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Die
Erfindung betrifft eine verfahrenstechnische Anlage zur Behandlung
eines Einsatzfluids mit zumindest einem Hauptwärmetauscher zur Abkühlung des
Einsatzfluids, einer Rektifikationskolonne, einer warmen Vorrichtung
zur Behandlung des Einsatzfluids vor dessen Abkühlung in dem Hauptwärmetauscher
und warmen Rohrleitungen, die die warme Vorrichtung mit dem Hauptwärmetauscher
verbinden, wobei die Anlage ein Anlagenmodul mit einem Rahmengestell
umfasst, welches zumindest einen warmen und zumindest einen kalten
Bauraum beinhaltet, wobei der kalte Bauraum mit einem Außenmantel
umgeben ist und eine thermische Isolierung aufweist. Ferner betrifft
die Erfindung ein Anlagenmodul zur Verwendung in einer solchen Anlage sowie
ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anlage.
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Die
für die
Herstellung einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage notwendigen
Bauteile werden je nach Größe einzeln
oder in Baugruppen zu der Baustelle transportiert, an der die Anlage
errichtet werden soll. Auf der Baustelle werden die Einzelteile bzw.
Baugruppen dann zusammengebaut, verrohrt, getestet und in Betrieb
genommen. Da die Bedingungen auf der Baustelle in der Regel ungünstiger
als in den heimischen Werkstätten
sind, wird ein möglichst hoher
Vorfertigungsgrad im Herstellerwerk angestrebt.
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Aus
der
EP 629 829 B1 ist
eine Luftzerlegungsanlage bekannt, die in die folgenden, transportablen
Module unterteilt ist: (A) der Luftverdichtersatz, (B) die Molsiebe,
(C) die "warmen" Zubehörteile stromab
des Verdichters, (D) den Hauptwärmetauscher
mit den "kalten" Zubehörteilen,
(E) die Destillationskolonne sowie (F) die Verbindungsrohre zwischen
diesen Modulen. In einer Variante werden die Module (C) und (D)
zu einer einzigen Baueinheit zusammengefasst. In dieser Schrift
wird weiter vorgeschlagen, die Bedienstände mit der Instrumentierung in
das jeweilige Modul zu integrieren.
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Zur
thermischen Isolierung werden die "kalten" Anlagenteile mit einer Einhausung,
der sogenannten Coldbox, versehen. Eine solche Coldbox besteht aus
einem Rahmengestell, welches mit einem Außenmantel verkleidet und mit
einem Wärmeisolator
gefüllt
oder anderweitig thermisch isoliert ist. Die Abmessungen der Coldbox
ergeben sich aus der Größe der zu
isolierenden Teile sowie der erforderlichen Dicke des Wärmeisolators.
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Die
DE 100 51 141 A1 befasst
sich mit der Vorfertigung einer Coldbox, deren Abmessungen das Transportmaß nicht überschreiten
sollen. Die Coldbox wird in zwei transportable Einheiten, ein Hauptteil und
ein Zusatzteil, unterteilt. Das Hauptteil umfasst verschiedene Kryo-Hauptelemente
der Tieftemperaturanordnung, das Zusatzteil zumindest ein Kryo-Zusatzelement.
Das Zusatzteil wird so mit dem Hauptteil verbunden, dass dieses
seitlich aus dem Hauptteil nach außen vorspringt. Die Außenabmessungen des
Coldboxmantels sind so kleiner im Vergleich zu einer rechteckförmigen Ausführung des
Außenmantels,
der für
eine Globalumfassung der gesamten Tieftemperaturanordnung einschließlich des Kryo-Zusatzelements
dimensioniert wäre.
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Eine
solche Coldbox-Ausführung
ist zwar hinsichtlich der Außenabmessungen
optimiert, weist aber hinsichtlich der Statik Nachteile auf. Bei
der Konstruktion sind neben den inneren Einwirkungen, wie dem Eigengewicht
des Außenmantels,
der Einbauten und des Wärmeisolators,
auch die äußeren Einwirkungen,
wie Wind und eventuelle Erdbeben, zu berücksichtigen. Aus der Coldbox
hervorspringende Teile können
aufgrund der asymmetrischen Ausführung
der Coldbox insoweit zu statischen Problemen führen.
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Aufgabe
vorliegender Erfindung ist es daher, eine verfahrenstechnische Anlage
der eingangs genannten Art sowie ein hierfür vorgesehenes Anlagenmodul
vorzuschlagen, die einen hohen Vorfertigungsgrad erlauben, die oben
genannten Probleme aber möglichst
vermeiden. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Anlage aufgezeigt werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
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Die
Erfindung soll im Folgenden beispielhaft anhand einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage näher erläutert werden.
Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf Luftzerlegungsanlagen beschränkt, sondern
ist ebenso bei anderen verfahrenstechnischen Anlagen anwendbar,
zum Beispiel Ammoniak-Gaswäschern
oder Anlagen zur Umsetzung von Synthesegas, die warme, nicht-kryogene
und kalte, kryogene Baugruppen aufweisen. Anstelle von Luft ist
dann in den folgenden Ausführungen
das entsprechende Einsatzfluid zu ersetzen. Die warme Vorrichtung
ist auch nicht auf eine Vorrichtung zur Luftreinigung beschränkt, sondern
kann ebenso eine andere Baugruppe sein, durch welche das Einsatzfluid
vor dessen Abkühlung
in dem Hauptwärmetauscher
umgesetzt, gereinigt, angereichert oder anderweitig verarbeitet
wird.
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Eine
Tieftemperaturluftzerlegungsanlage setzt sich aus warmen, d. h.
nicht kryogenen Einheiten sowie tiefkalten Baugruppen zusammen.
Die wesentlichen warmen Baugruppen dienen zur Verdichtung der Einsatzluft,
zur Luftvorkühlung
sowie zur Luftreinigung. Die verdichtete und gereinigte Luft wird
dann in einen Hauptwärmetauscher
geleitet, auf Verflüssigungstemperatur
abgekühlt
und einer Rektifikationskolonne zugeführt, in der die Zerlegung der Luft
durch Rektifikation stattfindet.
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Die
erfindungsgemäße Tieftemperaturluftzerlegungsanlage
umfasst ein Rahmengestell, welches einen warmen und einen kalten
Bauraum beinhaltet. Der kalte Bauraum ist als Coldbox ausgeführt, das
heißt,
er ist mit einem Außenmantel
umgeben und mit einer Isolierung versehen, um die in dem kalten
Bauraum befindlichen Anlagenteile thermisch zu isolieren. Vorzugsweise
wird hierzu der kalte Bauraum mit Perlite als Isoliermaterial gefüllt. In
dem kalten Bauraum sind erfindungsgemäß zumindest die Rektifikationskolonne
und der Hauptwärmetauscher angeordnet.
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Der
warme Bauraum beinhaltet zumindest einen Teil der warmen Rohrleitungen,
die zur Verbindung des Hauptwärmetauschers
mit der Luftreinigungsvorrichtung vorgesehen sind. Bevorzugt werden
mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 75%, ganz besonders bevorzugt
im Wesentlichen alle den warmen Rohrleitungen und/oder der Rektifikationskolonne
und/oder dem Hauptwärmetauscher zugeordneten
Zubehörteile,
wie Sicherheitseinrichtungen, Armaturen, Mess-, Regel-, Überwachungs- oder Bedieneinrichtungen
in dem warmen Bauraum angeordnet. Hier sind insbesondere Sicherheitsventile
und Mess- und Anzeigeeinrichtungen für Lufteintrittsmessungen zu
nennen.
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Durch
die Erfindung wird der mit der Errichtung der Tieftemperaturluftzerlegungsanlage
verbundene Aufwand deutlich gesenkt. Das erfindungsgemäße Anlagenmodul beinhaltet
vorzugsweise die Mehrzahl der den warmen Rohrleitungen zwischen Luftreinigungsvorrichtung
und Hauptwärmetauscher zugeordneten
Mess- und Bedieneinheiten. Die Luftreinigungsvorrichtung und das
Anlagenmodul können
so in einer besonders günstigen
Ausführungsform
durch einfache Rohrleitungen ohne Mess- und Regelarmaturen miteinander verbunden
werden.
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Teilweise
ist es nicht möglich,
alle den warmen Rohrleitungen und/oder der Rektifikationskolonne
und/oder dem Hauptwärmetauscher
zugeordneten Sicherheitseinrichtungen, Armaturen, Mess-, Regel-, Überwachungs-
oder Bedieneinrichtungen in dem warmen Bauraum anzuordnen. Zum einen
kann dies aufgrund der räumlichen
Verhältnisse
in dem warmen Bauraum nicht möglich
sein, zum anderen kann es beispielsweise aus verfahrenstechnischen Gründen vorteilhaft
sein, bestimmte Überwachungs- oder
Bedieneinrichtungen nicht in dem erfindungsgemäßen Anlagenmodul, sondern an
anderer Stelle unterzubringen. In jedem Fall ist es aber günstig, die Mehrzahl,
bevorzugt mehr als 75 %, besonders bevorzugt mehr als 90 % der den
warmen Rohrleitungen zugeordneten Zubehörteile in dem warmen Bauraum
vorzusehen.
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Zur
Luftreinigung kommt vorzugsweise eine Adsorberstation, beispielsweise
eine sogenannte Molekularsiebstation, zur Anwendung. Für einen
zuverlässigen
Betrieb der Molekularsiebe bzw. allgemein von Adsorbern ist es notwendig,
diese von Zeit zu Zeit mit einem geeigneten Regeneriergas zu regenerieren.
Für einen
unterbrechungsfreien Betrieb werden daher mindestens zwei Adsorber
benötigt, von
denen der eine mit den zu entfernenden Substanzen beladen wird,
während
der andere regeneriert wird.
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Die
Verrohrung der mindestens zwei Adsorber weist für jeden Adsorber eine Zu- und
eine Ableitung für
das zu reinigende Produktgas sowie eine Zu- und eine Ableitung für das Regeneriergas
auf. Zudem müssen
in den verschiedenen Rohrleitungen entsprechende Ventile angeordnet
werden, um die beiden Adsorber zwischen Beladungsbetrieb und dem
Regenerierbetrieb umschalten zu können. Gemäß der vorliegenden Erfindung
werden diese Ventile vorzugsweise in dem warmen Bauraum angeordnet.
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Je
nach Größe und Ausführung des
warmen Bauraums ist es günstig,
noch weitere Mess-, Regel-, Überwachungs-
oder Bedieneinrichtungen von nicht in dem Rahmengestell angeordneten
Modulen, beispielsweise Pumpenmodulen, in dem warmen Bauraum vorzusehen.
So hat es sich beispielsweise bewährt, die gesamte Verdrahtung
von den Armaturen bis zu den Schaltschränken für die Signalverarbeitung in
dem warmen Bauraum zu installieren.
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Die
Verbindung zwischen dem Anlagenmodul und den weiteren an dieses
anzuschließenden Modulen,
zum Beispiel der Luftreinigungsvorrichtung, wird wesentlich erleichtert,
wenn sich die Rohrleitungsanschlüsse
nach dem Aufstellen des Anlagenmoduls in einer Höhe von maximal fünf Meter
befinden. In diesem Fall kann der Anschluss der Rohrleitungen ohne
spezielles Gerüst
oder ohne speziellen Kran erfolgen.
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Neben
den genannten Zubehörteilen
ist es ferner günstig,
in dem warmen Bauraum Begehungseinrichtungen, wie Leitern und Bühnen, sowie
Befestigungsmöglichkeiten
für Anschlussverrohrungen vorzusehen.
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Das
die Coldbox beinhaltende Rahmengestell wird erfindungsgemäß nicht
hinsichtlich seiner maximalen Abmessungen optimiert, sondern größer ausgeführt als
für die
Einhausung der Rektifikationskolonne und des Hauptwärmetauschers
allein notwendig wäre.
Von Vorteil schließt
dabei das Rahmengestell einen quaderförmigen Raum ein. Auf diese Weise
wird ein Anlagenmodul geschaffen, das in kompakter Bauweise kalten
und warmen Bauraum kombiniert und eine einfache Statik aufweist.
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Der
kalte Bauraum weist häufig,
aber nicht zwingend, eine von der Quaderform abweichende Gestalt
auf, da neben der Rektifikationssäule und dem Hauptwärmetauscher
weitere Tieftemperaturelemente in dem kalten Bauraum untergebracht
werden sollen. In diesem Fall wird dennoch von Vorteil ein quaderförmiges Rahmengestell
vorgesehen, in dessen Inneren der kalte Bauraum angeordnet ist. Die
Räume,
die sich zwischen dem kalten Bauraum und den Begrenzungsflächen des
Rahmengestells befinden, werden als warme Bauräume genutzt, in denen neben
Teilen der Verrohrung noch weitere nicht zu isolierende Bauteile
der Anlage untergebracht werden können.
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In
den kalten Bauraum werden neben der Rektifikationskolonne und dem
Hauptwärmetauscher ein
Teil der kalten Verrohrung und gegebenenfalls weitere Tieftemperaturelemente
eingebracht. Der kalte Bauraum ist dann, wie oben bereits ausgeführt, in
der Regel nicht quaderförmig,
sondern wird verschiedene Vorsprünge
oder Einbuchtungen haben. Das Rahmengestell wird vorzugsweise so
ausgelegt, dass der kalte Bauraum genau in das Rahmengestell eingepasst
ist. Das heißt,
der kalte Bauraum stößt an jede
der sechs Begrenzungsflächen
des Quaders an, der durch das Rahmengestell definiert wird. Dadurch dass
das Rahmengestell im Gegensatz zu dem kalten Bauraum eine Quaderform
besitzt, entstehen innerhalb des durch das Rahmengestell begrenzten Raumes
Leerräume,
die als warmer Bauraum genutzt werden.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere für die Modularisierung von Tieftemperaturluftzerlegungsanlagen,
die für
die Verarbeitung von 3000 Nm3/h bis 20.000
Nm3/h Luft ausgelegt sind. Kleinere Luftzerlegungsanlagen
werden bereits in Containerbauweise ausgeführt. In der DE-OS 28 22 774
wird beispielsweise beschrieben, die Rektifikationskolonne, die
Molsiebstation, die Verdichtereinheit, die Elektroeinrichtungen
und den Bedienungsraum in jeweils einem Container unterzubringen
und diese an den Aufstellungsort zu transportieren. Zur Inbetriebnahme
müssen
nur noch die notwendigen Verbindungsleitungen untereinander angeschlossen
werden.
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Diese
Containerbauweise ist aber nur bei sehr kleinen Anlagen bis höchstens
3000 Nm3/h Luft anwendbar. Größere Anlagen
benötigen
Verdichter- und Adsorbereinheiten, die aufgrund ihrer Größe nicht
mehr in einen Container montiert werden können. Bei großen Anlagen,
die mehr als 20.000 Nm3/h Luft verarbeiten,
sind die einzelnen Baugruppen, wie zum Beispiel die Rektifizierkolonne,
bereits so groß, dass
diese nicht mehr transportabel sind und vor Ort montiert werden
müssen.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung von
kaltem und warmem Bauraum auf einem gemeinsamen Rahmengestell wird
es nunmehr möglich,
auch den Vorfertigungsgrad von Tieftemperaturluftzerlegungsanlagen
zur Verarbeitung von 3000 Nm3/h bis 20.000
Nm3/h Luft zu steigern. Die Abmessungen
des Rahmengestells werden so gewählt, dass
die maximal erlaubten Transportmaße nicht überschritten werden. Vorzugsweise
beträgt
die maximale Ausdehnung des Rahmengestells in zwei Raumrichtungen
jeweils nicht mehr als 4,5 m, bevorzugt nicht mehr als 4,2 m, besonders
bevorzugt nicht mehr als 3,5 m.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere für On-Site-Anlagen, da die erfindungsgemäßen Anlagenmodule
aufgrund ihrer kompakten Bauweise und einfachen Statik leicht umsetzbar
oder austauschbar sind, so dass Standortwechsel oder Anlagenerweiterungen
relativ schnell vorgenommen werden können. Durch die Aufnahme von
Teilen der warmen Verrohrung und insbesondere von den der warmen
Verrohrung zwischen Hauptwärmetauscher
und Luftreinigungsvorrichtung zugeordneten Armaturen und Instrumentierung
wird die Montage am Einsatzort wesentlich erleichtert. Der Vorfertigungsgrad
für die
gesamte Luftzerlegungsanlage wird sowohl hinsichtlich der Montage
als auch bezüglich
der Mechanik, Instrumentierung und Abwicklung gesteigert.
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Die
Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden
anhand von dem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Hierbei
zeigt
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1 ein erfindungsgemäßes Anlagenmodul,
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2 einen Schnitt durch 1 in der Ebene A-A und
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3 einen Schnitt durch 1 in der Ebene B-B.
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In
den Figuren ist ein erfindungsgemäßes Modul einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage
dargestellt. Das Modul umfasst ein Rahmengestell 1, das
im Herstellerwerk montiert und fertig lackiert wird. In dem Rahmengestell 1 ist
ein kalter Bauraum 2 vorgesehen, der als thermisch isolierte
Coldbox ausgeführt
ist. In dem kalten Bauraum 2 sind die Drucksäule 3,
die Niederdrucksäule 4 sowie
der Hauptkondensator der kryogenen Luftzerlegungsanlage angeordnet.
Ferner beinhaltet der kalte Bauraum 2 noch den Hauptwärmetauscher 5 sowie
die kalte Verrohrung 6.
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Der
kalte Bauraum 2 ist im Gegensatz zu dem Rahmengestell 1 nicht
quaderförmig
ausgeführt. Die
zwischen dem kalten Bauraum 2 und den Begrenzungen des
Rahmengestells 1 verbleibenden Räume werden als warmer Bauraum 7 genutzt.
Der warme Bauraum 7 ist offen gegen die Umgebung, das heißt, es ist
keine Ummantelung vorgesehen, die den warmen Bauraum 7 gegen
die Umgebung abgrenzt.
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In
dem warmen Bauraum befinden sich im Wesentlichen alle Armaturen
sowie Mess- und
Regeleinrichtungen, die der warmen Verrohrung zwischen dem Hauptwärmetauscher 5 und
den zur Luftreinigung eingesetzten Molekularsieben zugeordnet sind. Die
Molekularsiebe selbst sind nicht auf dem erfindungsgemäßen Anlagenmodul
angeordnet. Insbesondere werden in den warmen Bauraum 7 die
Regeneriergasklappen der Molekularsiebstation, die Messeinrichtungen
für die
Lufteintrittsmessungen sowie die Sicherheitsventile vorgesehen.
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In
den 2 und 3 sind entsprechende Regeleinrichtungen 8,
Anschlüsse 9 und
Messeinrichtungen 10 sowie die warme, d.h. thermisch nicht
isolierte Verrohrung 11 schematisch dargestellt. Ferner werden
in den warmen Bauraum 7 Leitern und sonstige Begehungseinrichtungen 13 sowie
elektrische Schaltschränke 12 aufgenommen.
In den Schaltschränken 12 werden
nicht nur die Signale der in dem warmen 7 und dem kalten
Bauraum 2 untergebrachten Mess- und Regelinstrumenten,
sondern auch Signale von anderen Modulen und Baugruppen der Luftzerlegungsanlage,
beispielsweise von anzubauenden Pumpenkästen, verarbeitet.
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Der
warme Bauraum 7 wird auch dazu genutzt, Sicherheitseinrichtungen 14,
wie zum Beispiel Ventile oder Sicherheitsklappen unterzubringen,
die den den kalten Bauraum 2 einhüllenden Blechmantel vor Überdruck
schützen.
Es hat sich ebenso bewährt, in
dem warmen Bauraum 7 Einfüllhilfen für das Isoliermaterial, insbesondere
Perlite, vorzusehen.
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Das
in den Figuren gezeigte Anlagenmodul wird im Herstellerwerk fertig
montiert, verrohrt und instrumentiert. Das Modul wird dann voll
ausgestattet zum Aufstellungsort transportiert und aufgestellt. Nach
dem Errichten des Anlagenmoduls kann die Molsiebstation durch einfache
Verbindungsrohre an das Anlagenmodul angeschlossen werden. Weitere standardisierte
Baugruppen der Luftzerlegungsanlage können ebenfalls problemlos angeschlossen
werden.