DE19737521A1 - Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, mit
mindestens einer Rektifiziersäule, die mit einer Luftleitung zur Zufuhr von
Zerlegungsluft, mit einer Stickstoffleitung zum Abzug einer Stickstofffraktion,
mit einer Sauerstoffleitung zum Abzug einer Sauerstofffraktion verbunden und
von mindestens einem Isoliermantel umgeben ist, der einen evakuierten
Isolationsraum begrenzt, durch den die Leitungen zur Rektifiziersäule geführt
sind.
Anlagen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft bestehen im wesentlichen aus
einer oder mehreren Rektifiziersäulen deren Funktion darin besteht, die in
einem Wärmetauscher auf ca. minus 170°C abgekühlte Luft in ihre
Bestandteile zu zerlegen. Bei einer Anlage zur Stickstoffgewinnung kann die
Zerlegung in einer Rektifiziersäule erfolgen. Die sauerstoffreiche Fraktion wird
im Sumpf der Säule flüssig abgezogen und im Kondensator verdampft. Am
Kopf der Säule wird gasförmiger reiner Stickstoff entnommen, um ihn als
Produkt zu gewinnen und ein zweiter Teil wird im Kondensator verflüssigt. Zum
Ausgleich der Kältebilanz wird flüssiger Stickstoff aus einem Speichertank in
die Säule eingespeist.
Der Speichertank wird dabei aus einer äußeren Quelle mit Flüssigstickstoff
beschickt. Speichertank und Rektifiziersäule sind nebeneinander angeordnet.
Der Speichertank für flüssigen Stickstoff ist durch einen Vakuumbehälter
isoliert, der die äußere Hülle des Speicherbehälters umgreift und dessen
zwischen Innen- und Außenbehälter gebildeter Isolationsraum evakuiert ist.
Die Rektifiziersäule ist üblicher Weise in einem Blechmantel eingebaut
wonach der freigebliebene Raum mit Isoliermaterial ausgefüllt wird.
Es wurde nunmehr schon versucht, eine derartige Einzelaufstellung und
Einzelisolierung der Rektifiziersäule und des Speichertanks hinsichtlich des
apparativen und betriebstechnischen Aufwandes dahingehend zu verbessern,
daß der Flüssigtank und die Rektifiziersäule im Inneren eines gemeinsamen
Vakuumbehälters angeordnet sind, der aus einem Außen- und einem
Innenbehälter besteht, zwischen denen ein Isolationsraum ausgebildet ist, der
evakuiert ist (EP-A-0 538 857).
International hat sich für eine isolierte Rektifiziersäule der Name "cold box"
eingebürgert.
Nachteilig ist bei einer derartigen Ausbildung, daß die Flexibilität hinsichtlich
des benötigten Speicherbehälters für das tiefkalt verflüssigte Gas nicht den
Prozeßerfordernissen der Anlage angepaßt werden kann und das die
Rektifiziersäule umgebende tiefkalte verflüssigte Gas die Energiebilanz der
Rektifiziersäule bezüglich des Prozeßablaufes negativ beeinflußt. Eine
Isolation der in dem Innenbehälter angeordneten Bauteile einschließlich der
Rektifiziersäule findet nicht statt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur
Tieftemperaturzerlegung von Luft schaffen, bei der die von der Isolierung
beeinflußte Wärmebilanz der Rektifiziersäule und der damit verbundenen
Bauteile verbessert ist und der apparative Aufbau vereinfacht ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mindestens die Rektifiziersäule im
evakuierten Isolationsraum angeordnet ist.
Die Erfindung ermöglicht eine wesentlich bessere Wärmebilanz der Anlage zur
Luftzerlegung, da die Rektifiziersäule von einem evakuierten Isolationsraum
umgeben ist, der die unterschiedlichen Temperaturgradienten der
Rektifiziersäule und der mit der Rektifiziersäule verbundenen Bauteile sowie
der im Isolationsraum angeordneten Bauteile gegeneinander vakuumisoliert.
Dabei verhindert das Vakuum einerseits den Wärmezustrom von der
Umgebung in den Isolationsraum und andererseits den Wärmestrom durch
Leitung von den Bauteilen höherer Temperatur zu den Bauteilen mit niederer
Temperatur innerhalb des Isolationsraumes. Die Vakuumisolierung hält die
Kälteverluste durch Umgebungs- und Prozeßeinflüsse sehr klein. Durch den
neben der "cold box" angeordneten Speicherbehälter für das tiefkalt
verflüssigte Gas ist eine einfache Anpassung der benötigten tiefkalten
verflüssigten Gasmenge an die Prozeßparameter der jeweiligen Anlage zur
Tieftemperaturzerlegung von Luft möglich.
Der Isolationsraum wird mit einem Isoliermaterial ausgefüllt, das bevorzugt
Perlite mit einer Rohdichte zwischen 40 bis 80 kg/m3 sind. Die Perlite werden
beim Evakuieren des Isolationsraumes auf 100 mbar in den Isolationsraum
durch eine Öffnung des Isoliermantels eingesaugt, die anschließend gasdicht
verschlossen wird. Einer Flüssigkeit ähnlich füllen die pulverförmigen Perlite
alle Hohlräume des Isolationsraumes aus und tragen damit neben der
Isolierung zur Stabilisierung der im Isolationsraum angeordneten Bauteile, wie
Säulen, Wärmetauscher, Rohrleitungen, Armaturen und dergleichen, bei. Die
Wärmeleitfähigkeit der Perlite im Vakuum beträgt bei minus 170°C ca. < 0,002
W/mk.
Gemäß der Erfindung ist die Rektifiziersäule im pulver-vakuumisolierten
Isolationsraum angeordnet. Der pulver-vakuumisolierte Isolierraum isoliert die
sich prozeßbedingt einstellenden einzelnen Temperaturbereiche auch
innerhalb des Isolationsraumes so gegeneinander, daß eine Wärmeströmung
ausgeschlossen ist. Die Rektifiziersäule weist in ihrem Kopfbereich aufgrund
der physikalisch bedingten Siedetemperaturen der tiefkalten Flüssigkeiten
eine ca. 6°C niedrige Temperatur, nämlich -176°C, als in ihrem Bodenbereich
auf.
auf.
Durch die Vakuumisolierung, vorzugsweise Pulver-Vakuumisolierung, des die
Rektifiziersäule umgebenden Isolationsraumes, beeinflussen die für den
Prozeßablauf notwendigen Temperaturen sich nicht gegenseitig. Die zu
erzeugende Kältemenge kann durch die Isolierung wesentlich verringert
werden.
Im Isolationsraum sind vorteilhaft weitere Bauteile angeordnet, beispielsweise
der Wärmetauscher, in dem die Zerlegungsluft gegen Produktströme
abgekühlt wird, oder auch Regel- und Steuerarmaturen oder weitere Säulen.
Eine optimierte Wärmebilanz des Wärmetauschers läßt sich innerhalb des
Isolationsraumes dadurch erzielen, daß der Wärmetauscher mit der Seite, in
die die Zerlegungsluft ein- und die Produktströme austreten und die auf einem
Temperaturniveau von ca. plus 10°C liegt, dem Isoliermantel zugeneigt und
damit in unmittelbarer Nähe des wärmeren Isoliermantels angeordnet ist,
während der Zerlegungsluftaus- und der Produktstromeintritt in der Nähe der
Rektifiziersäule angeordnet ist, so daß die auf einem Temperaturniveau von
ca. minus 170°C liegende Seite des Wärmetauschers der auf etwa gleichem
oder ähnlichem Temperaturniveau liegenden Rektifiziersäule zugeneigt ist.
Durch diese die Temperaturgradienten des Wärmetauschers
berücksichtigende Anordnung bezüglich der Temperaturverteilung in dem
vakuum- beziehungsweise pulver-vakuumisolierten Isolationsraum ist die
Wärmebilanz der Anlage durch die Isolierung und der Anordnung der Bauteile
und Rektifiziersäule wesentlich optimiert. Hinzu kommt, daß durch die
geneigte Anordnung des Wärmetauschers eine optimierte Rohrleitungsführung
(kurze Rohrleitungen) und geringer apperativer Aufwand und dessen
Anordnung als Ganzes, d. h. ohne Aufteilung in zwei oder mehr
Wärmetauschersektionen, im vollständig evakuierten Isolationsraum erreicht
wird.
Darüber hinaus ist vorteilhaft, mindestens eine Regelarmatur, zum Beispiel
das in der sauerstoffreichen Flüssigfraktion angeordnete Ventil, in dem
Isolationsraum angeordnet, während die das Ventil ein- beziehungsweise
verstellende Stelleinrichtung außerhalb des Isolationsraumes vorgesehen ist.
Dadurch daß die Stelleinrichtung durch den Isoliermantel geführt ist, kann die
Regelamatur innerhalb des Isolationsraumes angeordnet werden ohne daß auf
eine Verstellung von außerhalb der "cold box" verzichtet werden muß.
Dadurch werden weitere Kälteverluste vermieden.
Rektifiziersäule und Wärmetauscher werden vorteilhaft über flexible bzw.
elastische seilförmige Elemente, wie Seile, Ketten und dergleichen in dem
Isoliermantel verspannt. Nur die senkrecht zur Längsrichtung der
Rektifiziersäule auftretenden Kräfte werden von Lagern aufgenommen, die an
dem Isoliermantel befestigt sind. Durch die Seilverspannung ist neben einer
einfacheren Ausrichtung zum Beispiel der Rektifiziersäule bezüglich der
weiteren Bauteile, wie Rohrleitungen und dergleichen, eine weitere
Verbesserung der Wärmebilanz der Anlage erzielbar, da nur die Lager eine
Wärmeleitung über den Isoliermantel zulassen. Um diese Wärmeleitung zu
minimieren sind die Lager über Isolierwerkstoffe, wie glasfaserverstärktem
Kunststoff GFK zwischen dem Lager und der Innenfläche des Isoliermantels
als Zwischenlagen angeordnet. Hinzu kommt, daß durch die
Seilverspannungen die thermischen Spannungen im warmen und kalten
Zustand der Anlage aufgenommen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt und wird im folgenden näher beschieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anlage zur Gewinnung von Stickstoff;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung des Wärme
tauschers;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für ein im Isolierraum angeordnetes
Regelventil.
Die nur für die Erfindung wesentlichen Teile der Anlage zur
Tieftemperaturzerlegung von Luft sind schematisch in Fig. 1 dargestellt. Die
Anlage besteht im wesentlichen aus einem Flüssiggasbehälter 10, einer
Rektifiziersäule 15 mit Kopfkondensator 16 und einem Wärmetauscher 17. Die
Abbildung ist nicht maßstabsgetreu, eine Rektifiziersäule 15 ist im Verhältnis
zum Flüssiggasbehälter 10 wesentlich höher als die dargestellte.
Der Flüssiggasbehälter 10 besteht in der üblichen Weise aus einem
Innenbehälter 12 und einem Außenbehälter 13, deren Zwischenraum 14
vakuumisoliert ist. Rektifiziersäule 15 mit Kopfkondensator 16 und
Wärmetauscher 17 sind von einem Isoliermantel 18 umgeben. Der
Isoliermantel besteht aus unlegiertem Baustahl und umschließt Rektifiziersäule
15 mit Kopfkondensator 16 und Wärmetauscher 17 gasdicht. In dem
Isoliermantel 18 sind zwei Öffnungen 19, 20 vorgesehen. Die Öffnung 19 ist
mit einer Vakuumpumpe 21 und die Öffnung 20 mit einem Perlitbehälter 22
verbunden ist. Über die Vakuumpumpe 21 wird in dem vom Isoliermantel 18
umgebenen Isolationsraum 23 ein Vakuum von 100 mbar erzeugt. Der im
Isolationsraum 23 so entstehende Unterdruck saugt das Perlit aus dem
Perlitbehälter 22 in den Isolationsraum 23 bis es alle Hohlräume ausgefüllt hat.
Die Perlite weisen im Vakuum des Isolationsraumes 23 eine Dichte von < 1,2x
Schüttdichte auf und umgeben die Rektifiziersäule 15 mit dem
Kopfkondensator 16, den Wärmetauscher 17 und alle im Isolationsraum 23
angeordneten weiteren Bauteile, wie Rohrleitungen, Regelarmaturen und
dergleichen.
An dem Isoliermantel 18 sind als Füße ausgebildete Lager 24 vorgesehen, die
die Rektifiziersäule 15 tragen und die die Gewichtskräfte der Rektifiziersäule
aufnehmen. Über ihre Längserstreckung ist die Rektifiziersäule mit Seilen 25,
26 seitlich verspannt. Es ist selbstverständlich, daß andere seilförmige
Elemente wie Ketten und dergleichen zur Verspannung der Rektifiziersäule
verwendet werden können. Die Rektifiziersäule wird mindestens nach drei
Seiten (120°) mit in ihrer Länge einstellbaren Seilen verspannt. Die Seile 25,
26 sind über Schellen 51, die die Rektifiziersäule umgeben und eine
Bewegung der Rektifiziersäule erlauben, mit dieser und über Lager 27 mit dem
Isoliermantel 18 verbunden. In dem Isolationsraum 23 ist der Wärmetauscher
17 angeordnet, dem über Leitung 28 verdichtete und gereinigte Luft zugeführt
wird. Die kalte Luft wird in den unteren Bereich der Rektifiziersäule 15
eingeblasen.
Die Rektifiziersäule 15 wird unter einem Druck von 4,5 bis 12 bar,
vorzugsweise etwa 6 bar betrieben. Sie ist in dem Ausführungsbeispiel mit
zwei Abschnitten 29, 30 von geordneten Packungen oder Siebböden
ausgestattet. Oberhalb der Packungsabschnitte 29, 30 ist je ein
Flüssigkeitssammler 31, 32 vorgesehen.
Über eine Sauerstoffleitung 33 kann sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit
entnommen werden. Eine Stickstoffleitung 34 führt gasförmigen Stickstoff als
Produkt durch den Wärmetauscher 17 ab. Im oberen Bereich der
Rektifiziersäule 15 mündet außerdem eine erste Speiseleitung 35, und zwar
direkt in den oberen Flüssigkeitssammler 31. Sie dient zur Zu- und Abfuhr von
Flüssigstickstoff und verbindet die Innenräume von Rektifiziersäule 15 und
Stickstofftank 10.
Ein Kopfkondensator 16 dient zur Verflüssigung von Stickstoff am Kopf der
Rektifiziersäule 15. Die in der Zeichnung angedeuteten Passagen sind zum
Innenraum der Rektifiziersäule hin offen und bilden somit die
Stickstoffpassagen. Im Außenraum der Passagen steht
sauerstoffangereicherte Flüssigkeit an, die über die Sauerstoffleitung 33
herangeführt wird. Sie verdampft in direkten Wärmetausch mit kondensiertem
Stickstoff. Die verdampfte Fraktion wird über eine Sauerstoffproduktleitung 36
abgeführt und im Wärmetauscher 17 gegen Zerlegungsluft 28 angewärmt.
Der Wärmetauscher 17 ist mit zwei Tragkonsolen 37 an dem Isoliermantel 18
befestigt. Die Tragkonsolen sind dem warmen Ende (+ 10°C) des
Wärmetauschers 17 zugeordnet und tragen die senkrechten Lasten von
diesem. Dabei ist der Wärmetauscher 17 so im Isolationsraum angeordnet,
daß der Sauerstoffprodukteingang 38 vom Isoliermantel weiter entfernt ist, als
der Sauerstoffproduktausgang 39. Dadurch daß der Wärmetauscher 17 unter
einem Winkel zwischen 3 und 10 Grad, vorzugsweise unter einem Winkel von
5 Grad mit seinem kalten Ende (ca. -170°C) zur Rektifiziersäule hin geneigt
angeordnet ist, wird der Kältebedarf reduziert, da das warme Ende dem
wärmeren Isoliermantel 18 und das kalte Ende des Wärmetauschers der
Rektifiziersäule zugeordnet ist. Die Befestigung und Ausrichtung des kalten
Endes des Wärmetauschers 17 erfolgt über seilförmige Elemente 40, 41, die
als Seilverspannung ausgebildet sind.
Die seilförmigen Elemente 40, 41 sind an dem Isoliermantel 18 mittels
Schellen 50 befestigt.
Der Füllstand des Säulensumpfes der Rektifiziersäule wird mittels eines
Ventiles 42 gesteuert, welches in der Sauerstoffleitung 33 angeordnet ist. Wie
Fig. 3 zeigt, ist Ventil 42 innerhalb des Isolationsraumes 23 angeordnet und
pulver-vakuumisoliert. Über ein ebenfalls pulver-vakuumisoliertes
Abgangsstück 43 ist die Stelleinrichtung 44 beispielsweise eine
Regelventilspindel durch den Isoliermantel 18 nach außen geführt und mit
einem Antrieb 45 so verbunden, daß das Ventil von außen einstellbar ist.
Claims (11)
1. Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, mit mindestens einer
Rektifiziersäule, die mit einer Luftleitung zur Zufuhr von
Zerlegungsluft, mit einer Stickstoffleitung zum Abzug einer
Stickstofffraktion, mit einer Sauerstoffleitung zum Abzug einer
Sauerstofffraktion verbunden und von mindestens einem
Isoliermantel umgeben ist, der einen evakuierten Isolationsraum
begrenzt, durch den die Leitungen zur Rektifiziersäule geführt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens die Rektifiziersäule (15) im evakuierten
Isolationsraum (23) angeordnet ist.
2. Anlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gasdruck im Isolationsraum (23) ≧ 10-1. mbar ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolationsraum (23) mit einem Isoliermaterial ausgefüllt ist.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Isoliermaterial Perlite aufweist.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rektifiziersäule (15) über eine Speiseleitung (35) mit einem
außerhalb des Isoliermantels (18) angeordneten Flüssiggasbehälter
(10) verbunden ist.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rektifiziersäule (15) einen im Isolationsraum (23)
angeordneten Kopfkondensator (16) aufweist, der ausgangsseitig
über eine Sauerstoffproduktleitung (36) mit einem Wärmetauscher
(17) verbunden ist und eingangsseitig über eine im Isolationsraum
(23) angeordnete Sauerstoffleitung (33) mit dem unteren Bereich der
Rektifiziersäule (15).
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Sauerstoffleitung (33) eine im Isolationsraum (23)
angeordnete Regelarmatur (42) vorgesehen ist, deren Stelleinrichtung
(44) außerhalb des Isolationsraumes (23) so angeordnet ist, daß die
Regelamatur von außerhalb des Isoliermantels (18) einstellbar ist.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmetauscher (17) im Isolationsraum (23) angeordnet.
9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmetauscher (17) so im Isolationsraum (23) angeordnet
ist, daß der Sauerstoffprodukteingang (38) von dem Isoliermantel (18)
weiter entfernt ist als der Sauerstoffproduktausgang (39).
10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rektifiziersäule (17) und/oder der Wärmetauscher (17)
mittels seilförmigen Elementen (25, 26, 40, 41) so im Isolationsraum
(23) verspannt sind, daß sie in einer vorgegebenen Lage angeordnet
sind.
11. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elemente (25, 26, 40, 41) am Isoliermantel (18) befestigt sind
und am Isoliermantel (18) Lager (24, 37) vorgesehen sind, die die
Lasten der Rektifiziersäule (15) und/oder des Wärmetauschers (17)
aufnehmen.
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DE1997137521 DE19737521A1 (de) | 1997-08-28 | 1997-08-28 | Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft |
EP98948835A EP1015828A1 (de) | 1997-08-28 | 1998-08-17 | Anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft |
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Publications (1)
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DE1997137521 Ceased DE19737521A1 (de) | 1997-08-28 | 1997-08-28 | Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft |
Country Status (3)
Country | Link |
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EP (1) | EP1015828A1 (de) |
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