DE102007027073A1

DE102007027073A1 - Verfahren zur Abkühlung eines Luftstroms

Info

Publication number: DE102007027073A1
Application number: DE200710027073
Authority: DE
Inventors: Andreas Brox
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-12-18

Abstract

Das Verfahren dient zur Abkühlung eines Luftstroms. Der Luftstrom wird in einem Direktkontaktkühler in direkten Kontakt mit einem Kühlmedium gebracht. In einem ersten Betriebsmodus wird ein warmer Kühlmediumstrom aus dem Direktkontaktkühler abgezogen und auf einen Verdunstungskühler aufgegeben. Der warme Kühlmediumstrom wird in dem Verdunstungskühler in direkten Kontakt mit einem trockenen Gas gebracht. Ein erster kalter Kühlmediumstrom wird aus dem Verdunstungskühler abgezogen und auf den Direktkontaktkühler aufgegeben. In einem zweiten Betriebsmodus wird mindestens ein erster Teil des warmen Kühlmediumstroms nicht auf den Verdunstungskühler aufgegeben und mindestens ein erster Teil eines zweiten kalten Kühlmediumstroms, der nicht aus dem Verdunstungskühler stammt, wird auf den Direktkontaktkühler aufgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abkühlung eines Luftstroms gemäß dem Oberbegriff das Patentanspruchs 1.
Druckluft wird in vielen industriellen Bereichen benötigt, beispielsweise bei der Erzeugung von Stickstoff, Sauerstoff, Argon und/oder anderen Luftbestandteilen durch Luftzerlegung. Hierbei ist es in den meisten Fällen notwendig, die Verdichtungswärme aus der komprimierten Luft zu entfernen. Dies wird häufig durch direkten Kontakt mit einem Kühlmedium, zum Beispiel Kühlwasser, in einem Direktkontaktkühler bewerkstelligt.
Das Kühlmedium wird dabei häufig in einem Kreislauf geführt und innerhalb dieses Kreislaufs in einem Verdunstungskühler durch direkten Kontakt mit einem trockenen Gas abgekühlt. Bei Luftzerlegungsanlagen ist es üblich, ein Restgas aus der Zerlegung als trockenes Gas einzusetzen, zum Beispiel Stickstoff.
In bestimmten Anwendungsgebieten steht zu gewissen Zeiten nur eine reduzierte Menge an trockenem Gas zur Verfügung. Zum Beispiel kommt es bei Luftzerlegungsanlagen vor, dass zeitweise eine erhöhte Menge an Stickstoffprodukt abgegeben werden muss. Die entsprechende Menge steht dann nicht für den Verdunstungskühler zur Verfügung. Die entsprechend fehlende Kälteleistung des Verdunstungskühlers wird bei den bisher bekannten Verfahren durch eine Kälteanlage ersetzt, in der Kühlmedium durch indirekten Wärmeaustausch abgekühlt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Investitionskosten besonders niedrig und/oder die Anlagenverfügbarkeit besonders hoch ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die Zuführung von externem kaltem Kühlmedium kann bei einem Defizit an trockenem Gas während des zweiten Betriebsmodus die fehlende Kälteleistung ersetzt werden, ohne dass eine eigene Kälteanlage eingesetzt wird. Dies verringert die Investitionskosten und erhöht die Verfügbarkeit der Anlage.
Es ist günstig, wenn in dem zweiten Betriebsmodus ein zweiter Teil des zweiten kalten Kühlmediumstroms auf den Verdunstungskühler aufgegeben wird. Der Verdunstungskühler wird teilweise oder ausschließlich mit diesem Teil des zweiten kalten Kühlmittelstroms betrieben.
In dem zweiten Betriebsmodus kann entweder einen geringere Menge des warmen Kühlmediumstroms als in dem ersten Betriebsmodus oder gar kein warmer Kühlmediumstrom auf den Verdunstungskühler aufgegeben werden.
Der erste Teil des warmen Kühlmediumstroms (der unter Umständen den gesamten warmen Kühlmediumstrom darstellt) kann in dem zweiten Betriebsmodus verworfen werden. Alternativ oder zusätzlich wird in dem zweiten Betriebsmodus der erste Teil des warmen Kühlmediumstroms einem externen Kältesystem zugeführt, in dem er abgekühlt wird. Dabei handelt es sich um ein Kältesystem, das von dem Verdunstungskühler unabhängig ist und beispielsweise benachbarte Anlagenteile mit Kühlmedium versorgt, beispielsweise ein großes Kühlwassersystem.
Es ist ferner günstig, wenn in dem zweiten Betriebsmodus der zweite kalte Kühlmediumstrom mindestens teilweise durch Frischwasser gebildet wird.
Alternativ oder zusätzlich wird in dem zweiten Betriebsmodus der zweite kalte Kühlmediumstrom mindestens teilweise aus einem externen Kältesystem entnommen wird. Bei dem externen Kältesystem handelt es sich beispielsweise um dasselbe, in das nach einer oben beschriebenen Ausführungsvariante der erste Teil des warmen Kühlmittelstroms eingeleitet wird.
Vorzugsweise wird in dem zweiten Betriebsmodus der zweite kalte Kühlmediumstrom dem Direktkontaktkühler an einer Zwischenstelle zugeführt, die unterhalb der Stelle angeordnet ist, an der im ersten Betriebsmodus der erste kalte Kühlmediumstrom aufgegeben wird. Hierdurch muss der Direktkontaktkühler gegebenenfalls mit einem zusätzlichen Stoffaustauschabschnitt ausgestattet werden. Die Kosten hierfür sind jedoch geringer als die einer Kälteanlage.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in einer Tieftemperaturanlage zur Kühlung der Einsatzluft stromabwärts des Hauptluftverdichters angewendet. Die Luftzerlegungsanlage kann mehrsträngig sein, wobei mindestens ein Strang, vorzugsweise alle Stränge mit je einem erfindungsgemäßen Kühlsystem betrieben werden.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Atmosphärische Luft 1 wird über ein Filter 2 zu einem Verdichter 3 geführt und dort auf einen Druck von beispielsweise 5 bis 23 bar, vorzugsweise 5 bis 9 bar verdichtet. Die heiße verdichtete Luft wird anschließend durch indirektem Wärmeaustausch in einem Nachkühler 4 auf 20 bis 60°C, vorzugsweise etwa 45°C abgekühlt. Der Nachkühler wird mit Kühlwasser einer Temperatur von 25 bis 70°C, vorzugsweise etwa 32°C betrieben. Die warme Luft 24 wird in den unteren Bereich eines Direktkontaktkühlers 5 eingeleitet. Am Kopf des Direktkontaktkühlers wird ein abgekühlter Luftstrom 6 abgezogen und als Einsatzluft einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage zugeführt.
Innerhalb des Direktkontaktkühlers sind zwei Stoffaustauschabschnitte angeordnet, die durch ungeordnete Füllkörper oder geordnete Packung gebildet werden. Der Direktkontaktkühler wird mit Kühlwasser ("erster kalte Kühlmediumstrom" 9, "zweiter kalter Kühlmediumstrom" 10) als Kühlmedium betrieben.
Im Normalbetrieb des Systems, dem "ersten Betriebsmodus", wird das Kühlwasser in einem geschlossenen Kreislauf geführt, indem das Ventil 11 geöffnet ist und die Ventile 12, 12a und 13 geschlossen sind. Unter "geschlossenem Kreislauf" wird hier ein System verstanden, in dem das Kühlmedium im Wesentlichen im Kreis geführt wird; die Abfuhr eines kleinen Teils des Kühlmediums nach außen (Abschlämmung) und die Zufuhr einer entsprechenden Menge des Kühlmediums von außen (Make-up) – beides in der Zeichnung nicht dargestellt – ist dabei nicht ausgeschlossen. In dem Kreislauf wird kaltes Kühlwasser 9 mit einer Temperatur von beispielsweise 5 bis 25°C, vorzugsweise etwa 12°C auf den Direktkontaktkühler 5 aufgegeben, durchströmt beide Abschnitte 7, 8 im Gegenstrom zu der abzukühlenden Luft und wärmt sich dabei auf. Warmes Kühlwasser wird mit einer Temperatur von beispielsweise 15 bis 55°C, vorzugsweise etwa 40°C am Sumpf des Direktkontaktkühlers über Leitung 14 abgezogen. Es strömt durch das geöffnete Ventil 11 und weiter über die Leitungen 15 und 16 zum Kopf eines Verdunstungskühlers 17. Die Leitung 10 wird im Normalbetrieb nicht durchströmt.
Der Verdunstungskühler 17 weist einen Stoffaustauschabschnitt 18 auf, der durch eine Schüttung aus ungeordneten Füllkörpern oder durch eine geordnete Packung gebildet wird. Dort tritt das über Leitung 16 eingespeiste Kühlwasser in Gegenstrom-Wärmeaustausch mit einem trockenen Gas 19, das in den unteren Bereich des Verdunstungskühlers eingeleitet wird, und kühlt sich dabei ab. In dem Beispiel wird das trockene Gas 19 durch Stickstoff auf der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage gebildet. Kaltes Kühlwasser 20 vom Sumpf des Verdunstungskühlers 17 wird mittels einer ersten Pumpe 21 über Leitung 9 wieder zum Kopf des Direktkontaktkühlers 5 gefördert.
Während bestimmter Betriebsphasen steht nur eine geringere Menge Stickstoffs für den Verdunstungskühler zur Verfügung. Zu diesen Zeiten wird das System in einem "zweiten Betriebsmodus" betrieben, der im Folgenden beschrieben wird.
Das System wird im zweiten Betriebsmodus nicht als Kreislauf betrieben. Stattdessen wird das Ventil 11 geschlossen und die Ventile 12, 12a und 13 werden geöffnet. Kühlwasser 22 aus einer externen Quelle außerhalb des dargestellten Systems und außerhalb der Luftzerlegungsanlage wird im mittels einer zweiten Pumpe 23 in die Leitungen 10 und 16 gepumpt. Seine Temperatur beträgt 15 bis 45°C, vorzugsweise etwa 28°C. Ein erster Teil wird über Leitung 10 dem Direktkontaktkühler an einer Zwischenstelle zwischen den beiden Abschnitten 7, 8 zugeführt. Ein zweiter Teil des externen Kühlwassers 22 wird über Leitung 16 auf den Kopf des Verdunstungskühlers aufgegeben und wird dort in direktem Kontakt zu dem trockenen Gas 19 abgekühlt. Die Wassertemperatur im Sumpf des Verdunstungskühlers beträgt 5 bis 25°C, vorzugsweise etwa 15°C. Das kalte Kühlwasser 20 wird wie im ersten Betriebsmodus von der Pumpe 21 zum Kopf des Direktkontaktkühlers gefördert. Das warme Kühlwasser 14 weist eine Temperatur von 15 bis 55°C, vorzugsweise etwa 38°C auf und wird in dem zweiten Betriebsmodus über Leitung 24 abgeführt.
Das externe Kühlwasser 22 kann durch Frischwasser gebildet werden. In diesem Fall wird das warme Kühlwasser 24 als Brauchwasser genutzt oder verworfen.
Alternativ oder zusätzlich wird in dem zweiten Betriebsmodus der zweite kalte Kühlmediumstrom 22 mindestens teilweise aus einem externen Kältesystem entnommen. Bei dem externen Kältesystem handelt es sich beispielsweise um ein großes Kühlwassersystem, das benachbarte Anlagen mit Kühlwasser einer Temperatur versorgt, die höher als die Kühlwassertemperatur ist, die für den Direktkontaktkühler benötigt wird. In diesem Fall wird der warme Kühlwasserstrom 24 vollständig oder teilweise in dieses externe Kältesystem zurückgeführt.

Claims

Verfahren zur Abkühlung eines Luftstroms, bei dem – der Luftstrom in einem Direktkontaktkühler in direkten Kontakt mit einem Kühlmedium gebracht wird, – in einem ersten Betriebsmodus ein warmer Kühlmediumstrom aus dem Direktkontaktkühler abgezogen und auf einen Verdunstungskühler aufgegeben wird, – der warme Kühlmediumstrom in dem Verdunstungskühler in direkten Kontakt mit einem trockenen Gas gebracht wird und – ein erster kalter Kühlmediumstrom aus dem Verdunstungskühler abgezogen und auf den Direktkontaktkühler aufgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebsmodus – mindestens ein erster Teil des warmen Kühlmediumstroms nicht auf den Verdunstungskühler aufgegeben wird und – mindestens ein erster Teil eines zweiten kalten Kühlmediumstroms, der nicht aus dem Verdunstungskühler stammt, auf den Direktkontaktkühler aufgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus ein zweiter Teil des zweiten kalten Kühlmediumstroms auf den Verdunstungskühler aufgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus eine geringere Menge des warmen Kühlmediumstroms als in dem ersten Betriebsmodus oder kein warmer Kühlmediumstrom auf den Verdunstungskühler aufgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus der erste Teil des warmen Kühlmediumstroms einem externen Kältesystem zugeführt wird, in dem er abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus der zweite kalte Kühlmediumstrom mindestens teilweise durch Frischwasser gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus der zweite kalte Kühlmediumstrom mindestens teilweise aus einem externen Kältesystem entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus der zweite kalte Kühlmediumstrom dem Direktkontaktkühler an einer Zwischenstelle zugeführt wird, die unterhalb der Stelle angeordnet ist, an der im ersten Betriebsmodus der erste kalte Kühlmediumstrom aufgegeben wird.