DE1949609B2 - Kondensatorverdampfer fuer einen doppelsaeulenrektifikator - Google Patents
Kondensatorverdampfer fuer einen doppelsaeulenrektifikatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kondensatorverdampfer für einen Doppelsäulenrektifikator zur Tieftemperatur-Gasgemisch-Zerlegung,
der zwischen einer Drucksäule und einer Niederdrucksäule angeordnet ist, mit in mehreren Etagen übereinander angeordneten Wärmetauscheinheiten, wobei eine mit allen Etagen verbundene
Leitung für das zu kondensierende Medium jeweils mit dem oberen Kondensationsteil der Wännetauscheinheiten
verbunden ist und eine Verbindungsleitung für das in jeder Etage kondensierte jeweils aus dem
unteren Kondensationsteil der Wärmetauscheinheiten abgeführte flüssige Medium zu weiteren Verwendungsstellen führt.
Bei bekannten Ausführungsformen von Kondensatorverdampfern (US-PS 32 56 704), die aus einer Mehrzahl
von Wärmeaustauscheinheiten in zwei übereinanderliegenden Etagen bestehen, ergeben sich außerordentlich
starke Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels mit der Folge starker Erhöhung der Verdampfungstemperatur
im unteren Teil des Sauerstoffbades bei steigendem Spiegel und dadurch weitgehender Stillegung der
Wärmeaustauscheinheiten der unteren Etage.
Außerdem bestand die Gefahr einer Anreicherung von Kohlenwasserstoffen im unteren Teil des Bades, die
zur Explosion des Badgemisches führen konnte.
Bei Anordnung der Wärmeaustauscheinheiten außerhalb der Säule ergeben sich aber erhebliche Zusatzinvestierungskosten
für die Abstützung der Niederdrucksäule und der Wärmeaustauscheinheiten.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, eine Kondensatorverdampferanordnung zu entwickeln, die
die Unterbringung größtmöglicher Wärmeaustauschflächen innerhalb des Kolonnenquerschnitts gestattet und
auch bei Belastungsschwankungen mit weitgehend konstantem optimalem Badflüssigkeitsspiegel arbeitet.
Außerdem soll eine über die Heizfläche möglichst gleichmäßig verteilte rasche und regelbare Abkühlung
der Apparatur beim Anfahren und ein entsprechendes Anwärmen bei Betriebsunterbrechungen möglich sein.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß zwischen den übereinander
angeordneten Wärmetauscheinheiten (8) geschlossene Böden (29) mit Überlaufrohren (30) für je ein Bad
flüssigen, zu verdampfenden Mediums angeordnet sind, wobei jeder Boden mit Ausnahme des untersten
mindestens ein Durchlaßstandrohr (32) für in den tieferen Etagen verdampftes Medium aufweist.
Dabei erfolgt die Anordnung eines solchen Kondensatorverdampfers zweckmäßig in der Weise, daß zur
Vermeidung einer Anreicherung des flüssigen zu verdampfenden Mediums in den einzelnen Etagen mit
unerwünschten oder gefährlichen Stoffen durch lokale Stagnation in Etagenböden über der untersten Etage
Spülbohrungen vorgesehen sind, die den direktenAblauf von 0,1 bis 1 % der je Zeiteinheit anfallenden Flüssigkeit
in die nächsttiefere Etage bewirken.
Dabei ist es vorteilhaft, daß die über der untersten Etage liegenden Etagenböden leicht geneigt ausgeführt
sind und die Spülbohrungen jeweils an den tiefsten Stellen angeordnet sind.
Dadurch wird vermieden, daß an einzelnen Stellen der Etagen sich eine Stagnation ergibt und dadurch eine
örtliche Anreicherung von unerwünschten Stoffen entsteht.
Für Luftzerlegungsanlagen, vor allem solche mit großen Durchsatzleistungen, ist es bei Doppelrektifikationssäulen
von besonderem Interesse, den in an sich bekannter Weise zwischen dem Kopf der Drucksäule
und dem Sumpf der Niederdrucksäule eingeschalteten Kondensatorverdampfer mit in mehreren Etagen
angeordneten Wärmeaustauscheinheiten vorzusehen,
bei denen das zu verdampfende Medium Sauerstoff und das zu kondensierende Medium Stickstoff ist, wobei die
Verbindungsleitung für flüssigen Stickstoff aus dem unteren Kondensationsteil der Wärmeaustauscheinheiten
zu einer Tauchtasse am Kopf der Drucksäule bzw. über ein Entspannungsventil zum Kopf der Niederdrucksäule
führt.
Zur Erzielung einer guten Durchmischung des Flüssigkeitsbades jeder Etage wird die Flüssigkeit
jeweils von unten abgezogen. Wenn genügend Platz zur Verfügung steht, sind um die Überlaufrohre der Etagen
über der untersten Etage mit Vorteil Überrohre größeren Durchmessers befestigt, deren Oberkante
über dem Flüssigkeitsspiegel und deren Unterkante knapp über dem Etagenboden liegt.
Der Kondensatorverdampfer ist dabei vorteilhaft derart angeordnet, daß die Druckgaszufuhrleitung als
alle Etagen durchsetzendes, vom Kopf der Drucksäule ausgehendes zentrales Steigrohr ausgebildet ist, an das
die in jeder Etage vorgesehenen Wärmeaustauscheinheiten sternförmig angeordnet angeschlossen sind.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es zur Erreichung eines hochkonzentrierten verdampften
gasförmigen Mediums, wie Sauerstoff bei Luftzerlegung, zweckmäßig, daß am Mantel der untersten Etage
für Wärmeaustauscheinheiten mindestens ein Abzugsstutzen für verdampftes gasförmiges Medium vorgesehen
ist.
Soll jedoch eine mit Krypton und Xenon angereicherte Fraktion zur Gewinnung mindestens eines dieser
Produkte in einer nachgeschalteten Anlage in reiner Form aus dem Sumpf der untersten Etage entnommen
werden, so ist erfindungsgemäß eine Anordnung von Vorteil, wonach am Mantel einer der oberen Etagen für
Wärmeaustauscheinheiten mindestens ein Abzugsstutzen für gasförmigen Sauerstoff und an der tiefsten Stelle
der untersten Etage ein Abzugsstutzen für mit Krypton und Xenon angereicherten flüssigen Sauerstoff vorgesehen
ist.
Einige besonders vorteilhafte Ausführungsformen dieser Erfindung sollen nun anhand der F i g. 1 bis 6
beispielsweise näher erläutert werden.
F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den mittleren Teil eines Doppelsäulenrektifikators zur Luftzerlegung,
in dem der Kondensatorverdampfer mit in mehreren Etagen übereinander angeordneten Wärmetauscheinheiten
eingebaut ist, wobei die oberste Etage einen Schnitt Ia nach der Linie Ia-Ia, die nächsttiefere Etage
einen Schnitt \b nach der Linie Ib—lb, die nächsttiefere
Etage einen Schnitt Ic nach der Linie Ic- Ic und die unterste Etage einen Schnitt \dnach der Linie ld- Id in
F i g. 2 darstellt.
F i g. 2 stellt den Grundriß einer Etage dar.
F i g. 3 zeigt einen Längsschnitt durch den mittleren Teil eines Doppelrektifikators einer Luftzerlegungsanlage
mit einer anderen Anordnung des Kondensatorverdampfers, wobei die oberste Etage einen Schnitt Ha
nach der Linie Ila—Ha, die nächsttiefere Etage einen
Schnitt Ub, /»'nach der Linie 116-116 und 116'- Wb', die
nächsttiefere Etage einen Schnitt lic nach der Linie
lic—lic und die unterste Etage einen Schnitt Hd nach
der Linie lld- lld'm F i g. 4 darstellt.
F i g. 4 ist der Grundriß einer Etage mit der Anordnung gemäß F i g. 3.
F i g. 5 ist ein schematischer Außriß mit Zusatzböden.
Fig.6 stellt ein auf das wesentliche vereinfachtes Verfahrensschema dar.
Auf dem Kopf der Drucksäule 1, die durch einen Kesselboden 2 oben abgeschlossen ist, ist die Niederdrucksäule
mit einem Kondensatorverdampfer in ihrem unteren Mantelteil 3 aufgebaut. Zur Unterbringung des
Kondensatorverdampfers in diesem Mantelquerschnitt ist dieser in vier Etagen 4 bis 7 übereinander in je eine
Mehrzahl von Wärmeaustauscheinheiten 8 aufgeteilt.
Gemäß F i g. 1 und 2 sind in jeder Etage sechs Plattenwärmeaustauscheinheiten 8 sternförmig an eine
zentrale Druckstickstoffsteigleitung 9 aus dem Kesselboden 2 des Drucksäulenkopfes angeschlossen.
Der obersten Etage läuft vom untersten Boden der Niederdrucksäule flüssiger Sauerstoff über eine auf dem
Kopf des Steigrohres befindliche Auffangtasse mit Überlauf entlang dem Steigrohr oder über ein
Tauchrohr zum Boden der obersten Etage zu.
Die oben und unten offenen Sauerstoffräume 10 der Wärmeaustauscheinheiten bestehen aus vertikalen
ebenen Blechen, zwischen denen ein Wellblech mit vertikalen Erzeugenden eingelötet ist. Zwischen diesen
Sauerstoffräumen sind mittels eingelöteter Wellbleche mit Vertikalen Erzeugenden Stickstoffräume 11 angeordnet,
die oben über einen Verteilerraum 12 und unten über einen Sammelraum 13 aus eingelöteten
Wellblechen mit jeweils perforierten horizontalen oder
schrägen Erzeugenden, sowie über Sammelrohre 14 und 15 und Verbindungsrohre 16 und 17 an die Druckstickstoffsteigleitung
9 angeschlossen sind. Die unteren Verbindungsrohre 17 führen dabei in einen im Steigrohr
9 durch ein eingeschweißtes oben und unten erweitertes Rohr 18 gebildeten Ringraum 19. An diesen Ringraum
sind den Kolonnenmantel 3 durchsetzende Verbindungsleitungen 20 angeschlossen, die über Absperrventile
21 und eine Sammelleitung 22 einerseits über ein Absperrventil 23 in eine Tauchtasse 24 am Kopf der
Drucksäule 1 und andererseits über ein Entspannungsventil 25 zum Kopf der Niederdrucksäule führen.
An der Sammelleitung 22 ist noch über ein Absperrventil 26 eine Zweigleitung 27 zu einer
Entspannungsturbine 28 (F ig. 6) angeschlossen.
Jede Etage besitzt einen Boden 29 der einerseits mit
Überlaufrohren 30, mit Überrohren 31 zur Flüssigkeitszuführung vom Etagenboden her und andererseits mit
Gasdurchlaßstandrohren 32 versehen ist.
Sofern für eine Anordnung nicht genügend Platz zur Verfügung steht, kann die Überlaufflüssigkeitszuleitung
vom Boden 29 her und durch ein seitlich in ein oben offenes verlängertes Fallrohr einmündendes Zweigrohr
erfolgen.
Gasförmiger Sauerstoff wird zweckmäßig aus der untersten Etage durch Stutzen 33 entnommen.
Will man aber an der tiefsten Stelle der untersten Etage durch Leitung 34 mit Absperrventil 35 flüssigen
Sauerstoff, welcher eine Anreicherung von Krypton und Xenon enthält, abziehen, so ist es vorteilhaft, den
gasförmigen Sauerstoff aus einer der oberen oder der obersten Etage durch den Stutzen 36 zu entnehmen.
Am tiefsten Punkt jeder Etage ist außerdem zweckmäßig zur Entleerung der Flüssigkeitsbäder bei
Betriebsunterbrechungen eine Ablaßleitung mit Absperrventil vorgesehen (nicht gezeichnet).
Zur Verhinderung der Bildung gefährlicher Anreicherungen von Kohlenwasserstoffen im unteren Bereich
der einzelnen Etagen wird eine ausreichende Spülung dieser Etagen gewährleistet, indem man in jedem
Etagenboden entsprechend dimensionierte Bohrungen 37 vorsieht, damit eine Menge von 0,1 bis 1 % des je
Zeiteinheit anfallenden flüssigen Sauerstoffs während des Betriebes jeweils aus der entsprechenden Etage in
die darunterliegende Etage direkt abfließt.
Zur Vermeidung einer Anreicherung des flüssigen Sauerstoffs mit schweren Kohlenwasserstoffen in der
untersten Etage wird über die Leitung 34 mit Ventil 35 kontinuierlich eine Menge von etwa 0,1 bis 1 % des
anfallenden flüssigen Sauerstoffs abgezogen, über eine besondere Vorrichtung total verdampft und mit dem
gasförmigen Sauerstoffprodukt vereinigt.
Aus dem oberen Teil der Ringräume 19 kann ferner durch Leitung 38 mit regelbarem Absperrventil 39 eine
mit Inertgasen, bei Luftzerlegung insbesondere mit Helium und Neon, angereicherte gasförmige Fraktion
entnommen werden, um zu verhindern, daß die Kondensationswirkung infolge einer Ansammlung dieser
Inertgase innerhalb der Wärmeaustauscheinheiten vermindert wird oder eventuell sogar zum Stillstand
kommen kann, und um eventuell gleichzeitig wertvolle Nebenprodukte, wie Helium und/oder Neon in einer
nachgeschalteten Apparatur zu gewinnen.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind gemäß F i g. 3 und 4 je zwei Plattenwärmeaustauscheinheiten
8' mit gegenüber ihrer Höhe mindestens doppelter horizontaler Längserstreckung in jeder
Etage angeordnet. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, bestehen die Sauerstoffräume 10' der Wärmeaustauscher
aus je zwei sich der Länge nach erstreckenden vertikalen Blechen und dazwischen eingelöteten Wellblechen
mit vertikalen Erzeugenden. Die Stickstoffräume 11' befinden sich in analoger Weise zwischen den
Sauerstoffräumen 10'. Sie sind oben über einen Verteilerraum 12' und unten über einen Sammelraum
13' aus eingelöteten Wellblechen mit jeweils perforierten horizontalen oder schrägen Erzeugenden, über
Sammelrohre 14' bzw. 15' an Verbindungsrohre 16' bzw. 17' angeschlossen.
Aus dem Kopf der Drucksäule 1 wird gasförmiger Stickstoff durch ein Sammelsteigrohr 9' den Verbindungsrohren
16' zugeführt, während flüssiger Stickstoff aus den Leitungen 17' über Absperrventile 21' der
Sammelleitung 22 zufließt.
Mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit fließt vom untersten Boden der Niederdrucksäule durch ein
Tauchrohr 40 der obersten Etage mit Wärmeaustauscheinheiten zu. Jede Etage besitzt einen geschlossenen
Boden 29, der einerseits mit einem Überlaufrohr 30', mit Überlaufflüssigkeitszuleitung 3Γ vom Etagenboden her
und andererseits mit Gasdurchlaßstandrohren 32' großen Querschnitts versehen ist.
Inertgase werden aus dem oberen Bereich der den Anschlußstutzen entgegengesetzten Seite der Stickstoffräume
der Wärmeaustauscheinheiten durch Sammelrohre 41, Ableitungen 38 mit regelbarem Absperrventil
39 entnommen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsart kann bzw. können zwischen den einzelnen Etagen, in
denen Wärmeaustauscheinheiten untergebracht sind, wie aus Fig.5 ersichtlich, auch noch ein oder mehrere
normale Rektifizierboden 42 mit Zulauftauchtasse 43 und Ablauftauchrohr 44 zur bzw. zum nächsttieferen
Etage bzw. Boden vorgesehen sein. Diese Anordnung hat besonderes Interesse für die Gewinnung von mit
Krypton/Xenon möglichst weitgehend angereichertem flüssigen Sauerstoff aus dem Sumpf der untersten Etage,
wobei dann der gasförmige Sauerstoff zweckmäßig in der über den eingeschalteten Zusatzböden liegenden
Etage entnommen wird.
Wie aus F i g. 6 ersichtlich, ist an der Stickstoffsammelleitung 22 zum Kaltfahren der Anlage noch ein
Anschluß über Absperrventil 26 und Leitung 27 zu einer Entspannungsturbine 28 vorgesehen. Die entspannte
Luft, die bei fortschreitender Abkühlung der Amlage immer mehr mit Stickstoff angereichert wird, gelangt
dann durch Leitung 45 mit Ventil 46 über den Ventilkasten 49 zu Regeneratoren oder reversing
ίο exchangers 48, von denen der Einfachheit halber nur einer gezeichnet ist.
Hier findet dann eine entsprechende Vorkühlung der Zerlegungsluft statt, die durch Leitung 50 zugeführt und
über den Ventilkasten 49 und Leitung 51 in die Drucksäule eingeführt wird.
Es ist jedoch auch möglich, anstelle der dargestellten Regeneratoren oder reversing exchangers kontinuierlich
arbeitende Gegenströmer mit vorgeschalteten Gel-Adsorbern zu verwenden.
Der Vollständigkeit halber ist noch zu erwähnen, daß nach Anfahren der Anlage Stickstoff aus dem Kopf der
Niederdrucksäule durch Leitung 52 abgezogen und über Wärmeaustauscher 53 zur Unterkühlung des flüssigen
Reflux-Stickstoffs, sowie Leitung 54 und 45 den Zerlegungsluftwärmeaustauschern 48, seien es Regeneratoren
oder reversing exchangers oder auch kontinuierlich arbeitende Gegenstromaustauscher, zugeführt
wird.
Ein Teil der Luft aus der Drucksäule kann dann über Leitung 55 und den unteren Teil der entsprechend
geschalteten Regeneratoren, sowie über Leitung 56 der Entspannungsturbine 28 zugeführt und entspannt über
Leitung 45 teilweise über Ventil 46 den Regeneratoren bzw. über Ventil 47 in den oberen Teil der
Niederdrucksäule zur Kältegewinnung eingeführt werden. Durch Leitung 57 und Ventil 58 kann dabei
Zusatzluft zur Regelung der Eintrittstemperatur in die Turbine 28 zugesetzt werden.
Durch die Leitung 59 wird üblicherweise mit Sauerstoff angereicherte flüssige Luft aus dem Sumpf
der Drucksäule in die Niederdrucksäule über ein Entspannungsventil eingeleitet.
Durch die beschriebene Anordnung des Kondensatorverdampfers in mehreren Wärmeaustauscheinheiten
und mehreren Etagen übereinander innerhalb des Kolonnenquerschnitts ergibt sich eine beachtliche
Ersparnis an Investitionskosten für die Abstützung gegenüber denjenigen außerhalb der Kolonne angeordneter
Wärmeaustauscher. Bei einer Luftzerlegungsanlage zur Herstellung von 40 000 Nm3 Sauerstoff/h liegen
diese Ersparnisse in der Größenordnung von DM 200 000,-.
Gegenüber der bisher bekanntgewordenen Anordnung in zwei Stockwerken bietet die vorgeschlagene
Anordnung die Möglichkeit, noch größere Kolonnen zu bauen und den Vorteil größerer Betriebsstabilität und
Sicherheit, sowohl hinsichtlich schwankender Durchsatzleistungen, als auch in bezug auf die Bildung
explosiver Gemische.
Außerdem ist die vorgesehene Anordnung dazu geeignet, ein rasches und kontrolliertes Abkühlen der
Anlage beim Anfahren bzw. ein rasches geregeltes Anwärmen der Anlage bei Betriebsunterbrechungen zu
erzielen.
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Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Kondensatorverdampfer für einen Doppelsäulenrektifikator zur Tieftemperatur-Gasgemisch-Zerlegung,
der zwischen einer Drucksäule und einer Niederdrucksäule angeordnet ist, mit in mehreren
Etagen übereinander angeordneten Wärmetauscheinheiten, wobei eine mit allen Etagen verbundene
Leitung für das zu kondensierende Medium jeweils mit dem oberen Kondensationsteil der Wärmetauscheinheiten
verbunden ist und eine Verbindungsleitung für das in jeder Etage kondensierte jeweils aus dem unteren Kondensationsteil der
Wärmetauscheinheiten abgeführte flüssige Medium zu weiteren Verwendungsstellen führt, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen den übereinander angeordneten Wärmetauscheinheiten (8)
geschlossene Böden (29) mit Überlaufrohren (30) für je ein Bad flüssigen, zu verdampfenden Mediums
angeordnet sind, wobei jeder Boden mit Ausnahme des untersten mindestens ein Durchlaßstandrohr
(32) für in den tieferen Etagen verdampftes Medium aufweist.
2. Kondensator-Verdampf er nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Etagenböden
(29) über dem untersten Boden Spülbohrungen (37) vorgesehen sind, die den direkten Ablauf von 0,1 bis
1 °/o der je Zeiteinheit anfallenden Flüssigkeit in die nächsttiefere Etage bewirken.
3. Kondensator-Verdampfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die über der untersten
Etage liegenden Böden (29) leicht geneigt ausgeführt sind und die Spülbohrungen (37) jeweils an den
tiefsten Stellen angeordnet sind.
4. Kondensator-Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß um
die Überlaufrohre (30) der Etagen über der untersten Etage Überrohre (31) größeren Durchmessers
befestigt sind, deren Oberkante über dem Flüssigkeitsspiegel und deren Unterkante knapp
über dem Boden (29) liegt.
5. Kondensator-Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Druckgaszufuhr als alle Etagen durchsetzendes, vom Kopf der Drucksäule (1) ausgehendes zentrales
Steigrohr (9) ausgebildet ist, an das die in jeder Etage vorgesehenen Wärmetauscheinheiten (8) sternförmig
angeordnet sind.
6. Kondensator-Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am
Mantel (3) der untersten Etage der Wärmeaustauscheinheiten
mindestens ein Abzugsstutzen (33) für gasförmiges Medium vorgesehen ist.
7. Kondensator-Verdampfer für Luftzerlegungsanlagen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß am Mantel einer der oberen Etagen der Wärmeaustauscheinheiten mindestens
ein Abzugsstutzen (36) für gasförmigen Sauerstoff und an der tiefsten Stelle der untersten Etage ein
Abzugsstutzen für mit Krypton und Xenon angereicherten flüssigen Sauerstoff vorgesehen ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1949609A DE1949609C3 (de) | 1969-10-01 | 1969-10-01 | Kondensatorverdampfer für einen Doppelsäulenrektifikator |
FR7031717A FR2064065A7 (en) | 1969-10-01 | 1970-08-31 | Condenser evaporator for oxygen and - nitrogen prodn |
Applications Claiming Priority (1)
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