 1, 11 vorgesehen. In der Zeichnung sind die Begrenzungen der ersten Verdampfungspassagen 1 mit durchgezogenen Linien, die der zweiten Verdampfungspassagen 11 mit gestrichelten Linien dargestellt.
In der Darstellung gemäß Figur 1 besitzen die ersten Verdampfungspassagen 1 an der linken unteren Ende des Umlaufabschnitts ihre Eintrittsöffnungen 2 und am rechten oberen Ende ihre Austrittsöffnungen 3. Die zweiten Verdampfungspassagen 11 verlaufen entgegengesetzt von rechts unten nach links oben. Die einzelnen Verdampfungspassagen 1, 11 verlaufen ausgehend von der jeweiligen Eintrittsöffnung 2, 12 zunächst waagerecht, dann senkrecht nach oben und schließlich waagerecht zu den Austrittsöffnungen 3, 13. Durch diese Ausführung wird erreicht, dass alle Verdampfungspassagen jeweils die selbe Länge besitzen.
Figur 2 zeigt die Ansicht der in Figur 1 mit "A" bezeichneten Seite des Umlaufabschnittes. Die Verflüssigungspassagen 4 für den Stickstoff und die Verdampfungspassagen 1, 11 für den Sauerstoff wechseln sich ab, um einen möglichst guten Wärmeaustausch zwischen dem Stickstoff und dem Sauerstoff zu erzielen. Die ersten Verdampfungspassagen 1 befinden sich in der einen Hälfte des Umlaufabschnittes, die zweiten Verdampfungspassagen 11 in der anderen Hälfte. Entsprechend sind in der rechten Hälfte der Figur 2 die Eintrittsöffnungen 2 der ersten Verdampfungspassagen 1 und in der linken Hälfte der Figur 2 die Austrittsöffnungen 13 der zweiten Verdampfungspassagen 11 zu erkennen.
In Figur 3 ist eine alternative Anordnung der Verdampfungspassagen 1, 11 dargestellt. Die Verdampfungspassagen 1, 11 wechseln sich wiederum mit den Verflüssigungspassagen 4 ab. Im Unterschied zur Anordnung gemäß Figur 2 sind nunmehr aber auch die ersten Verdampfungspassagen 1 und die zweiten Verdampfungspassagen 11 abwechselnd angeordnet, wobei sich zwischen einer ersten Verdampfungspassage 1 und einer zweiten Verdampfungspassage 11 jeweils eine Verflüssigungspassage 4 befindet. Mit anderen Worten: In der Darstellung gemäß Figur 1 wiederholt sich in einer Richtung senkrecht zur Blattebene folgende Passagenanordnung mehrfach: eine Ebene mit Stickstoffpassagen 4, gefolgt von von links unten nach rechts oben verlaufenden ersten Verdampfungspassagen 1, gefolgt von einer weiteren Ebene mit Stickstoffpassagen, an welche sich schließlich von rechts unten nach links oben verlaufende zweite Verdampfungspassagen 11 anschließen.
Figur 4 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Umlaufkondensator, der als Hauptkondensator einer Doppelsäule einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage eingesetzt wird. Der Umlaufkondensator besteht aus vier übereinander angeordneten Umlaufabschnitten 100, 200, 300, 400. An den mit Ein- und Austrittsöffnungen, z.B. 402, 403, 412, 413, versehenen Seiten jedes Umlaufabschnittes 100, 200, 300, 400 sind jeweils Flüssigkeitsbehälter 120, 220, 320, 420 angebracht.
Auf einer Seite des Kondensatorblocks sind die Flüssigkeitsbehälter 120, 220, 320, 420 mittels einer Überlaufleitung 21 miteinander verbunden. Die Überlaufleitung 21 besitzt auf der Höhe jedes Umlaufabschnittes 100, 200, 300, 400 eine Eintrittsöffnung 122, 222, 322, 422, so dass bei einem bestimmten Füllstand in den jeweiligen Flüssigkeitsbehälter 120, 220, 320, 420 Flüssigkeit in das Überlaufrohr 21 eintritt und in den Flüssigkeitsbehälter 120, 220, 320 des darunter liegenden Umlaufabschnittes 100, 200, 300 geleitet wird.
Die Eintrittsöffnungen 122, 222, 322, 422 in die Überlaufleitung 21 sind auf einer solchen Höhe vorgesehen, dass im Betrieb der maximale Füllstand in den Flüssigkeitsbehältem 120, 220, 320, 420 zwischen 50 und 90 %, vorzugsweise zwischen 60 und 80 % der Höhe des jeweiligen Umlaufabschnittes 100, 200, 300, 400 liegt. Besonders bevorzugt sind die Eintrittsöffnungen 122, 222, 322, 422 in die Überlaufleitung 21 so angebracht, dass sich der maximale Flüssigkeitsstand in den Flüssigkeitsbehältem 120, 220, 320, 420 unterhalb der Austrittsöffnungen 3, 13 befindet.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung aller Eintrittsöffnungen 2, 12 unterhalb der Austrittsöffnungen 3, 13 des jeweiligen Umlaufabschnittes kann ein Flüssigkeitsstand in den Flüssigkeitsbehältern 120, 220, 320, 420 gewählt werden, der zwischen der obersten Eintrittsöffnung 2, 12 und der untersten Austrittsöffnung 3, 13 liegt. So wird sichergestellt, dass alle Verdampfungspassagen 1, 11 an ihrem Eintritt 2, 12 in Flüssigkeit und an ihrem Austritt 3, 13 im Gasraum liegen. Der Gegendruck am Austrittsende 3, 13 ist daher bei allen Verdampfungspassagen 1, 11 gleich, so dass in allen Verdampfungspassagen 1, 11 eine annähernd gleiche Umlaufrate erzielt wird.
Die Flüssigkeitsbehälter 120, 220, 320, 420 werden zudem von zwei Gassammelleitungen 23 durchsetzt, so dass das bei der Verdampfung in den Verdampfungspassagen 1, 11 entstehende und in die Flüssigkeitsbehälter 120, 220, 320, 420 strömende Sauerstoffgas aus den Flüssigkeitsbehältem 120, 220, 320, 420 über die Gassammelleitung 23 abgezogen werden kann.
In Figur 5 ist die Anordnung der Gassammelleitungen 23 und des Überlaufrohres 22 in der Draufsicht dargestellt. Die ersten und zweiten Verdampfungspassagen 1, 11 sind in jedem Umlaufabschnitt 100, 200, 300, 400 wie oben anhand von Figur 2 erläutert, angeordnet. In der Darstellung gemäß Figur 5 befinden sich die ersten Verdampfungspassagen 1 in der unteren Hälfte der Zeichnung, die zweiten Verdampfungspassagen 11 in der oberen Zeichnungshälfte. Entsprechend wird durch die ersten Verdampfungspassagen 1 Flüssigkeit von links nach rechts und durch die zweiten Verdampfungspassagen 11 von rechts nach links transportiert.
Die Gassammelleitungen 23 sind so angeordnet, dass sie sich gerade nicht vor den Austrittsöffnungen der Verdampfungspassagen 1, 11 befinden. Durch die seitliche Versetzung der Gassammelleitungen 23 gegenüber den Austrittsöffnungen 3, 13 der Verdampfungspassagen 1, 11 wird das aus den Verdampfungspassagen 1, 11 austretende Gas-Flüssigkeitsgemisch zunächst umgelenkt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Sauerstoffs abgesenkt und gasförmiger von flüssigem Sauerstoff getrennt wird. Ein Mitreißen von flüssigem Sauerstoff in die Gassammelleitung 23 wird weitgehend vermieden.
Die gesamte Flüssigkeit wird in einem Umlaufabschnitt 100, 200, 300, 400 immer von einer Seite auf die andere Seite des Umlaufabschnittes 100, 200, 300, 400 und wieder zurück gefördert und dabei optimal durchmischt. Es ist daher nur auf einer Seite des Kondensatorblocks ein Flüssigkeitsüberlauf 21 notwendig. Dieser Überlauf 21 wird vorzugsweise auf der Seite des Kondensatorblocks angeordnet, an der oben die Zufuhr 25 des flüssigen Sauerstoffs erfolgt.
Die nicht dargestellten Stickstoffpassagen erstrecken sich über die gesamte Höhe des Kondensatorblocks, das heißt über alle Umlaufabschnitte 100, 200, 300, 400. Der gasförmige Stickstoff wird über die Zuleitung 26 den Stickstoffpassagen zugeführt und als Flüssigkeit am unteren Ende des Blocks über Leitung 27 abgezogen. Die Verteilung des gasförmigen Stickstoffs auf die Stickstoffpassagen erfolgt über einen mit dem Kondensatorblock verbundenen Sammler / Verteiler 28.
In den Figuren 6 bis 8 ist einer weitere Variante des erfindungsgemäßen Umlaufkondensators dargestellt. Dieser besteht aus vier Kondensatorblöcken 61, 62, 63, 64, die wiederum jeweils aus vier Umlaufabschnitten 100, 200, 300, 400 aufweisen. Je zwei Kondensatorblöcke 61, 62 bzw. 63, 64 sind direkt nebeneinander angeordnet, so dass die jeweiligen Verdampfungspassagen 1, 11 parallel zueinander verlaufen. Die so entstehenden Doppelblöcke 61, 62 bzw. 63, 64 stehen sich mit ihren Ein- bzw. Austrittsöffnungen 2, 3, 12, 13 gegenüber (siehe Figur 8). Die Anordnung der ersten und zweiten Verdampfungspassagen 1, 11 entspricht wiederum Figur 2. Die Kondensatorblöcke 61 und 62 bzw. 63 und 64 werden so nebeneinander angeordnet, dass deren mit den ersten Verdampfungspassagen 1 versehenen Blockhälften aneinandergrenzen.
Die beiden Doppelblöcke 61, 62 bzw. 63, 64 besitzen jeweils einen gemeinsamen Flüssigkeitsbehälter 20. In der Mitte zwischen den Kondensatorblöcken 61, 62, 63, 64 befindet sich für jeden Umlaufabschnitt 200, 300, 400 ein allen Blöcken gemeinsamer Flüssigkeitsbehälter 30. Die äußeren Flüssigkeitsbehälter 20 sammeln lediglich die umlaufende Flüssigkeit, die durch die zweiten Verdampfungspassagen 11 in die Flüssigkeitsbehälter 20 geleitet wird und fördern sie über die ersten Verdampfungspassagen 1 wieder zurück in den zentralen Flüssigkeitsbehälter 30.
Aufgrund der beschriebenen Anordnung der Verdampfungspassagen 1, 11 erfolgt die Zufuhr des aus den ersten Verdampfungspassagen 1 austretenden Gas-Flüssigkeitsgemischs im Wesentlichen in der Mitte des Flüssigkeitsbehälters 30. Die Gassammelleitungen 23 werden daher im äußeren Bereich des Flüssigkeitsbehälters 30 in der Nähe der Eintrittsöffnungen in die zweiten Verdampfungspassagen 11 angeordnet. In diesen Zonen hat sich die Strömungsgeschwindigkeit des aus den ersten Verdampfungspassagen 1 austretenden Gas-Fiüssigkeitsgemisch soweit beruhigt, dass praktisch keine Flüssigkeit in die Gassammelleitungen 23 mitgerissen wird.
In den Figuren 9 und 10 ist eine alternative Anordnung der Verdampfungspassagen 1, 11 bei einer Anordnung der Kondensatorblöcke 61, 62, 63, 64 gemäß Figur 6 gezeigt. Ebenso wie bei dem System gemäß der Figuren 6 bis 8 setzt sich hier ein Umlaufabschnitt aus den entsprechenden Abschnitten 100, 200, 300, 400 der vier Kondensatorblöcke 61, 62, 63, 64 zusammen. In diesem Fall besitzt jedoch nicht jeder der Blöcke 61, 62, 63, 64 erste Verdampfungspassagen 1 und zweite Verdampfungspassagen 11.
Die erfindungsgemäße Strömung durch erste Verdampfungspassagen 1 und Rückströmung durch zweite Verdampfungspassagen 11 wird nicht in jedem einzelnen Block 61, 62, 63, 64 realisiert, sondern dadurch, dass die beiden benachbarten Kondensatorblöcke 61, 62 bzw. 63, 64, jeweils um 180 ° gedreht, zusammengefügt werden. Die Verdampfungspassagen des Kondensatorblocks 61 bzw. 63 entsprechen dabei den zweiten Verdampfungspassagen 11 und die Verdampfungspassagen in den Kondensatorblöcken 62 bzw. 64 entsprechen den ersten Verdampfungspassagen 1.

Claims (7)

  1. Umlaufkondensator mit einem Kondensatorblock, der Verflüssigungspassagen für ein Heizmedium und mindestens einen Umlaufabschnitt mit Verdampfungspassagen für eine Flüssigkeit aufweist, wobei sich die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung jeder Verdampfungspassage auf gegenüberliegenden Seiten des Kondensatorblocks befinden und wobei die Eintrittsöffnungen aller Verdampfungspassagen des Umlaufabschnittes unterhalb der Austrittsöffnungen der Verdampfungspassagen des Umlaufabschnittes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Verdampfungspassagen (1, 11) vorgesehen sind und sich die Eintrittsöffnungen (2) der ersten Verdampfungspassagen (1) und die Austrittsöffnungen (13) der zweiten Verdampfungspassagen (11) auf der gleichen Seite des Kondensatorblocks befinden.
  2. Umlaufkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle ersten Verdampfungspassagen (1) und / oder alle zweiten Verdampfungspassagen (11) gleich lang sind.
  3. Umlaufkondensator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlaufabschnitt (100, 200, 300, 400) genauso viele erste wie zweite Verdampfungspassagen (1, 11) aufweist.
  4. Umlaufkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle ersten und /oder alle zweiten Verdampfungspassagen (1, 11) denselben Querschnitt besitzen.
  5. Umlaufkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei ersten Verdampfungspassagen (1) keine zweite Verdampfungspassage (11) angeordnet ist
  6. Umlaufkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei ersten Verdampfungspassagen (1) genau eine zweite Verdampfungspassage (11) angeordnet ist.
  7. Verwendung eines Umlaufkondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Hauptkondensator einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage.
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