DE19737521A1 - Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

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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.
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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