DE1949609C3 - Kondensatorverdampfer für einen Doppelsäulenrektifikator - Google Patents

Kondensatorverdampfer für einen Doppelsäulenrektifikator

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Description

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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 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
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 Doppelrektifikaiionssäulen 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 führL
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 ι s
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 Wärmeaustauscher- zo heiten 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 vo-gesehen 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-\b, die nächsttiefere Etage einen Schnitt Ic nach der Linie Ic- Ic und die unterste Etage einen Schnitt Id nach der Linie \d— ld in F ig. 2 darstellt.
F i g. 2 stellt den Grundriß einer Etage dar.
Fig.3 zeigt einen Längsschnitt durch den mittleren Teil eines Doppelrektifikators einer Luftzerlegungsan- SS lage mit einer anderen Anordnung des Kondensatorverdampfers, wobei die oberste Etage einen Schnitt I la nach der Linie Ha—Ua, die nächsttiefere Etage einen Schnitt Ub, ft'nach der Linie Ub- Ub und Ub'- Ub', die nächsttiefere Etage einen Schnitt lic nach der Linie He—Hc und die unterste Etage einen Schnitt Ud nach der Linie Ud- Hofin F i g. 4 darstellt.
Fig.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 abgeEchlossen ist, ist die Niederdrucksäule mit einem Kondensatorverdampfer in ihrem unteren Mantelteil 3 aufgebaut Zur Unterbringung des Kondensatorverdampfers in diesem Mantelquerschnil.-?, 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 Iloden 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 Sauerstoffräuine 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 Verteilerrauin 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 Druckstickstoffsteigleituiig 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 i g. 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 Verfugung steht, kann die Überlaufflüssigkeitüzuleitung vom Boden 29 her und durch ein seitlich in ein oben offenes verlängertes Fallrohr einmündendes 21weigrohr 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 !ncrtgasc innerhalb der Wärmeaustauscheinheiten ι« 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 Fig.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 2Γ der Sammelleitung 22 zufließt.
Mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeil fließt vom untersten Boden der Niederdrucksäule durch ein Tauchiohr 40 der obersten Etage mit Wärmeaustauscheinheiten zu. Jede Etage besitzt einen geschlossenen Boden 29, der einerseits mit einem Überlaufrohr 30', mit Überlaufflüssigkeitszuleitung 31' 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 F i g. 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 Ober 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 Vr'ntilkasten 49 zu Regeneratoren oder reversing exchangers 48, von denen der Einfachheit halber nur einer gezeichnet ist.
Hier findet dann eine entsprechende Vorkühlung der Zerlegungsluft siatt, 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-Adsorbem 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 zi bauen und den Vorteil größerer Betriebsstabilität unc Sicherheit, sowohl hinsichtlich schwankender Durch Satzleistungen, als auch in bezug auf die Bildung explosiver Gemische.
Außerdem ist die vorgesehene Anordnung dazi geeignet, ein rasches und kontrolliertes Abkühlen dei Anlage beim Anfahren bzw. ein rasches geregelte: Anwärmen der Anlage bei Betriebsunterbrechungen zi erzielen.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Kondensatorverdampfer für einen Doppelsäulenrektifikator zur Tieftemperatur-Gasgemisch-Zer- legung, 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-Verdampfer 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 % 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.
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